鋼—混凝土組合橋梁自密實補償收縮混凝土 配制技術及應用

沈玉，王旺寧

（中交二公局第三工程有限公司，陜西 西安 710016）

0 前言

隨著大跨徑鋼拱橋、鋼—混凝土組合橋梁的迅速發展，自密實補償收縮混凝土應用越來越廣泛，自密實補償收縮混凝土的開發和在鋼—混凝土組合結構橋梁上應用，簡化了施工工序，降低了勞動強度，消除振搗噪音，改善作業環境，加快施工進度，提高施工效果和管理水平。推廣應用自密實補償收縮混凝土，降低混凝土結構開裂敏感性，提高工程質量，杜絕橋梁伸縮縫常見病害，大幅度減少施工期表面塑性開裂、運營期橫橋向斷裂、局部發生網裂的風險，提升鋼—混凝土組合結構橋梁混凝土耐久性，降低全壽命周期成本。

在高性能自密實補償收縮混凝土的配制過程中，存在著新拌混凝土大流動性與抗離析性的矛盾，高強混凝土低水灰比與大流動性之間的矛盾，高膠凝材料用量與坍落度經時損失大的矛盾等。需要解決的主要問題：（1）高流動性和坍落度保持：保證拌合物擴展度在 600～700mm，J 環現實的鋼筋通過率符合自密實混凝土相關標準要求，且坍落度損失得到有效控制。（2）高勻質性問題：保證混凝土質量均勻，即不泌水、不離析，澆筑后不出現明顯的分層現象。（3）原材料波動對混凝土性能的影響，確定關鍵原材料技術指標質量控制的閾值。（4）配合比設計的技術原則和關鍵參數的確定方法，思路是遵循用水量—性能的控制路線。

1 工程簡介

本文依托陜西省平鎮高速公路，研究鋼—混凝土組合橋梁自密實補償收縮混凝土的配制技術及應用，該項目為陜西省重大關鍵技術攻關項目。平鎮高速公路 LJ2 標四方石溝大橋橋址位于陜西省安康市平利縣廣佛鎮附近，路線沿秋河右岸山坡設線，橋梁為路線跨越秋河支流四方石溝而設。該溝溝道較為狹窄，兩岸山坡陡峻。上部結構左線采用 4×35 米鋼—混組合梁（鋼板梁），全橋共 1 聯；右線 28+2×35+28 米鋼—混組合梁（剛板梁），全橋共 1 聯。圖紙設計單位為陜西省交通規劃設計研究院創新設計研發中心，其中鋼—混凝土組合橋梁為陜西省重大關鍵技術攻關項目，現澆伸縮縫及剪力槽采用 C55 高性能自密實補償收縮混凝土。

2 設計指標要求

高性能自密實補償收縮混凝土性能指標見表1。

表1 高性能自密實補償收縮混凝土性能指標

3 技術路線

3.1 骨料全級配研究

級配選擇優化，提出級配模型。在機制砂正迅速成為主力砂源的新時期，研究全骨料級配體系，充分利用石粉，開發機制砂自密實補償收縮混凝土技術。目的是達到骨料級配良好、摩擦阻力小、高密實，有效降低漿骨比，與此同時合理利用石粉以控制和降低水泥、粉煤灰、礦渣等膠凝材料用量。

3.2 多元膠凝體系組成研究

多元膠凝組分+二元膨脹組分+減縮組分+內養護組分。目的達到多元膠凝體系需水量低、合理匹配石膏、控制高活性組分。采用二元膨脹組分的雙膨脹源技術，即鈣系和鎂系二元膨脹體系。采用不同的減縮體系，分別研究膨脹體系、減縮體系、膨脹體系+減縮體系。材料的選擇很重要，通過對膨脹時機的把握、減縮劑限制內部干燥收縮、內養護劑對水的遷移，對比不同的材料性能。檢測膨脹劑的膨脹率、減縮劑的減縮率、內養護劑勢差的擴散（溫度差、濃度差、壓力差等），研究選定膨脹劑的種類，或采用多膨脹源的設計思路，確定膨脹組分的最佳摻量，確保膨脹體系具備良好的膨脹規律，能產生較大的初期膨脹且后期膨脹穩定；研究減縮劑限制內部干燥收縮的減縮率、研究內養護劑勢差產生的水遷移在水泥水化程度、自收縮與強度之間的平衡點，確定減縮劑、內養護劑的最佳摻量，確保有效抑制補償混凝土的自收縮和干燥收縮。

