五峰汉阳河特大桥C50自密实微膨胀钢管混凝土配合比设计与应用.pdf

2 0 1 5年第 4期 4月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 5 No 4 Ap r i l 五峰汉阳河特大桥 C5 0自密实微膨胀 钢管混凝土配合比设计与应用 刘洪波 ( 中铁大桥局第七工程有限公司， 武汉 4 3 0 0 5 0 ) 摘要 ： 五峰汉 阳河特大桥为主跨 1 7 1 m 的上承式钢管混凝 土拱桥 。C 5 0自密实微膨胀钢 管混凝 土的性 能对拱 桥 的施 工质量非 常重要 ， 为保证 山区复杂条件 下钢 管混凝 土的顺 利施 工 ， 通过调整 减水剂性能及膨胀剂掺量 ， 对混 凝 土配合比进行设计及优化 ， 最终获得 了性 能优 良的 配合 比， 为钢 管混凝土 的顺利灌注提供 了有力保 障。 关键词 ： 钢管拱桥 ； 自密实混凝土； 微膨胀 ； 配合 比设计 ； 应 用 Ab s t r a c t ： r h e Ha n Ya n g Ri v e r G r a n d B ri d g e o f Wu f e n g i s a s t e e l t u b e a r c h c o n c r e t e b rid g e 。t h e ma i n s p a n o f t h i s b r i d g e i s 1 7 1 m Mi c r o - e x p a n s i o n a n d s e l f - c o mp a c t i n g C 5 0 c o n c r e t e i s e s s e n t i a l t o t h e c o n s t r u c t i o n q u a l i t y o f t h i s b rid g e T o g u a r a n t e e t h e wo r k a b i l i t y o f s t e e l t u b e c o n c r e t e u n d e r t h e c o mp l e x c o n d i t i o n s o f mo u n t a i n a r e a s ，b y t h e me a n s o f a d j u s t m e n t o f w a t e r r e d u c e r a n d e x p a n s i v e - a g e n t ， t h e e x c e l l e n t p e rf o r m a n c e o f c o n c r e t e mi x i s o b t a i n o d ， w h i c h c a n p r o v i d e t h e g u a r a n t e e o f t h e f i l l i n g o f s t e e l t u b e c o n c r e t e K e y w o r ： S t e e l - t u b e a r c h b ri d g e ； S e l f - c o m p a c t i n g c o n c r e t e( S C C ) ； M i c r o e x p a n s i o n ； D e s i g n o f c o n c r e t e m i x ； A p - p l i c a t i o n 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 - 4 6 3 7 ( 2 0 1 5) 0 4 - 2 0 - 0 5 0前 言 钢管混凝土结构作为一种将混凝土填人薄壁 钢管内形成的组合结构 ， 其核心混凝土处于三 向受 压状态 。