鋼管拱內補償收縮自密實混凝土的試驗研究

郭晨緋 王君實

(中鐵三局建安公司試驗中心，山西 太原 030006)

1 概述

新建太原至焦作客運專線鐵路跨既有榆太市政道路簡支鋼管拱特大橋工程位于山西省晉中市(見圖1)，主拱拱跨1-128 m，系簡支鋼管拱結構，由上拱、下拱、聯接腹板及聯接系桿組成，上、下拱內徑均為1 200 mm，腹板厚度為500 mm，管內采用C55補償收縮自密實混凝土，本課題對補償收縮自密實混凝土進行試驗研究，為施工生產創造條件。

2 原材料

1)水泥。

采用太原山水水泥有限公司P.O42.5，試驗結果如表1所示。

表1 水泥試驗結果

2)礦渣粉。

產地山西太鋼不銹鋼股份有限公司，執行標準TB 10424—2010鐵路混凝土工程施工質量驗收標準的S95粒化高爐礦渣粉，試驗結果見表2。

表2 礦渣粉試驗結果

3)膨脹劑。

產地山西康特爾精細化工有限責任公司，執行標準GB/T 23439—2009混凝土膨脹劑硫鋁酸鈣型Ⅰ型，試驗結果見表3。

表3 膨脹劑試驗結果

4)高性能減水劑。

產地為山西康特爾精細化工有限責任公司，見表4。

表4 高性能減水劑試驗結果

5)細骨料。

產地河北省靈壽縣云盛建材有限公司，天然河砂，如表5所示。

表5 細骨料試驗結果

6)粗骨料。

產地和順縣恒遠石料廠，執行標準《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》中配制C50及以上，為確保連續級配，用5 mm～10 mm∶10 mm～20 mm=3∶7復配為二級配，試驗結果見表6。

表6 粗骨料試驗結果

3 預期目標

1)力學指標。

制配強度：fcuk=55+1.645×6=64.9 MPa(標準差選6 MPa)；彈性模量：E≥35 GPa(28 d)。

2)長期性和耐久性指標。

限制膨脹率：ε>0.015%(水中14 d)；含氣量:A=2%～3%；電通量:Q≤1 200 C/6 h。

3)工作性指標。

a.坍落度H0=220 mm～260 mm，H120無損失，H300≤180 mm；擴展度L0=500 mm～650 mm。

b.自密實性能：擴展時間：T500=5 s～9 s；J環擴展度差：Lj≤25 mm；V型漏斗試驗：流出時間不大于6 s；U型箱試驗：填充高度差：≥25 mm。

4 配合比設計

1)無論是收縮補償性能還是自密實性能，都以材料的合理選擇及良好的配合比設計為基礎。根據JGJ/T 283—2012的建議，配合比設計經過初步設計、理論設計、生產設計三個階段，基準配合比確定后發送項目部，由項目部進行試生產攪拌，以驗證混凝土形態，不經生產性驗證不得正式施工。

2)配合比設計各參數的選擇參照JGJ 55—2011中的建議，砂、石料的每立方米用量使用質量法，實踐表明質量法運用得當完全滿足使用要求，膠凝材料的總量參照JGJ/T 283—2012和TB 10424—2018兩個標準上限的規定(分別為550 kg/m3和600 kg/m3)并根據優先保證流動性和密實性的原則確定為600 kg/m3，經理論計算并結合歷史經驗，混凝土理論配合比見表7。

表7 混凝土理論配合比 kg/m3

配合比的主要設計指標見表8。

表8 配合比主要設計指標

3)理論配合比經試拌，各項性能測試結果見表9。

表9 配合比拌合物、力學、耐久性實測結果

拌合物出機形態見圖2，可以發現混凝土出機后呈自流平狀，和易性良好，不沾鍬；圖3是混凝土J環試驗，可見拌合物流經J環較為順暢，擴展度無大的變化。

4)配合比穩定性驗證。

為保證配合比的穩定性，避免現場實際使用時性能出現較大波動，我們將減水劑減掉20%，再進行試拌，結果發現除坍落度減小外，混凝土形態仍較好，說明配合比參數選擇合理，見圖4。