3.3 自密實補償收縮混凝土配合比研究

膠凝材料用量限制、用水量限制、機制砂中石粉等參數的確定、各組成成分的確定。研究自密實補償收縮混凝土中各組分材料組成、性能與結構的關系，利用最緊密堆積原理、流變學，系統研究砂率、集料級配、石粉含量、用水量、礦物摻合料量、水泥漿量等因素對混凝土性能的影響，配制出優良耐久的自密實補償收縮混凝土。

3.4 自密實補償收縮混凝土性能研究

在上述理論基礎上，進一步研究自密實補償收縮混凝土的工作性能、物理力學性能，及抗凍、抗滲、抗氯離子滲透、抗硫酸鹽侵蝕、抗裂性等耐久性能。

4 關鍵技術

4.1 多元膠凝體系的優化與變形規律的研究

自由狀態和限制條件下的變形，確定約束條件下混凝土補償收縮的控制范圍，解決混凝土的變形與鋼—混凝土組合橋梁混凝土徐變的匹配與協同。膠凝材料顯著影響摻有自密實補償收縮混凝土的收縮特性，影響程度與各組分的組合匹配有關，研究的主要方向是減縮，確定 C50 以上自密實補償收縮混凝土專用多元膠凝材料是本課題的關鍵技術。

4.2 混凝土流變學的研究

解決低水膠比下高膠凝材料用量與坍落度經時損失大的矛盾、新拌混凝土大流動性與抗離析性的矛盾，調整配合比各相關參數，達到材料性能最優的效果。坍損控制和塑性粘度合理范圍的確定是關鍵點和技術難點，以獲得自密實補償收縮混凝土拌合物的坍落擴展度、J 環擴展度、T500、離析率及 1h 經時損失等參數的控制效果。

4.3 自密實補償收縮混凝土配合比設計和性能關鍵參數確定

建立自密實補償收縮混凝土配合比設計模型，自密實補償收縮混凝土材料組成、結構、性能關系的理論模型，充實和發展混凝土科學理論領域。

5 原材料

原材料選擇見表2。

6 混凝土原材料技術指標

（1）碎石：連續級配碎石（4.75～9.5mm : 9.5～ 19mm = 3:7），其技術指標試驗結果見表3。

表3 碎石質量技術指標

（2）砂：采用機制砂，其技術指標經測試，結果見表4。

表4 機制砂的質量技術指標

（3）水泥：采用 P·O52.5 普通硅酸鹽水泥。其技術指標經測試，結果見表5。

表5 水泥的質量技術指標

（4）粉煤灰：采用 F 類粉煤灰（Ⅱ級）。其技術指標經測試，結果見表6。

表6 粉煤灰質量技術標準

（5）高爐礦渣粉：采用 S95 級。其技術指標經試驗，結果見表7。

表7 礦渣粉質量技術標準

（6）膨脹劑：其技術指標經測試，結果見表8。

表8 膨脹劑質量技術標準

表9 聚羧酸減水劑質量技術標準

（8）水：其技術指標經試驗，結果見表10。

表10 水質量技術標準

7 配合比設計過程

7.1 初步配合比設計（以 A 組中的 A-1 為例）

（1）填充性指標為 SF1，計算粗骨料用量（取 Vg為 0.33）：

（2）計算砂漿體積：Vm=1 - Vg= 1-0.33 = 0.67(m3)

（3）計算砂的體積（取砂的體積含量為 0.44）：

（4）計算砂子的用量：

（5）計算漿體體積：

（6）設定膠凝材料中粉煤灰質量分數 β1為 0.20（粉煤灰密度取 2200kg/m3），礦渣粉的質量分數 β2為 0.10（礦渣粉密度取 2820kg/m3），計算膠凝材料的表觀密度：

恒山景區對外營銷和宣傳力度較弱，宣傳渠道少，沒有做到精準營銷。目前恒山景區并沒有根據各目標區域市場的差異開展精準營銷策略，營銷投資力度也較低。另外缺乏精心策劃文化活動和設計營銷方案來進行景區文化的展示。景區間合作較少。恒山周圍有著大量的風景名勝和古遺跡遺址，有湯頭溫泉、神溪濕地、應縣木塔等。一方面通過景區之間的互通交流，強化景區合作，開通景區間旅游直通車服務，使景區間相連成線，實現資源互補共享。另一方面通過景區之間的聯合營銷進行旅游推薦活動，共謀發展。

（7）由混凝土設計強度等級，混凝土試配強度：

σ 根據混凝土強度等級 σ 取 6.0。

（8）確定水膠比 Mw/Mb：

符合規范中混凝土最大水膠比的要求。

（9）計算每立方米自密實混凝土中膠凝材料的質量：

Va為每立方混凝土中引入空氣體積，這里取 15L。

（10）單位用水量：

（11）計算水泥用量 Mc、粉煤灰用量 Mf、礦渣粉用量 Mk和膨脹劑用量 MP：

（12）計算外加劑的用量：

由此可計算出配合比組成材料用量，列入表11。

表11 混凝土計算配合比 kg/m3

7.2 確定基準配合比

經試拌調整校核拌和物工作性滿足設計要求，故確定基準配合比為：水泥 : 粉煤灰 : 礦渣粉 : 砂 : 碎石 : 水: 減水劑 = 375:107:54:791:953:172:7.504，檢驗強度，確定試驗室配合比，見表12。