在设计中为了充分发挥钢管套箍作用 ， 需 在钢管 内部灌注高性能微膨胀混凝土 ， 由此可以提 高核心混凝土的抗压强度和结构的抗变形能力 。钢 管混凝土结构具有承载力高 、 自重轻 、 塑性好 、 耐疲 劳、 抗震性能好等优点。钢管混凝土拱桥 的施工工 艺多采用拱脚泵送压注顶升法 ， 属于免振捣施工范 畴。特殊 的施工工艺对钢管混凝土的工作性能和力 学性能指标提出了特殊的要求 ： 首先要求混凝土具 有 良好 的可 泵性 与 自密 实性 能 ， 不 仅初 凝 时 间 必须 满足混凝土泵送压注顶升所需要的时间 ， 而且新拌 混凝土较长时间的坍落度损失也应满足施工要求。 由于施工属于免振捣 ，混凝土靠 自重压力密实 ， 因 此还要求混凝土有一定 的自密实性能 。第二 ， 要求 混凝土与钢管有 良好的粘结 以保证其整体性 ， 共 同 参与受力 ， 这就要求混凝土应具有合适的补偿收缩 即微 膨 胀 功能 。第 三 ， 针对 钢 管混 凝 土拱 桥 施 工 的 特殊加载程 序 ，特别是多根钢管组成 的桁架式拱 肋 ， 在顺序灌注混凝 土过程 中 ， 还要求前面灌注 的 混凝土具有一定 的强度和合适的刚度 以确保拱肋 的线 型 。 一 2 0 1 工程 概况 五峰汉阳河特大桥地处五峰渔洋关镇 ， 横跨高 山峡谷 ，属 于陆渔一级路上的重点控制性桥梁工 程。该桥全长 3 9 9 m， 采用( 3 x 3 0 m预应力混凝土简 支 T梁 ) + ( 1 x l 7 1 m上 承式钢管混凝 土拱桥 ) + ( 4 3 0 m预应力混凝土简支 T梁) 的桥跨布置。主桥采 用净跨 1 7 1 m钢管混凝土桁架上承式拱桥结构 ， 净 矢跨 比为 1 5 1 8 ， 主桥轴线为悬链线 ， 拱轴系数 m= 1 6 5 ， 拱肋为等截面钢管砼桁架结构 。 全桥共两片桁 架 ， 由 8根 8 0 0 m m主钢管组成 ， 主钢管水平方 向 由缀板连接。主钢管及缀板内均需灌注 C 5 0自密实 微膨 胀混 凝土 。 2配合 比设计 思想 钢管混凝土要求混凝土具有 自密实 、保塑性 、 微膨胀性能 ，也就是要求混凝土具有坍 落度大 、 和 易性好、 不泌水 、 不离析 、 补偿收缩等特点 。一般情 况下 ， 采用增大用水量的方法来提高混凝土的坍落 度 ， 但提高用水量则混凝土强度难 以保证 ， 且易离 析 ， 和易 性也 不好 。更 为严 重 的是 用水 量 过 大混 凝 土收缩变形大 ， 同时水泥用量增加 ， 混凝 土水化热 增高 ， 会对钢管混凝土产生不利影响。由此可见， 要 配制性能符合要求的高强度混凝 土 ， 必须使用高效 减水剂来改善和增强水泥与骨料之 间的粘结力 ， 减 刘洪波 五峰汉阳河特大桥 C 5 0自密实微膨胀钢管混凝土配合比设计与应用 小水灰 比， 降低用水量 ； 同时掺入一定的优质粉煤 灰来改善混凝土的和易性 ，并提高混凝土 的可泵 性。钢管内填充混凝土的密实程度及管内混凝土与 钢管内壁的紧密程度对拱 的承载力影响极大 ， 普通 混凝土因其硬化而产生的收缩与开裂 ， 致使管内填 充混凝土与管壁不十分紧密 ， 为此应采用掺入一定 量膨胀剂的方法 ， 使混凝土的膨胀率大 于钢管内填 充混凝土的干缩和温缩率 ， 以达到管内填充混凝 土 与钢管壁紧密结合的 目的。 