鋼管拱橋高性能混凝土配合比設計與應用

作者簡介：

覃艷紅（1979—），工程師，主要從事公路橋梁施工試驗檢測工作。

文章以廣西荔浦至玉林公路平南北連接線上跨潯江的平南三橋工程項目為背景，通過對原材料的選取，并針對不同原材料對工作性能、力學性能、變形性能的影響，設計出高性能高流態自密實微膨脹混凝土配合比。試制和實際工程結果表明，用該配合比配制的混凝土能完全滿足設計、施工的要求。

自密實微膨脹混凝土;鋼管拱橋;配合比

U448.22A280955

0 引言

鋼管混凝土拱橋的主要部件是鋼管混凝土，鋼管混凝土拱橋對混凝土技術有很高的要求，其混凝土要求具有高強、膨脹穩定和良好的施工性能[1]。高性能混凝土與普通的混凝土相比，具有在施工性、穩定性、耐久性、抗壓強等方面的優勢[2]，尤其是高強度和良好的膨脹性能，使得鋼管內的混凝土應保持一定的膨脹應力，才能實現復合材料的“套箍”復合效應[3-4]。

現在的鋼管高性能混凝土配制的主要技術路線在《混凝土配合比設計規范》基礎上，在普通混凝土中摻入一定量的減水劑、膨脹劑和礦物質以獲得高性能[5-9]。鋼管自密實無收縮混凝土的設計宗旨，是要最終解決拱頂脫空脫粘和耐久性的問題。確保配制出來的混凝土微膨脹量盡量能補償混凝土自身的收縮量，才能解決拱頂脫空脫粘的難題。本文從鋼管自密實無收縮混凝土的性能要求及控制指標出發，對混凝土原材料的選用、配合比設計進行研究，并通過實際工程驗證配合比的合理性。

1 研究實例

平南三橋是廣西荔浦至玉林公路平南北連接線上跨潯江的一座特大橋，主橋為575 m（凈跨徑548 m）中承式鋼管混凝土拱橋，引橋為預應力混凝土連續箱梁。南引橋為40 m+60 m+（2×35） m現澆預應力混凝土連續梁橋，北引橋為（50+60+50） m+（3×40） m現澆預應力混凝土連續梁橋，大橋全長1 035 m。主拱采用鋼管混凝土桁式結構，整束擠壓鋼絞線吊索體系，計算矢跨比為1/4.0，拱軸系數為1.50，拱肋中距為30.1 m。拱頂截面徑向高為8.5 m;拱腳截面徑向高為17.0 m，肋寬為4.2 m;每肋為上、下各兩根1 400 mm鋼管混凝土弦管，管內混凝土采用高性能高流態自密實微膨脹C70。

對混凝土要求如下：

（1）工作性能

設計為C70自密實混凝土，其工作性能應當滿足自密實混凝土要求，含氣量≤2.5%，自拌和開始3 h內坍落擴展度650±50 mm，擴展時間T500：3～7 s，坍落擴展度與J環擴展度差值為0～25 mm，離析率≤15%，初凝時間≥20 h。

（2）力學性能

設計強度等級為C70，依據設計要求，28 d強度≥70 MPa，90 d配制強度按式（1）確定：

fcu，0≥1.15 fcu，k=1.15×70=80.5 MPa（1）

式中：fcu，k——配制強度，MPa;

fcu，0——混凝土立方體抗壓強度標準值， MPa。

（3）變形性能

無收縮混凝土3 d自生體積變形≥150 με，56 d自生體積變形≥0。

2 原材料選擇

管內混凝土采用的自密實微膨脹混凝土中外摻材料種類多，同時其性能對原材料敏感度較高，這些特點導致其新拌混凝土的工作性能難以保持穩定，增大泵送過程中堵管、爆管的風險，因此原材料的把控以及配合比設計尤為關鍵。配制大流動性混凝土選擇的主要原材料為水泥、粉煤灰、礦渣粉、級配碎石、砂、減水劑、膨脹劑等。

