自密实微膨胀钢管混凝土的配制应用及其超声检测.pdf

2 0 1 1年 第 6 期 (总 第 2 6 0 期 ) Nu mb e r 6 in 2 0l 1 ( To t a l No 2 6 0) 混 凝 土 Co n c r e t e 预拌混凝土 RE ADY M I XE D CoNCRE丁E d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 6 0 3 3 自密实微膨胀钢管混凝土的配制应用及其超声检测 曹现 强 。郭洁 4 - ( 1 日照市建设 1 二 程质量监督站 ，山东日照 2 7 6 8 2 6 ；2 j 照健科 口翌伶测有限公 司，山东日照 2 7 6 8 2 6 ) 摘要 ： 通过丁程实例 介绍了 自密文微膨胀钢管混凝土的配制方法 、 步骤及过程 ， 所 没计 的混凝上配 合比满足 程施T要求 的各项性 能指标。存 r程的应用巾， 通过超声波检测实体质量 结果表明钢管内混凝土 内部严密充宜 、 混凝土 与钢管管壁胶结 良好 关键词 ： 钢管混凝土；配制 ；绝对体积法 ；超声波硷测 ；首次声时法 中图分类号： T U5 2 8 5 3 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 6 0 1 0 5 0 3 Se l f c ompa c t i ng c on cr e t e f i l l ed s t ee l t u be c ompound mi c r o e xp an si on and it s a ppl i c a t i o n of ult r a s oni c de t e c t i on CAO Xi a n q i a n g GUO J i e ( 1 R i z h a o C o n s t r u c t i o n Qu a l i t y S u p e r v i s i o n S t a t i o n ， Ri z h a o 2 7 6 8 2 6 ， C h i n a ； 2 R i z h a o J i a n k e E n g i n e e r i n g T e s t in g Co， L t d ， R i z h a o 2 7 6 8 2 6 ， Ch i n a ) Abs t r ac t ： Th r o ug h e n g i n e e r i n g e x a mp l e s ， i n tr o d u c e s t h e s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b e m i c r o e x p a n s i o n o f p r e p a r a t i o n me t h o d s ， p r o c e d u r e s a n d p r o c e s s e s ， t h e d e s i g n o f c o nc r e t e p r o p o r t i o n me e t t h e e ng i n e e rin g c o n s t r u c t i o n r e lu i r e me n t s o f v a r i o u s p e r f o r ma n c e ind i c a t o r s I n e n g i n e e r i n g a p pl i c a t i o n t h r o u g h t h e ult r a s o n i c i n s pe c t i o n e n t i ty q u a l i t y， t h e r e s u l t s s h o we d t h a t t h e i n s ide s t e e l c on c r e t e i n t e m a l t i g h t p l a s t i c l i n in g wi t h e n r i c h e d， c o n c r e t e p i p e c e me n t a t i o n i s g o o d Ke y w or ds ： c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e； p r e p a r a t i o n； a b s o l u t e v o l u me m e t h o d； u l t r a s o n i c d e t e c t i o n； fir s t s o u n d wh e n me tho d f 】 引言 钢管混凝土是 由混凝 土填 人薄壁圆形钢管而 形成的组合 结构材料。 