本次配合 比试验将参照 以往工程实践经验 、 选 择合适的参数 ， 根据 J G J rI 1 2 8 3 2 0 1 2 ( ( 自密实混凝土 应用技 术规程 计算 出理论配合 比， 然后分别从调 整外加剂掺量改善混凝土工作性 、 调整膨胀剂掺量 改善混凝土微膨胀性两个方面人手 ， 对混凝土配合 比进行优化调整 ， 最后得到满足现场施工要求及各 项技术指标合格的优 良配合比。 3混 凝土 配合 比设计 3 1 技术要求 3 1 1 工作性能 初 始坍 落 度 2 4 0 2 8 0 mm，初 始 坍 落 扩展 度 5 5 0 6 5 0 m m， T 5 0 扩 展 时 间 2 - 2 0 s ， 3 h后 坍 落 度 2 0 0 mm， 3 h后扩展度 5 0 0 m m， 粘 聚性和保水性好 ， 拌合物含气量小于 2 O 。 3 1 2物 理力 学性 能 2 8 d抗压强度达到配制强度要求 5 8 2 MP a ， 3 d 抗 压 强度 达到设 计 强度 的 8 0 ( 4 0 MP a ) 。 3 1 3 体积变形性能 混凝土 5 6 d限制膨胀率( 2 0 4 0 ) 1 0 。 3 2 混凝土原材料 3 2 1 水 泥 水泥采用 P 0 4 2 5级水泥， 各项指标见表 1 。 表 1 水泥的主要性 能指标 3 2 2 细骨料 采用洞庭湖黄砂 ， 级配 良好 ， 细度模数 2 8 1 ， 表 观 密度 2 6 8 2 k g m ，堆积 密度 1 5 4 2 k g m ，含 泥 量 0 7 。 3 2 _ 3 粗骨料 采用五峰崇阳石厂 5 2 5 m m普通碎石 ，级配 良 好 ， 表观密度 2 7 1 8 k g m 3 ， 堆积密度 1 5 5 0 k g m3 ， 针 片 状含量 3 6 ， 压碎值 1 8 2 。 3 2 4 减水剂 采用 武汉产 Y J 一 1型 聚羧酸减水 剂 ，固含量 2 7 ， 减水率 2 6 。 3 2 5 粉煤灰 粉煤灰采用湖南石 门电厂 I级粉煤灰 ， 性能指 标 如表 2所 示 。 表 2 粉煤灰 的主要性 能指标 3 2 6 膨胀剂 采用天津某公司生产的 型硫铝酸 钙一 氧化钙 类高性能混凝土膨胀剂 ( E A A C I I 型 ) ， 性能指标见 表 3 。 表 3 E A A C I 型膨胀剂性能指标 3 3 理论配合 比计算 参 照以往工程实践经验 ，选择合适 的参数 ， 依 据 J G J 厂 r 2 8 3 2 0 1 2 ，采用绝对体积法计算得到初始 配合比， 结果见表 4 。 表 4 C 5 0混凝 土配合比 k g m 编号 水泥 粉煤灰 砂 石 水 减水剂 A 47 5 7 5 81 5 90 7 1 6 4 5 0 注 ： 减水剂掺量 5 0 k r C m 即可使新拌 C 5 0混凝 土获得较 良 好 的工作状 态。 如表 5所示 ， C 5 0钢管 昆 凝土的初始工作性能 良好 ， 各龄期抗压强度达标 ， 但混凝土的 时间偏 长 ， 流动性不是很理想 ， 且混凝 土 3 h的坍损较大 。 说明混凝 土的 自密实性 能和保塑性能均需得到进 一 步 的提升 ，以确保钢管混凝土的灌注顺利完成。 考虑到混凝土的含气量仅为 1 5 ， 可适 当增加 昆 凝 土的含气量 以改善其工作性能 ， 因而决定采用在减 水剂中复配引气剂的方案 。 