2.1 水泥

水泥作為混凝土主要的膠凝材料，直接影響混凝土結構的關鍵技術性能。此次項目計劃選用華潤水泥或魚峰水泥進行試配。水泥的主要含量為硅酸三鈣、硅酸二鈣以及鋁酸三鈣，其含量不同直接影響水泥主要性能。如圖1所示，由于C3A含量不同，華潤水泥的坍落度、漏斗時間均比魚峰水泥的大。同樣，由于華潤水泥C3A含量較高，其自密混凝土損失較大。

如圖2所示為兩種水泥抗壓、抗折強度對比情況，可以看出魚峰水泥的早期強度不如華潤水泥，后期剛好相反。綜合各方因素考慮，選擇魚峰水泥作為本項目的水泥材料。

2.2 細集料

如表1所示，相比于鐘昭路機制砂，河砂級配較差且含泥量（主要成分：蒙脫土、高嶺土）較高，會劣化自密實混凝土工作性能，所以不采用該河砂（梧州藤縣黃華河河砂）。另外，高石粉含量會降低混凝土工作性能和強度，增大自收縮。選用的鐘昭路機制砂級配較好，含泥量低，但需限制石粉含量，宜≤7%。

2.3 粗集料

表2為粗集料成分檢測結果，母巖強度顯著影響制備的混凝土強度，依大小順序為：輝綠巖>閃長巖>石灰巖。綜合考慮骨料級配、堆積空隙率、強度等指標，建議鋼管拱內C70混凝土采用貴港牛石嶺輝綠巖。

2.4 粉煤灰

粉煤灰中含有的活性成分比C3S和C2S水泥的水化速度慢，二次水化能有效地填充混凝土內部結構的孔洞，使混凝土內部更加密實，從而提高混凝土的性能。選用優質粉煤灰能有效地提高混凝土的耐久性，節約水泥，降低成本?；炷潦褂芒窦壏勖夯矣蓮V西欽州藍島提供，其主要技術指標性能試驗結果如表3所示。工程抽樣檢驗符合《水泥及混凝土用粉煤灰》（GB/T1596-2017 ）Ⅰ級粉煤灰技術條件要求。

2.5 硅灰

硅灰是一種具有高比表面積的微粉輔助膠凝材料。在C70高性能混凝土摻入一定量的硅灰，不僅能改善混凝土的工作性，還可以利用微粉填隙作用形成細觀的緊密體系，改善界面結構，提高界面粘結強度，如表4所示。

2.6 微珠

在C70高性能混凝土中摻入一定量的微珠，可以降低混凝土黏度，相同坍落度或擴展度條件下，添加微珠的混凝土塑性黏度和倒筒時間明顯降低，對泵送混凝土有極佳的潤滑改善作用，顯著降低混凝土泵的泵送壓力。同時，可以提高混凝土密實度、改善混凝土中水泥漿與粗骨料之間的界面，減少有害毛細孔，提高混凝土強度。其在混凝土中能夠起到密實填充作用，減少有害毛細孔及微裂紋，增加抗腐蝕性能。

2.7 減水劑

C70混凝土采用蘇博特PCA-I聚羧酸減水劑。詳見表5。由于水泥用量大，水灰比低，強度要求高，混凝土流動性大，因此對混凝土的設計和施工提出了更高的要求。為了滿足混凝土的性能和施工要求，同時減少水泥用量，降低工程造價，外加劑的選擇尤為重要。外加劑的選擇主要從以下幾個方面考慮：推遲混凝土初凝時間、提高混凝土早期強度、減少混凝土坍落度損失、與水泥的相容性及外加劑的穩定性。

2.8 膨脹劑

HME-II膨脹劑是一種由氧化鎂與氧化鈣類或硫鋁酸鈣類或硫鋁酸鈣類-氧化鈣類膨脹組分按照一定比率復合的高性能混凝土氧化鎂復合膨脹劑（表6），是一種具有延遲性膨脹特性的膨脹性。

3 配合比設計方法

水膠比、膠凝材料用量等對混凝土的力學性能及其工作性能有較大影響。要獲得滿足設計要求的高性能混凝土，必須在試制配合比基礎上進行適當的調整。調整的原則從經濟性和實用性出發，通過選用高效的減水劑，降低水膠比，提高密實度，修正凝膠材料的用量、調整摻合料的用量等獲得最優化的配合比。