其基本原理是借助圆形钢管对核心混凝土的套箍约 束作用 ， 使核心混凝土处 于三向受压状态 ， 从而使核心混凝 土 具有更高的抗 压强度和压缩 变形 能力。 钢管混凝土除具有强度 高 、 质量轻 、 延性好 、 耐疲 劳 、 耐冲击等优越 的力学性能外 ， 还具 有省工省料 、 架设轻便 、 施1 快速等优越 的施工性能。 基 于钢 管 混凝土的工作机理 ， 将其作 为结构材料应用于大跨度拱桥 的建 造 ， 可以较好地解决桥梁结构所要求的用料省 、 安装质量轻 、 施 T简便以及承载能力大等诸多要求。 同时 ， 钢管混凝土将钢材 和 混凝土有机地结合在一起， 能大大地提高拱桥的跨越能力， 并使 材料性能得到充分利用 。 日照一仪征原油管道及 配套工程引桥T程 ， 位 于山东省 日 照市岚山港 3 0万 t 油码头工程引堤堤头 。 该工程结构为引桥共 6跨 ， 单跨全长 1 2 5 m， 汁算跨径 1 2 0 m， 矢跨径 1 6 。 引桥采用下 承式钢管混凝土系杆拱桥， 内部为超静定体系， 外部整体简支， 属静定体系。 单片拱肋采用双肢桁式断面， 有弦管和腹杆焊接 组成， 每侧拱肋的上 、 下弦管采用 b 8 O O x 1 2的卷制钢管， 拱肋腹 杆采用 tb 2 9 9 x 8 mm 无缝钢管 ， 本次施工 为两侧 b S O O x 1 2拱 肋 上 、 下弦管混凝 土灌注。 拱肋混凝土采 用 C 5 0微膨胀混凝土 ， 拱 肋混凝土单跨 2 4 3 m ， 共计 1 4 5 8 m 混凝土 。 1 自密实微膨胀铜 管混凝土的配制 1 1 混凝土性 能技 术要 求 该配套引桥工程钢管混凝土设计为 C 5 0微膨胀混凝 ， 采 用泵送顶升压注施工方法 ， 进行两条上弦管浇筑的顺序， 由两 收稿 日期 ：2 0 l 0 1 2 - 2 0 拱脚到拱顶对称均衡地乐注， 因此钢管混凝土心具有大流动性 、 收缩补偿 、 缓凝和 强的 程性能。 收缩补偿是为保证钢管内 混凝 土与钢管密贴 ， 发挥钢管 混凝 土复合体的整体效应 ， 凶此 必须控制混凝土硬化收缩膨胀量 ， 混凝土 2 8 d限制膨胀率控制 在 O ， 0 1 0 0 3 。 混凝土强度等级达到 C 5 0 ； 3 d龄期抗乐强度 达到设计强度的 7 0 以上 ； 其他力学性能指标不低于 C 5 0普通 混凝 土。 钢管混凝土应具有 良好的和易性 、 可泵性及 自密实等 工作性能 ， 要求 出机坍落 度 2 2 0 mm， 施 一 坍 落度 1 8 0 m m。 根据施T条件及施丁季节， 为防止泵送过程叶 1 m现问题， 造成 泵送不及时 ， 要求混凝 土缓凝 ， 初凝时问1 0 h 1 2 原材料 选 用 ( 1 ) 水泥 ： 中联牌 P 04 2 5级水泥 ， 标准稠度为 2 8 8 ， 初凝为 2 0 7 mi n ， 终凝为 2 5 9 mi n ， 比表面积为 3 0 0 m k g ， 3 d抗折强度为 5 2 MP a ， 3 d 抗 乐强度为 2 2 5 MP a ， 2 8 d 抗折强度为 8 3 MP a ， 2 8 d 抗压强度 为 4 2 8 MP a ( 2 ) 粉煤灰 ： 日照电厂 l 级 粉煤 厌 ， 细 度为 5 6 ， 烧失量 为 3 9 ， 需水量 比为 9 2 ， 含水量为 O 2 ， = i 氧化硫为 1 3 ， 强度 活性指数为 7 4 ( 3 ) 细骨料： 采用河砂， 细度模数为2 8 ， 表观密度为2 6 0 0 k eg r n ， 含泥量为 1 8 6 ， 其他指标符合国家标准。 ( 4 ) 粗骨料 ： 采 片 j 5 2 0 mm 连续级配 的碎石 ， 表 观密度 为 2 6 3 0 k g m ， 岔泥量为 O 6 ， 压碎指标 为 9 7 ， 针片状颗料 含 量为 8 6 ， 其他指标符合 同家标准一 ( 5 ) 减水剂： F D N A高效缓凝减水剂， 减水率 l 6 ， 泌水 率 比为 7 9 ， 7 、 2 8 d 抗 压强 度比分别 为 1 3 0 、 1 2 5 ， 混凝土缓 凝时间 6 8 h 。 l 05 ( 6 ) 混凝土膨胀 剂 ： U E A型 膨胀剂 ， 推荐掺 量为水 泥重 的 6 1 0 。 1 3混凝 土配合 比设 计 根据对混凝土性能技术要求， 本工程采用 自密实微膨胀混 凝土作为钢管核心混凝土。 自密实混凝土的理论配合比计算采用 绝对体积法， 设计依据为该工程混凝土性能要求和原材料技术 指标 ， 参照 C E C S 2 0 3 ： 2 0 0 6 ( 白密实混凝 土应用技术规程 进行 计算， 然后依据试验， 对理论计算的配合比进行调整， 步骤如下： ( 1 ) 确定单位体积粗骨料用量： 根据粗骨料最大粒径及混 凝土 流动 性能要求 ， 选择混凝土 自密实性能等级 ， 确定单 位体 积粗骨料绝对体积， 再用该粗骨料密度换算单位体积质量。 ( 2 ) 确定单位体积用水量 、 水粉 比和粉体体积 ： 根据粉体种 类和性质及骨料品质 ， 确定单位体积用水量及水粉比， 并据此 计算得单位粉体体积 。 ( 3 ) 确定 含气量 ： 根据经验以及所使用外加剂性能 ， 设定 自 密实混凝土含气量 。 ( 4 ) 计算单位体积细骨料量： 单位体积细骨料量等于设定 的单位体积减去单位体积粉体量、 骨料中粉体含量、 单位体积 粗骨料量 、 单位体积用水量和含气量所得的差。 ( 5 ) 计算单位体积胶凝材料体积用量： 根据所用原材料情 况， 如未使用惰性掺合料 ， 单位体积胶凝材料体积用量等于单 位体积粉体量减去骨料中粉体体积量。 ( 6 ) 计算水灰 比与理论水泥用量： 按照 普通混凝土配合比 设计规程 进行水灰比的设计计算 ， 确定水灰比， 并根据已知用 水量 ， 计算水泥用量 。 ( 7 ) 计算单位体积掺合料量和实际水泥用量 ： 通过计算 比 较单位体积水泥体积用量是否能满足自密实性能计算出的胶 凝材料体积的要求， 不满足可采用粉煤灰超量取代的方法补足， 综合考虑混凝土的强度要求和粉煤灰性能， 确定超量取代系数 ， 设定取代水泥比率 ， 根据材料密度及取代量计算式得出取代水 泥用量和粉煤灰用量。 ( 8 ) 计算水胶比 ： 水胶 比为用水量除粉煤灰加水泥用量 。 ( 9 ) 确定减水 剂用量 ： 通过试验确定 。 ( 1 0 ) 确定膨胀剂用量： 为保证混凝土与钢管共同受力， 采 用膨胀混凝土以进一步提高与钢管壁的黏结性能。 在弹性工作 阶段 ， 钢材的泊松比在O 2 5 - , 0 3 0之间， 而混凝土的泊松比随着 应力的增加从 0 1 6 7 - - 0 5 0变化 ， 受荷初期 ， 混 凝土 的泊 松 比小 于钢管， 即钢管的横向变形率大于混凝土， 钢管壁和混凝土之 间产生拉应力 ， 而且混凝土的限制膨胀率在 2 8 d后会继续降低 ， 因此应选 择 2 8 d龄期 限制膨胀率较 大的配合 比， 在表 1 中 ， 编 号2的膨胀剂掺量较为理想， 膨胀剂最佳掺量选择 l 1 。 表 1 膨胀剂掺量对混凝土限制膨胀率的影响 注 ： 该试验配合比除膨 胀剂掺量按上表外 ， 其他 材料 用量参数 为上 述所确定 。 ( 1 1 ) 配合比调整： 通过试验， 对理论配合比进一步进行了 调整， 最后得到 C 5 0自密实微膨胀钢管混凝土的配合比水泥为 4 2 5 k g m ； 粉煤灰为 4 6 k g m3 ； 膨胀剂为 5 4 k g m ； 水为 1 8 5 k g m ； 砂为 7 0 6 k g m ； 石为 9 3 7 ； 外加剂为 1 2 7 k g m ； 水胶 比为 0 3 7 。 ( 1 2 ) 所设计 的 自密 实钢管混凝土基本性能 ： 在 保证设计要 求及施工质量要求的情况下， 依据 GB T 5 0 0 8 0 ( 普通混凝土拌 1 06 合物性能试验方法标准 对混凝土进行性能试验， 其基本性能 见表 2 ， 各项性能完全满足施工要求。 