表 5 混凝 土的工作性能和 力学强度 3 4调整减 水剂 性能 设置引气剂掺量 ( 7 1 气剂在减水剂中的质量分 一 21 2 0 1 5年第 4期 混凝土与水泥制品 总第 2 2 8期 数) 0 0 1 、 0 0 2 、 0 0 3 ， 考察t 昆凝土含气量对 C 5 0 自密实混凝土各项性能的影响 ， 结果见表 6 。 如表 6所示 ，随着减水剂 中引气剂掺量 的增 加 ， 所 配制 混凝 土 的含 气 量亦 相应 增 大 。而 随 着 混 凝土含气量 的增大， 混凝土的 T 5 0 时间逐渐减小 ， 且 与 A 混凝土相 比明显缩短 ， 流动性能变好 ， 但混凝 土的力学强度有逐渐降低的趋势 ； 同时还可看到 A I # - A 一 3 样混凝土的坍落度经时损失均 比组 A #的要 小 ， 说明在减水剂 中复配引气剂后混凝土的 自密实 性能和保塑性能均得到了改善。鉴于钢管混凝土 的 含气量最好小于 2 0 ，同时对 比组 A 一 1 # 一 A 一 3 #混 凝土的坍落扩展度 、 时间和抗压强度值 ， 可知 A一 1 #混凝土的综合性能最佳 ， 即减水剂中引气剂的适 宜掺量应为 0 0 1 。 3 5 调整 膨胀剂 掺量 混凝土中掺加膨胀剂 ， 在水泥硬化过程 中形成 大量体积增大的结晶体水化硫铝酸钙( 又名钙 矾石 ) ， 它能产生一定 的膨胀能 ， 在有钢管约束的条 件下 ， 在结构中建立一定 的预应力 ， 可以抵 消混凝 土在硬化过程 中产生的收缩应力 ， 提高混凝土的密 实性 。膨胀能转变成 自应力 ， 使混凝土处于受压状 态 ， 从而提高抗裂 能力 ， 使得微膨胀混凝土在有约 束的情况下 自身的强度远大于设计值。 3 5 1 配合 比优化 根据 C 5 0自密实微膨胀钢管混凝 土的性 能要 求 ，在 A 一 1 #混凝土配合 比的基础上 ，采用内掺法 ( 取代等量的水泥 ) ， 用膨胀剂等量替代胶凝材料用 量的 6 、 7 、 8 、 9 、 1 0 进行 了系列配合 比设计 与试 验 ， 试 验结 果如 表 7所 示 。 如表 7所示 ， A 一 1 1 # 一 A 一 1 5 #五组混凝土配合 比均按胶凝材料用量 5 5 0 k m 。 ，水胶比 0 3 0 ，砂率 4 7 为固定参数进行试配 ， 所不 同的是膨胀剂掺量。 由表 7可知 ， 随着膨胀剂掺量的增加 ， 混凝土坍落 度 、 扩展度减小 ， 强度变低 ， 膨胀率变大 ， 而含气量 变化不是很大 。综合考虑混凝土工作性、 强度 、 膨胀 率发展的协调性 ， 选定膨胀剂掺量 8 为最佳掺量 。 对应的配合 比为最佳配合 比，即 A一 1 3 样配合 比为 C 5 0钢管混凝土最佳配合 比。 表 7掺膨胀剂后 C 5 0钢管混凝土 的各项性能 3 5 2不同养护条件对钢管混凝 土力学性能的影 响 考虑到钢管混凝土的实 际养 护环境 与传统标 准养护 的条件存在差别 ，故选择不同的养护条件 ， 考察其对钢管混凝土力学性能的影响 ，以 A 一 1 3 # 配合 比为例 ， 结果见表 8 。 从表 8可以看出 ， 恒温绝湿养护下混凝土各龄 期 的抗 压 强 度 与标 准 养 护 条 件 下 的 混 凝 土 强 度 基 本没有差别 ， 符合工程要求。 3 5 3 不同温度条件对混凝土工作性能的影响 在进行配合比试验时 ， 各项性能指标 的试验是 一 2 2一 表 8 不 同养护条件对混凝土力学性能的影响 注 ： 恒温绝湿养护指将 混凝 土袋装 密封后置于带盖 的空桶 中 ， 存放于标准养护室 内。 在室内恒温( 2 0 2 ) c 【 = 的条件下进行 的， 现场施工计 划在当年 4月初到 5月初进行。