混凝土配合比設計依照如下流程：

原材料試驗（選擇原材料）→水泥與外加劑相容性試驗→水灰比、砂率、粉煤灰摻量、膨脹劑摻量相關試配試驗→確定最佳配合比→工程攪拌機試拌試驗。根據上節分析，選定表7為本項目原材料。

如圖3所示：（1）膠凝材料用量增加，混凝土包裹性改善，強度提高，但混凝土收縮增大;（2）水膠比降低，混凝土強度提高，但黏度與收縮增大;（3）砂率提高，混凝土包裹性改善，但強度降低，混凝土收縮增大。因此各材料適宜取值為：膠材用量取590 kg/m3，水膠比取0.26～0.27，砂率宜取40%～42%。

如圖4所示，可知摻入礦粉，混凝土后期強度有所提升，但拌和物黏度顯著增加，且收縮增大。摻入硅灰，混凝土黏度下降，包裹性改善，強度增加。復摻入微珠，混凝土黏度進一步降低，強度增加。

在普通粉煤灰混凝土中摻加一定量的膨脹劑，可以得到粉煤灰膨脹混凝土。在限制膨脹率條件下，用適量的膨脹劑替代相應數量的水泥，可以提高早期強度，對28 d強度影響不大。膨脹劑用量增加，水泥用量減少，則3 d和28 d強度下降。在一定范圍內，膨脹劑用量增加，坍落度和擴展度增大，工作性能得到提升，但超過一定量后工作性能反而下降。另外，限制膨脹率也隨膨脹劑的增加而增大。摻入復合膨脹劑，能有效補償混凝土硬化階段自收縮。如圖5所示，模擬變溫試驗中，10%摻量可增加管內混凝土溫升階段最大膨脹變形約600 με，溫降階段補償收縮約400 με。為了驗證混凝土各項性能指標，模擬現場施工工藝進行試泵試驗。

根據上述分析，優化后的配合比如下：

水泥∶粉煤灰∶微珠∶硅灰∶膨脹劑∶機制砂∶碎石∶水∶外加劑=387∶90∶30∶24∶59∶736∶1 017∶157∶12.96。

4 試驗驗證

采用表7的原材料與最優化的配合比，試配制C70管內混凝土，并模擬現場施工工藝進行試泵試驗。試拌用量如表8所示。

以往管內混凝土脫空的主要原因是灌注施工時混凝土中的氣泡沒有及時排出，混凝土在泵送運動過程中聚集于管壁而造成。為了排出混凝土攪拌時夾帶進去的空氣和材料反應產生的氣泡，混凝土攪拌結束后讓罐車以5 r/min速度滾動40 min，盡可能讓氣泡排出，減少混凝土中氣泡帶來的危害。從現場的試驗管，可以看到該高性能混凝土可泵性好、無空管、脫落等問題。

如表9、表10所示可知，試配C70自密實混凝土，其工作性能應當滿足自密實混凝土要求，含氣量為1.6%，自拌和開始3 h內坍落擴展度670 mm，擴展時間T500為4.1 s，坍落擴展度與J環擴展度差值為9.6 mm，離析率≤3.3%，初凝時間≥20 h 40 min。28 d強度為80.9 MPa，90 d配制強度為94.2 MPa。其工作性能與力學性能均滿足設計的要求。

C70管內混凝土摻入了復合膨脹劑，補償混凝土硬化階段的自收縮。經試驗：（1）普通混凝土28 d后收縮曲線逐漸平緩，到60 d時，混凝土自收縮為248 με;（2）無收縮混凝土3 d時膨脹變形為190 με，28 d時補償收縮后混凝土有113 με膨脹變形，56 d時混凝土仍有90 με膨脹變形（如圖6所示）。摻入復合膨脹劑的C70混凝土膨脹變形系數滿足設計要求。

5 結語

通過對平南三橋主拱鋼管混凝土、鋼管混凝土弦管內混凝土測試結果與實施效果進行分析，發現該項目采用高性能高流態自密實微膨脹C70配合比能完全滿足設計的要求，實現了對工程施工質量的提升，并取得了良好的經濟效益。

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