表12 混凝土試驗室配合比

8 配合比選擇方案

（1）A 組為不同的粉煤灰摻量+不同的高爐礦渣粉摻量，根據工作性能（坍落度、坍落擴展度、J 環擴展度、T500、離析率及 2h 經時損失）與強度，選擇 A 組配合比為基準配合比（粉煤灰、礦渣粉摻量分別為 15%、10%）。

（2）B 組以選定的 A 組配合比為基準，不同的膨脹劑摻量，根據工作性能（坍落度、坍落擴展度、J 環擴展度、T500、離析率及 2h 經時損失）與強度，并制作限制膨脹大骨架試件檢測限制膨脹率（水中 7d、空氣中 28d），優選出符合要求的 B 組配合比。

（3）C 組以選定的 A 組配合比為基準，不同的減縮劑摻量，根據工作性能（坍落擴展度、J 環擴展度、T500、離析率及 2h 經時損失）與強度，并制作限制膨脹大骨架試件檢測限制膨脹率（水中 7d、空氣中 28d），優選出符合要求的 C 組配合比。

（4）D 組以選定的 A 組配合比為基準，不同的膨脹劑摻量＋不同的減縮劑摻量，根據工作性能（坍落擴展度、J 環擴展度、T500、離析率及 1h 經時損失）與強度，并制作限制膨脹大骨架試件檢測限制膨脹率（水中 7d、空氣中 28d），優選出符合要求的 D 組配合比。

（5）分別檢測優選出的 B 組、C 組、D 組配合比混凝土各項工作性能及成本價格，選擇性價比最高者作為設計配合比。

9 配合比試驗結果匯總

各組混凝土選定配合比見表13。工作性能及強度檢測結果見表14。

表13 C55 自密實補償收縮混凝土配合比 kg/m3

表14 工作性能及強度檢測結果

10 施工工藝及質量控制

10.1 施工準備工作

（1）濕接縫澆筑前，應對安裝過程中變形的連接鋼筋予以校正和調直，對損傷的連接件予以修補。

（2）濕接縫鋼筋焊接時應對橫向束波紋管進行覆蓋，避免對波紋管造成破壞。

（3）連接鋼筋應焊接，并應通過墊塊保證連接鋼筋的保護層厚度。

10.2 施工過程質量控制

（1）采用一次性購置同批次的砂石等地材拌制混凝土，減小自密實補償收縮混凝土對原材料敏感度。

（2）采用坍落度擴展度、倒坍落度筒等試驗原理進行試驗，改進自密實補償收縮混凝土工作性能評價方法，保障準確的施工配合比。

（3）在運輸過程中，運輸車內不得殘留其他品種的混凝土，運輸車每天使用完后應清洗干凈。

（4）混凝土澆筑前注意應將相鄰板側面用水潤濕，以保證新舊混凝土結合。

（5）混凝土澆筑時，通過運輸罐車快速攪拌的二次攪拌功能提高自密實補償收縮混凝土工作性能，減少自密實混凝土氣泡和發泡層的出現。

（6）混凝土采用吊車配合料斗進行澆筑，澆筑按照跨為單位。濕接縫澆筑順序嚴格按照設計圖紙要求進行，標準跨橋面板濕接縫澆筑分三批次完成。

（7）混凝土澆筑時，按照規范要求分別留取標準養護和同條件養護抗壓強度試塊及限制膨脹率試件。

（8）采用土工布帶蓄水養護的方式，加強保濕養護控制，避免干縮離縫、混凝土表面強度不足等質量缺陷。

（9）濕接縫混凝土應保濕養護不小于 7d，濕接縫混凝土強度達到 85% 設計強度前，不得在其上進行施工作業。

11 結語

（1）采用膨脹組分＋減縮組分＋內養護組分的復配技術，有效補償收縮，預防混凝土裂縫的產生，且具有良好的力學性能和耐久性能。

（2）無縫施工技術使鋼板和混凝土緊密結合協同工作，提高結構整體防水性能，使防水有限年限與結構壽命相同。

（3）施工過程中加強業務人員之間的信息傳遞，嚴格控制各道工序銜接緊湊，保證混凝土施工的連續性，從而控制自密實補償收縮混凝土的施工質量。