考虑到现场施工时 温度变化因素( 1 0 - 3 0 ) ， 为防止因温度变化导致混 刘洪波 五峰汉阳河特大桥 C 5 0自密实微膨胀钢管混凝土配合比设计与应用 凝 土工作性 能发生变化 ， 影响现场施 工 ， 对选定 的 配合 比在不 同 的温度 条件下测试 其 3 h经时坍 落 度 ， 结果如图 1 、 所示。 2 6 0 2 5 0 蠢2 4 0 楗 搴2 3 0 22 0 21 O 5 1 0 1 5 2 O 2 5 3 O 温度， q c 图 1 温度对混凝土 3 h经时坍落度 的影响 从 图 1可以看 出， A l 一 3 #配合 比在 3 0 时 3 h 经时坍落度仍有 2 1 0 mm，对温度有很好 的适应性 ， 完全可以满足 1 0 3 0 温度变化幅度的施工环境要 求 。 综上所述 ， A一 1 3 #配合 比混凝土 的 自密实性 能与保塑性 能良好 ， 含气量小 ， 不离析 ， 不扒底 ， 粘 聚性 、 包裹性好 ， 坍损小 ， 温度适应性好 ， 易于施工 ， 3 d强度不影响后续施工 ， 2 8 d抗压强度、 5 6 d限制膨 胀率均满足设计要求。 4现 场施 工应 用 4 1 钢管混凝土的拌合与运输 单根钢管顶升灌注时间约为 2 h ， 一次连续顶升 灌注两根钢管 ， 约 2 0 0 m 混凝土 。 使用 H Z S 1 2 0拌合 楼 一座 ； 混凝 土拌合 前 ， 水泥 、 粉煤 灰温度 宜低于 5 0 ， 砂 、 石料宜采取遮 阳措施 ， 避免太 阳暴晒影 响 拌合物工作性能 ； 对新进减水剂在拌合前应进行复 盘试验 ， 拌合前测试砂石含水率 ， 拌合过程 中随 时 注意砂石含水率变化情况 ，如有变化及时检测 ， 调 整施工配合 比。单盘混凝土拌合时间设定为 9 0 s ， 混 凝土 出站与到达施工现场时均需对每车混凝 土做 坍落度 、 扩展度试 验 ， 若发现不满足要求 当立 即进 行调整。根据混凝土方量与泵送速度 ， 配备八 台混 凝土运输车( 每岸四台) ， 以保证混凝土能够连续施 工 。施工现场大桥两岸拱座处各布置方 圆 HB T S 8 0 混凝土泵一 台， 最大泵送压力 1 5 MP a ， 经计算满足 顶 升施 工要 求 。 4 2 钢管混凝土 的施工 4 2 1 拱肋钢管混凝土的施工 在拱顶要牢固焊接隔仓板 ， 使整根钢管分为两 仓 ， 两岸 同时对称泵送 ， 根据拱桥 的跨距 、 拱高 、 混 凝土拌合能力等因素采用一次泵送到顶工艺。泵管 的布置应合理 ， 尽量避免弯折布设 ， 且必须绑好接 牢 ，以免混凝土灌注过程中泵管晃动剧烈而脱落 。 泵管与钢管灌注孔连接处应经过特殊设计与加 固， 防止在泵送过程 中因压力过大而松动。泵送混凝土 前 ，在拱顶隔仓板两侧 5 0 c m左右各设置一个排浆 管 ， 排浆管钢管直径 1 5 c m， 高度 1 5 m， 要有一定倾 斜角度 ， 以防混凝土洒到钢管上 。开泵时 ， 应先泵送 1 m3 同配 比砂浆润湿钢管内壁 ，同时观察泵管连接 处有无漏浆 ， 确保泵管连接密封牢固。混凝 土对称 顶升至拱顶后应先从排浆管冒出砂浆 ， 然后是混凝 土 ， 目测从排浆管排 出约 l m 混凝土后 ， 每间隔 3 4 m i n打泵顶升混凝土几下 ， 如此循环数次以保证管 内混凝土填充密实。一根钢管顶升灌注完毕后 ， 关 闭闸板阀， 拆除泵管 ， 进行下一根钢管灌注。 灌注孔连接处泵管布置如 图 2所示 。 0 - 4 5 噬 一 。 