根據以往經驗，當現場采用大坍落度混凝土時拌合物狀態會時好時壞，外界條件稍一變化混凝土就出現泌水、離析等現象，無法正常施工，稱之為“邊界混凝土”，為此我們建議在試配時，可以先減掉20%左右的減水劑，如果混凝土除了坍落度明顯變小外其他性能仍保持基本不變(不分散，不離析，均勻下沉)，說明配合比穩定性較好，這個方法可以作為驗證配合比合理性的一個參考方法。

5)有害物質含量計算。

按照折固及折減規則，經計算，堿含量為2.81 kg/m3(限值不大于3 kg/m3)，氯離子為0.032%(限值不大于0.10%)，三氧化硫為2.19%(限值不大于4%)，含量均不超過鐵路驗標的規定。

5 施工情況

1)現場情況。

理論配合比設計完成后，中心試驗室將配合比發送項目部試驗室進行復現性試驗，結果復現性良好；隨后攪拌站進行了試攪拌，觀察可知混凝土形態良好。隨后鋼管拱于2019年11月澆筑混凝土，現場自設攪拌站，原材料材質、配合比進行了嚴格控制，上拱、下拱、中間腹板分開澆筑，中間各間隔7 d，采用拱腳頂推法，主拱(包括腹板)共澆筑混凝土834 m3，每次澆筑歷經4 h。經對出機、入泵及拱頂開窗處混凝土狀態仔細進行觀察可知，混凝土形態良好，呈自流平狀態，無離析、泌水、過大氣泡等情況，混凝土流動性保持3 h基本不衰減、5 h可泵送的要求，現場測試情況如表10所示。

表10 現場混凝土工作性測試結果

2)脫粘控制。

a.過程控制：控制好配合比、泵機壓力及灌注的連續性，保證混凝土具有最優的和易性是保證管內混凝土不脫粘的前提。在混凝土澆筑過程中，每澆筑一段，施工人員用手錘敲擊鋼管壁，如聽到明顯的鋼管和混凝土脫離的回聲，則立即通知施工人員采取措施，主要有：調整泵送壓力、微調混凝土外加劑(改善壓力泌水率)、改善管壁排氣窗的位置及大小等。

b.檢測及注漿：當澆筑達到14 d以后，專職質檢人員逐節使用敲擊法檢測混凝土脫粘情況，當脫粘范圍超過2 m或脫粘厚度大于3 mm時，采取了真空注漿法給予處理，本工程發現符合處理條件的部位4處，均通過真空注漿法處理，經再次檢測未出現脫粘情況。

6 結論

1)無論是補償收縮還是自密實，都必須以配合比設計為基礎，同時原材料做到嚴格控制，骨料粒形必須合格，細骨料0.315 mm以下細粉粒不能太少，砂率亦取稍大，總膠結料不宜過小，水膠比宜小，膨脹劑限制膨脹率必須合格，做好了這些用常規方法配制補償收縮自密實混凝土是有保證的。

2)為驗證配合比的穩定性，在理論配合比完成后，可以減掉20%左右的減水劑再進行試配，如發現除坍落度變小外，混凝土形態仍較好則可以判定混凝土的穩定性較好，反之則應重新調整配合比有關參數。

3)機制砂棱角多，級配較難控制，混凝土流動性差，不建議在鋼管混凝土中使用，可否摻配一定比例的河砂使用應進行試驗及現場試灌注，否則不宜貿然使用，今后機制砂應在生產裝備、粒形控制、加工工藝方面有所突破，否則單靠施工技術及配合比設計很難達到預期效果。

4)為保證混凝土不出現脫粘現象，除了使用收縮補償混凝土外，混凝土拌合物的和易性至關重要，膨脹劑的限制膨脹率試驗必須做，確保混凝土在縱向限制條件下具備微膨脹及補償收縮的能力，保證不出現脫粘現象。