平南三橋C70自密實無收縮鋼管混凝土配合比設計及性能研究

周紹基

文章結合平南三橋工程實例，采用全計算法及體積法研究制備了一種C70自密實無收縮管內混凝土，通過優選原材料、優化配合比等方法，研究了其工作性能、泵送性能及體積穩定性能設計要求，對超大跨徑鋼管混凝土橋梁的的建設具有指導意義。

鋼管混凝土拱橋;自密實;無收縮;配合比設計;性能研究

U445.57A260915

0 引言

平南三橋是廣西荔浦至玉林高速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+60+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。該橋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。本文結合全計算法及體積法研究制備了一種C70自密實無收縮管內混凝土，通過優選原材料、優化配合比等方法并采用高穩健性化學外加劑和多元復合膨脹補償收縮技術，滿足了工作性能、泵送性能及體積穩定性能設計要求，并在平南三橋成功應用。

1 鋼管自密實無收縮混凝土的性能要求及控制指標

鋼管自密實無收縮混凝土采用特殊的施工工藝，不僅要求混凝土具備普通高強自密實混凝土的高流動性和填充性能等基本性能，還要求混凝土具有低泡、大流動性、收縮補償、延后初凝、不離析、不泌水及粘聚性好等性能。

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內坍落擴展度為650±50 mm，擴展時間T500為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，設計強度等級為C70。依據設計要求，28 d強度≥70 MPa，90 d配制強度按下式確定：fcu，0≥1.15 fcu，k=1.15×70=80.5 MPa，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 原材料優選

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性能。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。通過對比優選當地華潤水泥和魚峰水泥，這兩種水泥的主要力學性能技術指標測試如圖1所示，綜合各方面因素考慮，優選廣西柳州魚峰水泥有限公司生產的P.052.5水泥。

2.2 粗集料

粗集料的機械強度、顆粒形狀、表面特性、級配、雜質含量、吸水率等對C70混凝土的性能有重要影響。粗骨料是高性能混凝土的重要組成材料，高質量的材料方可配制高性能的特種混凝土。因此，選擇質地堅硬、潔凈、粒形好、級配好的碎石，可以最大限度地減少用水量和漿體體積，提高混凝土的強度和耐久性。

根據原材料對比優選可知，輝綠巖碎石粒型圓潤，與閃長巖比表面相對光滑，表觀密度為2 959 kg/m3，壓碎值小，原材料質量穩定;閃長巖的表觀密度為2 815 kg/m3，碎石粒型圓潤，表面較為粗糙，原材料不穩定;石灰巖粒型棱角分明，壓碎值高，達到14.1%，表觀密度為2 713 kg/m3，石粉含量高且質量不穩定，該碎石不滿足C70混凝土要求。對比優選后，最終確定輝綠巖作為粗骨料。

2.3 細集料

所用細集料為鐘山石灰巖機制砂：中砂，顆粒潔凈，質地堅硬。

采用機制砂制備混凝土，由于機制砂中>0.3 mm的顆粒含量>85%，細度模數偏大，加之機制砂棱角多，表面粗糙，應用于混凝土配制時易出現坍落度損失大、拌和物泌水及混凝土泵送壓力大等問題，不利于現場施工。只有嚴格控制0.3 mm以下細顆粒和石粉含量，才能確保配制出的高性能混凝土拌和物性能既滿足施工要求，又滿足強度和耐久性要求。試驗表明，機制砂為Ⅱ區砂級配，細度模數2.6～2.9，0.3 mm以下細顆粒為22%～26%，石粉含量為4.8%～7%時所配制的C70高性能混凝土工作性能最佳。

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。

混凝土使用Ⅰ級粉煤灰由廣西欽州藍島提供，其工程抽樣檢驗符合《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。

2.6 微珠

微珠屬于粉煤灰活性微珠，這些球狀玻璃體表面光滑、粒度細，質地致密，內比表面積小，在相同用水量的情況下，可增大流動性，改善和易性和可泵性。它們在混凝土中，能起到滾珠作用，降低混凝土的黏度，提高混凝土的流動性。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。在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。微珠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 外加劑

C70混凝土采用蘇博特PCA-I高穩健性減水劑。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。通過對比試驗，選用蘇博特PCA-I高穩健性減水劑，在擬合成的聚合物中引入較大比例對水具有良好親合性的長聚醚側鏈，長期提供強烈的位阻作用，延緩水泥顆粒的物理凝聚，從而提供其良好的分散性能。通過引入酯型長側鏈，橋接基團為-COO-，能夠提供一定的空間位阻，降低羧基比例，調節聚合物在水溶液中構象，可有效降低吸附驅動力，實現逐步吸附，顯著降低外加劑摻量敏感性，提高混凝土拌和物穩健性。

2.8 膨脹劑

根據不同膨脹組分的膨脹特性，利用CaO類膨脹劑可補償混凝土的自收縮等早期收縮變形，再利用不同水化活性值MgO膨脹材料的延遲膨脹特性，補償溫降收縮和后期干燥收縮，從而實現分階段、全過程補償此類結構混凝土的收縮變形，為無收縮混凝土制備提供了一種有效的技術手段。本工程選用蘇博特HME-Ⅱ氧化鎂復合膨脹劑。

3 自密實混凝土配合比計算原理

本項目C70自密實、無收縮混凝土理論配合比設計主要采用P.K.Mehta和P.C.Aitcin兩位教授所提出的全計算法設計理論和體積法理論并輔以平行比較試驗驗證優化。

