C55微膨脹自密實混凝土在鋼殼混凝土索塔中的應用

胡杰 楊智勇 楊賽

摘要：為實現現場工程鋼殼混凝土索塔所需的保坍性好、流動性大、微膨脹、自密實、無離析和泌水現象的高性能混凝土的配制和澆筑，保證索塔內外壁鋼板、加勁肋、角鋼、拉筋中混凝土的澆筑質量，結合實際工程，對索塔施工所需的C55微膨脹自密實混凝土的原材料、混凝土抗壓強度、限制膨脹率、拌和物和易性及其在索塔中的應用進行了研究，以供參考。

關鍵詞：微膨脹混凝土；自密實混凝土；鋼殼混凝土；索塔

C55微膨脹自密實混凝土，是在中等強度的普通混凝土的基礎上通過摻入各種摻和料及外加劑配置的。在普通混凝土中摻入合適的膨脹劑，使混凝土硬化時產生一定的微膨脹，使結構混凝土內部更加致密。高性能混凝土中有一種自密實混凝土，它的主要特點是流動性大、擴展度大、泵送性和保水性良好、無離析和泌水現象。澆筑時，依靠混凝土自身的重量流動，可自行充滿鋼殼的鋼板壁，充分包裹在剪力釘、鋼筋、角鋼中。微膨脹混凝土和自密實混凝土混在一起，就變成了微膨脹自密實混凝土，它既要求混凝土拌和物的工作性能高，坍落度及擴展度大，且具備自密實的特點，又要求混凝土硬化后不會變形收縮，在鋼殼內對鋼板不會產生過大的內應力。

對鋼殼自密實混凝土索塔來說，索塔施工的前期準備，是試配出適用于鋼殼內微膨脹自密實混凝土的配合比。本文利用合適的高效減水劑、摻和料、鈣鎂復合膨脹劑及當地優質的原材料配制出的C55微膨脹自密實混凝土，被成功應用于河南黃河高速公路黃河特大橋主橋的索塔工程中，經現場施工及檢測，C55微膨脹自密實混凝土的工作性能滿足現場施工要求，硬化后的混凝土抗壓強度滿足設計要求，密實度效果良好。

一、應用場景

黃河特大橋是安羅高速公路蘭原至鄭州段的控制性工程之一，主橋為雙塔雙索面組合梁斜拉橋，橋跨布置為（100+135）+520+（135+100）m，鋼主梁采用雙邊箱梁斷面，索塔采用鋼殼混凝土樽型塔，分離式承臺，群樁基礎。

黃河特大橋主橋索塔包括上塔柱、中塔柱、下塔柱、上橫梁、中橫梁和下橫梁，總高 182m。其中，上塔柱（含塔冠）高57.8m，中塔柱高95.3m，下塔柱高28.9m，索塔在橋面以上的高度約為142m，高跨比為0.273。

索塔是由鋼殼+自密實混凝土組合而成的，塔柱采用空心圓端形單箱單室斷面，塔柱橫、縱橋向外輪廓尺寸均為10m，上塔柱壁厚均為0.8m，中間設鋼錨梁；中塔柱壁厚0.8～1.1m，下塔柱壁厚1.1～1.4m。塔冠內側底部設排水孔。在橫梁頂底板和進塔入孔的塔內相應位置均設置了鋼橫隔板，其上澆筑0.3m厚的混凝土，形成組合結構板。

單側塔柱共有36個節段。其中，下塔柱T1節段為起步段，高2.5m；其他節段根據起吊重量、壁厚變化及與橫梁的關系，高度分別為4m、4.4m、4.5m、4.679m、4.721m、5m、5.2m、5.4m、5.6m、6m等。

索塔內外壁鋼板與混凝土之間，通過加勁肋開孔，形成PBL剪力鍵及剪力釘，實現了鋼殼與混凝土的結合，使鋼板與混凝土協同受力。豎向加勁肋上設置Ф50mm的鋼筋孔，水平加勁肋上設置Ф60mm和Ф50mm的預留孔，部分孔內設置拉筋。拉筋采用HRB400級鋼筋，直徑16mm，塔壁上設置剪力釘，剪力釘釘規格中22×150mm。

索塔節段的鋼結構由水平加勁肋、水平角鋼、豎向角鋼、豎向加勁肋、內鋼壁板、外鋼壁板、焊釘組成。外側鋼壁板厚度有36mm、30mm、20mm、16mm四種，內側鋼壁板標準厚度為8mm，起步段厚度為12mm，鋼牛腿附著壁板板厚20mm；豎向加勁肋尺寸分為120×10mm和150×10mm 兩種，標準間距為500mm；水平加勁肋尺寸分為120×12mm、120×20mm、100×12mm、100×20mm四種，標準間距為500mm。水平加勁肋部分采用角鋼連接；利用水平角鋼把內鋼板與外鋼板焊接在一起，成為固定的整體結構。角鋼在豎向及水平方向形成桁片，索塔內灌混凝土均采用C55微膨脹自密實混凝土。