表 2 自密实钢管混凝土基本性能 2 自密实微膨胀钢 管混凝 土的超 声检测 2 1 混凝 土施 工阶段 质量 情 况 本工程于 2 0 0 9年 5 月 2 3日开始至 2 0 0 9年 6月 1 3日完成， 工期为 2 2 d ，施工单位为山东港湾建设工程有限公司。 施工中 混凝土浇筑 的实际情况通过敲击钢管壁 的声音进行判断 ， 声音 沉而且哑者， 说明混凝土填充饱满， 若声音空洞或者有回声， 则 应采用超声波进行进一步的检 测。 该工程在施工过程 中以及浇 筑完成后 ， 采用小锤敲击表明 ， 混凝土 密实 。 现场 浇筑的同时 ， 成 型了抗压强度标准试块 ， 标养 2 8 d ， 抗压强度平均值为 5 7 8 MP a ， 均方差为 2 3 MP a 。 结果表明： 该混凝土强度满足设计要求 ， 试 块强度离散性小 ， 混凝土匀质性好。 2 2 自密实微膨胀钢管混凝土超声检测 在施工一年后即 2 0 1 0年 6月 ， 为进一步了解管 内混凝土是 否均匀 ， 混凝土与钢管密贴程度、 管内混凝土是否存在空洞和 冷接缝等缺陷， 更加科学地对 自密实微膨胀钢管混凝土作出质 量评估 ， 对管 内混凝土进行 了超声检测。 ( 1 ) 超声检测法及 其原理 ： 采用超 声波检测 自密实微膨 胀 钢管混凝土质量的主要方法有首次声时法 、 波形识 别法 和首波 频率法。 该工程采用首次声时检测法， 其原理为： 当混凝土内部 或钢管与混凝土之 间存在缺陷时 ， 在超声 波发一 收通路上形成 了不连续的介质， 在缺陷的孔 、 缝或疏松的混凝土中充有较低 声阻抗的气体或水 ， 声波透过率极低， 低频超声波将绕过缺陷 向前传播。 在传播的距离内， 其绕射到达所需“ 声时” 比超声纵 波在混凝土中直接传播所需要“ 声时” 长， 反映了存在缺陷混凝 土的超声波声速小。 ( 2 ) 自密 实微膨胀钢管混 凝土测点 布置 ： 超声检测 布点采 用随机抽样且具有代表性 ， 对可能产生缺陷的部位， 如拱顶适 当增 加测点 ， 同时对泵送混凝土浇筑 中出现堵管 的管道也进行 重点探测。 并且对不易出现缺陷的部位进行 2次超声检测， 每 个测区采用水平和垂直两种情况布点， 对无易出现缺陷部位的 进行 4 次超声检测 ， 每个测 区采用水平 、 垂直 、 4 5 0 、 1 3 5 0四种情 况布置测点 。 ( 3 ) 仪器选用与放 置 ： 检测方法 为超 声波纵波 脉冲对穿 法 检测， 选用频率 5 0 k Hz 、 直径为 4 C lT I 的换能器， 以黄油作为耦 合剂 ， 在钢管圆周上放置发射换能器和接收换能器 ， 并使之对 称而又不倾斜 ， 保证径向距离传播。 ( 4 ) 超声波检测情况 ： 本工程中， 钢管 的厚度为 1 2 c m， 混凝土 直径为 8 0 c m， 钢材波速为 5 4 k m s ， 混凝土波速为 4 5 k mf s ， 通过 超声波检测 ， 各测点超声波首波接收信号好 、 接收频率较高 、 声时 传播正常、 计算所得的混凝土声速值均在 4 4 k m s 以上， 即表明该 工程混凝土内部严密充实、 混凝土与钢管管壁胶结良好。 3结 论 ( 1 ) 自密实微膨胀钢管混凝土技术参数必须根据工程实际 要求 ， 结合施工条 件与技术水 平确定 ， 并据此通过 设计优化来 配制符合工作性能及强度要求的自密实微膨胀钢管混凝土。 ( 2 ) 采用 C E C S 2 0 3 ： 2 0 0 6 ( 自密实混凝土应用技术规程 可以 进行 f 密实徽膨胀钢管混凝土配合比的没计 ， 计算虽复杂， 但所确 定的理论配合比基本能达到使用要求 ， 仅需较小的试验调整。 ( 3 ) 超声波技 术能有效检测 、 鉴定 自密实微膨胀钢管混凝土 的内部质量 采用首波声时法相对一般混凝土缺陷检测方法 ， 不仅 省时高效 ， 且精确度也有一定的提高。 所检测的钢管混凝土内部严 密充实 、 混凝土与钢管管壁胶结 良好 无空洞和冷接缝等缺陷。 参考文献 ： 【 1 1王存江 ， 刘晏斌 ， 冯希民 京张高速公路周 家沟 I 号桥钢管拱施工技 术l J Il 铁道标准设计 ， 2 0 0 1 ( 4 ) 上接第 1 O 1页 循环 次数 图 5 硅微粉混凝土动弹模与冻融次数的关 系 循 环 次 数 图 6 硅微粉 混凝土重量损 失率与冻融次数 的关 系 明 的提高了混凝土的抗冻性。 