3.1 全計算法設計原理

要使高性能混凝土同時達到最佳的施工和易性能和強度性能，其膠材漿體與骨料應有一個最佳體積比，結合本工程的施工特點，建議膠凝材料漿體積∶骨料體積=35∶65，即漿體體積取350 L，再在普遍適用的混凝土體積模型的基礎上，推導求得混凝土用水量VW和砂率SP的計算公式。

3.2 體積法設計原理

mc0ρc+mf0ρf+mg0ρg+ms0ρs+mw0ρw+0.01α=1（1）

式中：ρc——水泥表觀密度（kg/m3），根據現行規范檢測，取值為3 080 kg/m3;

ρf——礦物摻合料表觀密度（kg/m3），根據現行規范檢測，粉煤灰為2 610 kg/m3、微珠為2 610 kg/m3、硅灰為2 705 kg/m3、膨脹劑為2 760 kg/m3;

ρs——細骨料表觀密度（kg/m3），根據現行規范檢測，取值為2 789 kg/m3;

ρg——粗骨料表觀密度（kg/m3），根據現行規范檢測，取值為2 959 kg/m3;

ρw——水表觀密度（kg/m3），取值為1 000 kg/m3;

α——混凝土含氣量百分數，取值為2.0。

4 初始配合比計算

4.1 水膠比

根據水膠比定則，水膠比越小，混凝土抗壓強度和體積穩定性相應提高。但為保證混凝土具有較好的泵送性能，水膠比應適當，不宜過小。因此，結合現行標準、行業規范及實際工程經驗，對于強度等級為C70時，建議水膠比mw/mb范圍為0.26～0.30，本文mw/mb取值為0.27。

4.2 用水量

根據碎石最大粒徑及混凝土自密實性能要求，選取混凝土用水量mwo=250 kg，摻入高性能聚羧酸減水劑后，經試拌，減水率β為36%，用水量mwo=mwo′×（1-β）=250×（1-0.36）=160 kg。

4.3 膠材用量

mbo=mw/mb=160/0.27=593（kg/m3）

根據混凝土試驗，外加劑摻量取2.2%，593×2.2%=13.05 kg/m3。

粉煤灰用量mfo=mb0βf=593×15%=89（kg/m3）

膨脹劑用量muo=mb0βu=593×10%=59（kg/m3）

硅灰用量meo=mb0βe=593×4%=24（kg/m3）

微珠用量mwo=mb0βw=593×5%=30（kg/m3）

水泥用量mc0=mf0-mU0-me0-mwo=593-89-59-24-30=391（kg/m3）

4.4 砂率

依據現有相關標準及行業規范，根據試驗確定機制砂砂率為42%。

4.5 粗細骨料用量

按照上述式中體積法計算粗細骨料用量：

mc0ρc+mf0ρf+mg0ρg+ms0ρs+mw0ρw+0.01α=1（1）

即：mco/ρc+mfo/ρf+muo/ρu+meo/ρe+mgo/ρg+mso/ρs+mwo/ρw+0.01a=1

代入已知各材料的質量和表觀密度計算得出每立方米混凝土的細骨料用量為738 kg/m3;每立方米混凝土的粗骨料用量為1 019 kg/m3。計算初始配合比如表1所示。

5 C70自密實混凝土的初步試驗

根據以上初步計算得出的配合比分別進行試拌，驗證其工作性能和力學性能的試驗，結果如表2、表3所示。

6 C70自密實混凝土配合比優化

經試拌檢測，C70混凝土含氣量、擴展度、強度均滿足設計和施工要求。但混凝土的工作性能均存在混凝土黏度大、流速慢等不足。鑒于平南三橋跨度大，單根管的設計混凝土方量大，灌注時間長等特點，管內混凝土泵送對混凝土的工作性能要求更高，因此必須對管內混凝土的工作性能進行優化。

通過大量試驗，對配合比進行了多次優化驗證，確定混凝土施工配合比，并進行工作性能和力學、收縮性能驗證。其試驗結果如表4所示。

6.1 混凝土的工作性能及力學性能（表5～6）

6.2 變形性能

根據設計要求，C70管內混凝土摻入了復合膨脹劑，補償混凝土硬化階段自收縮。經試驗，普通混凝土28 d后收縮曲線逐漸平緩，截止到60 d時，混凝土自收縮為248 με;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，如表7所示。如圖2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。

7 施工關鍵措施及應用效果

為了驗證混凝土各項性能指標，模擬現場的施工工藝進行試泵試驗。按優化后的配合比：水泥∶粉煤灰∶微珠∶硅灰∶膨脹劑∶砂∶石∶水∶外加劑=387∶90∶30∶24∶59∶736∶1017∶157∶12.96進行生產。根據試驗分析和以往的施工經驗，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1.5 r/min速度滾動40 min，盡可能讓氣泡排出，減少混凝土中氣泡的帶來的危害（見表8）。根據《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》（CECS21-2000）采用超聲法檢測管內混凝土勻質性，評價混凝土填充效果（粘結狀況），定性判別內部裂縫、空洞等缺陷。其檢測結果如圖3所示。

8 結語

（1）本文通過采用原材料優選，并結合全計算法及體積法配合比優化方式，采用高穩健性減水劑調控技術及多元復合膨脹補償收縮技術，優化后的配合比為：水泥∶粉煤灰∶微珠∶硅灰∶膨脹劑∶砂∶石∶水∶外加劑=387∶90∶30∶24∶59∶736∶1017∶157∶12.96。

（2）本文研究制備了一種超大跨拱橋管內高穩健性自密實、無收縮混凝土，2 h內坍落擴展度為650±50 mm，56 d補償收縮后仍有90 με膨形變形，滿足設計與施工要求。

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