下 图 2 泵管布置与主拱截面示意图 4 2 2 缀板钢管混凝土的施工 缀杆必须与缀板焊接牢固 ， 避免顶升压注过程 中因压力过大而脱焊 ， 导致缀板 出现鼓包 、 撕裂等 变形 。同主钢管一样 ， 在拱脚处开灌注孔 ， 在拱顶处 焊接 隔仓板 、 排浆管。因缀板 内部空间狭小 ， 为防止 一 次顶升混凝土到不 了拱顶 ， 在 L 4处开孔 ， 接好泵 管 ， 为接力泵送做准备 。其它施工方法与拱肋施工 一 致 。现 场施 工时 ， 因混 凝土 和易 性好 ， 缀杆 焊接 牢 固， 混 凝土泵送 阻力不大 ， 缀板也没有 出现鼓包或 撕 裂 变形 现象 。混凝 土 一 次泵 送 至拱 顶 ， 没有 采 取 接力 措施 。 4 2 3 钢管灌注次序及时间间隔 为保证钢管拱结构的稳定性和安全性 ， 钢管混 凝土的灌注通常是两根对称进行 。在对两根钢管进 行混凝土灌注施工之后 ， 按设计要求必须待灌注的 混凝土达到设计强度的 8 0 以上后 ， 才能进行下对 钢管的混凝土灌注施工。根据混凝土强度发展情况 及监控量测数据 ，混凝 土顶升灌注 时间间隔为 4 2 3 2 0 1 5年第 4期 混凝土与水泥制品 总第 2 2 8期 天 。施工分别按下弦 内侧 、 上弦内侧 、 下 弦外侧 、 上 弦外侧 、 下弦缀板 、 上弦缀板的顺序进行 。 5结语 通过优化减水剂性能及调整膨胀剂掺量 ， 配制 出高性能钢管混凝土 ， 所配制的钢管混凝土工作性 能满足设计及施工要求 ，力学性能达到设计要求。 本工程共计 8根钢管 4根缀板共 1 0 0 0 m 混凝土 ， 按 照一次两根 、 4 d一个循环的施工周期 ，在一个月内 完成了钢管和缀板的顶升灌注。施工季节在四月初 到五月初 ， 气温适宜 ， 和混凝土配合 比试配环境温 度接近 ， 非常适合钢管混凝土的灌 注。实际施工 中 单根钢管灌注时间约 2 h ， 混凝 土坍落度 、 扩展度经 时损失小 ， 满足施工要求 。施工完成后检测混凝土 强度及膨胀率均满足设计要求 ， 灌注混凝土后 的钢 管实体经敲打和超声波探伤 ，钢管 内部混凝土密 实， ? 昆凝土紧贴钢管内壁， 没有脱空现象 。 参考文献 ： 1 】中华人 民共 和国国家质量 监督检验 检疫总局，中国国家 标准化 管理委员会 J G J T 2 8 3 2 0 1 2自密实混凝 土应 用技术 规程【 S 北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 1 2 【 2 】中华人 民共和 国国家质 量监督检 验检疫 总局， 中国国家 标准化管理委员会 G B 8 0 7 6 2 0 0 8混凝土外加剂 S 】 北 京： 中国标准出版社， 2 0 0 9 3 中华人 民共和 国国家 质量监督 检验检疫 总局， 中国国家 标准化管理委员会 G B 2 3 4 3 9 2 0 0 9混凝 土膨胀剂 S 】 北京： 中国标准出版社， 2 0 1 0 4 中华人 民共 和国交通 运输部 J T G T F 5 0 2 0 1 1公路桥 涵 施工技术规范 S 】 北京： 人 民交通出版社， 2 0 1 1 【 5 胡 曙光， 丁庆军 钢管混凝 土【 M】 北京： 人 民交 通出版社， 20 0 7 6 谢 希凡， 石勇 南 宁永和大桥 C 5 0钢管混 凝土配合 比试 验 研究f J 桥梁建设 ， 2 0 0 5 ( 4 ) ： 8 2 - 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