2 3 硅 微粉 对胶 凝 材料水化 放热性 能的影 响 胶凝材料水化过程中放出的热量会导致混凝土温度升高， 在 大体积混凝土结构中， 南于混凝土的导热性能差 ， 水泥水化产生的 热量聚集在结构物内部长期不易散失。 此 ， 在大体积混凝土中易 形成较大的温差和温度应力， 导致混凝土产生温度裂缝 ， 给T程带 来不同干 旱 度的危害 ， 闪此抑制胶凝材f 4 z k 化放热十分重要。 7 , 8 为不同掺合料的水化热与放热速率抽线 试验结果表明： 与纯水泥浆体相比， 粉煤灰 与 硅微粉的掺入使水泥浆体水化热与 其水化放热曲线皆有不同程度的下降。 表明这两种掺合料都具有 降低水泥水化放热量与放热速率的作用。 与粉煤灰相比， 掺有硅 微粉的水泥浆体放热最大速率以及放热量皆有大幅度下降， 其原凶 是粉煤灰可以与通过液* H Jo 散到粉煤灰球形玻璃体的表面的水泥 水化产物氢氧化钙逐渐发生化学吸附和侵蚀， 并生成水化硅酸钙和 水化铝酸钙 因此， 粉煤灰 J 以发挥其火山灰效应、 形态效应和徽 集料效应 ， j者相互叠加 不断推进水化进程 ， 掺合料活性得到逐 步激发 5 】 。 陶 7 、 8 证实了硅微粉极少参与水化反应 ， 是一种惰性材 料， 在混凝土结构体系巾主要起到“ 微集料效应” 与“ 形态效应” j 【 2 】 陈宝春钢管混凝土拱桥设计与施IN 北京： 人民交通出版社， 1 9 9 9 【 3 】路来军 复合掺合料配制高性能混凝土的研究l J 】 中国水泥 ， 2 0 0 6 ( 7 ) 4 7 - 4 9 【 4 】吴中伟 ， 廉慧珍 高性能混凝土【 M】 京 ： 中国铁道出版社 ， 1 9 9 9 【 5 】赵筠启 密买混凝土的研究与应用 J I 混凝土 ， 2 0 0 3 ( 6 ) ： 9 - 1 7 f 6 1 C E C S 2 1 ： 2 0 0 0 ， 超声波检测混凝土缺陷技术规程【 S 】 作者简介 ： 曹现强( 1 9 7 0 一 ) ， 男 ， 本科 ， 工程技术应用研究员 ， 建材与制 品专业。 联系地址： 山乐省日照币、济南路2 6 9 号 5 2 8 室( 2 7 6 8 2 6 ) 联系电话 ： 0 6 3 3 8 8 9 9 3 6 3 龄期 II 图 7 掺合料对水泥水化热的影响 龄 期 d 图 8 掺合料对水泥水化放热速率的影响 3结 论 ( 1 ) 硅微粉 粉煤灰复掺具有较好的协同效应， 当硅微粉 掺量为 1 0 、 粉煤灰掺量为 3 0 时， 混凝土抗压强度 与纯水泥 混凝土卡 玎 当， 而高于单掺 4 0 粉煤厌的混凝土 ( 2 ) 与纯水泥混凝土 相比， 硅微粉 与粉煤灰 复掺可 以明显 降低混凝土电通量， 并且电通量随着硅微粉粒度的降低而降低 ( 3 ) 硅微粉的掺人可以有效降低浆体的最大放热量与最大放 热速率 ， 从而减少混凝土内部温度应力， 降低混凝土开裂敏感性 。 参考文献 ： 【 l 】赵 国堂 ， 李化建 高速铁路高性能混凝土应用管理技术l Ml E 京 ： 中 国铁道出版社 ， 2 0 0 9 【 2 阎 培渝 ， 张庆欢 含有活性或惰性掺合料 的复合 胶凝材料硬化浆体 的微观结构特征l J I 硅酸盐学报， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 1 2 ) ： 1 4 9 1 1 4 9 6 【 3 】游有鲲 ， 缪昌文 粉煤 灰高性 能混凝土抗冻性研究 J I _混 凝土与水泥 制品， 2 【 M x 】 ( 5 ) ： l 4 一l 5 f 4 刘辉 高掺量粉煤灰 高性能混凝土提及稳定性及耐久性的影响l J l l 铁道建筑 ， 2 0 1 O ( 6 ) ： 2 4 2 7 程智清， 林星平， 等 粉煤灰与磷矿渣对水泥水化热及胶砂强度的影 0 NJ 水利水电科技进展， 2 0 0 9 ， 2 9 ( 4 ) ： 5 5 6 2 作者简介 ： 联 系地址 ： 联 系电话 ： 雷文晗 ( 1 9 8 5 一 ) ， 男 ， 硕 士研究生 ， 研究方 向： 建筑材 料。 中国铁道科学研究院铁道建筑研究所 2 1 1 室( 1 O 0 O 8 1 ) Ol 0 5l 8 7 41 8 3 1 O7