二、配合比設計

（一）混凝土的要求

按照配合比設計規范、自密實混凝土應用技術規程規范及工程設計圖紙要求，確定黃河特大橋鋼殼C55微膨脹自密實混凝土的具體要求如下：

強度：鋼殼混凝土設計強度等級C55，配制強度為64.9MPa。

工作性：擴展度為550～650mm，不得出現離析、泌水現象，泵送性能良好。

密實性：自密實、微膨脹、無收縮，索塔內填充密實，無明顯的脫空現象，混凝土的限制膨脹率水中14d≥0.025%，轉空氣中28d≥-0.010%。

（二）原材料

1.水泥：河南新鄉平原同力水泥有限責任公司生產的P·O52.5級，其檢測指標結果見表1。

2.粗集料：河南衛輝市融創實業有限公司生產的碎石，由5～10mm碎石、10～20mm碎石組成，其物理性能指標見表2。

3.細集料：河南南陽市臥龍區淯鑫砂石有限責任公司生產的天然砂，其物理性能指標見表3。

4.減水劑：江蘇蘇博特股份有限公司生產的型號為PCA-10的聚羧酸高效減水劑（緩凝型），其物理性能指標見表4。

5.鈣鎂復合膨脹劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的氧化鎂復合膨脹劑HME-Ⅱ，其物理性能指標見表5。

6.粉煤灰：河南省鶴壁同力建材有限公司生產的F類Ⅰ等級粉煤灰，其物理性能指標見表6。

（三）試配試驗

依據《自密實混凝土應用技術規程》（JGJ/T283-2012）規范和鈣鎂復合膨脹劑廠家推薦的膨脹劑摻量為8%。根據混凝土配合比設計規范要求，配置了三種不同水膠比的C55自密實微膨脹混凝土配合比，詳見表7。

（四）混凝土的評價

1.拌和物的工作性

不同水膠比的混凝土配合比坍落度及擴展度檢測結果見表8。從表中可以得出，水膠比為0.28和0.30的混凝土配合比坍落度及擴展度都滿足施工要求。

2.混凝土的抗壓強度

將不同水膠比混凝土配合比7d和28d的混凝土試件依據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG3420-2020）進行了抗壓強度試驗，其結果見表9。

通過檢測結果可以看出，水膠比為0.28和0.30的混凝土配合比7d與28d抗壓強度均能滿足配制強度要求。

3.混凝土的限制膨脹率

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG3420-2020）規范中的T0576-2020方法進行了限制膨脹率試驗。混凝土的限制膨脹率試驗結果見表10。從檢測結果可以看出，膨脹劑摻量為8%的混凝土配合比限制膨脹率（水中14d）和（水中14d交氣中28d）均能滿足規范及設計要求。

（五）配合比的選定

在試驗鋼殼自密實混凝土的試澆筑施工前，采用現場拌和站的原材料根據C55自密實混凝土配合比進行攪拌，并對混凝土的工作性能、坍落度及擴展度、抗壓強度、限制膨脹率等指標進行檢測。檢測結果中，坍落度及擴展度滿足現場施工要求，強度和膨脹率滿足設計要求。最后，選用水膠比為0.30，水泥：粉煤灰：鈣鎂復合膨脹劑：細集料：粗集料：水：外加劑=404：79：42：772：956：158：6.30，作為理論基準配合比。

三、工程應用結果

（一）施工準備的前期工作

為了確保鋼殼混凝土順利澆筑，中心試驗室嚴格把關混凝土所需的水泥、細集料、粗集料、粉煤灰、復合鈣鎂膨脹劑、外加劑等原材料，使其均符合規范要求，并按照批復的C55自密實混凝土配合比在拌和樓試拌，驗證C55自密實配合比在試驗鋼殼中施工滿足規范要求。

（二）工藝方法

鋼殼C55自密實混凝土采用泵送從上向下灌注的方式，在鋼殼內利用自密實混凝土的重力，以及坍落度及擴展度大、不泌水的特點，自流成型密實，形成一種致密的混凝土結構，混凝土強度達到10MPa后，可以進行本節鋼殼混凝土頂面鑿毛處理，處理完成經監理工程師驗收合格后，可進入下一循環鋼殼的安裝。

（三）實體質量

混凝土的強度取樣，應在施工現場，標準養生28d齡期后依據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG3420-2020）規范對混凝土試件進行極限抗壓強度試驗，混凝土與鋼殼之間的脫粘或空洞，可采用錘擊法或超聲波法檢測。

（四）實體的應用情況

南主橋左幅索塔澆筑2節段，混凝土的擴展度均在630mm以上，混凝土的工作性能良好，無離析和泌水現象，泵送性能良好，未出現堵管現象，滿足現場施工要求，為后續節段鋼殼混凝土施工提供了寶貴經驗。混凝土的28d強度滿足設計要求，現場同條件試件，1d就能達到設計強度的60%，滿足鑿毛要求；7d達到設計強度，保證工程施工進度。采用超聲波法對鋼殼混凝土進行脫空率檢測，未發現明顯的脫空現象，鋼索塔中混凝土結構的整體質量滿足設計要求。

四、結束語

通過選用優質的水泥和集料，同時加入與水泥、粉煤灰相容性合適的減水劑，配制出高性能的自密實混凝土。為了使自密實混凝土具有良好的微膨脹效果，又不會在鋼殼內產生過大的內應力，鈣鎂復合膨脹劑的摻量宜控制在8%左右。利用合適的高效減水劑、鈣鎂復合膨脹劑及當地優質的原材料，配制出的C55微膨脹自密實混凝土，具有流動性大、無離析和泌水現象的特點，并能滿足現場施工要求。同時，該C55自密實混凝土的抗壓強度、限制膨脹率及混凝土脫空率均滿足設計要求，符合鋼殼混凝土索塔施工的技術要求。

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