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陶粒混凝土在昌九高速桥梁工程中的应用
张扬江1    胡曙光2
(1、江西省南昌公路桥梁工程有限公司  南昌  330035)
（2．江西赣粤高速公路股份有限公司  南昌  330003）

摘  要：以南昌至九江高速公路桥梁改造为例，介绍了轻骨料陶粒混凝土配合比设计与施工。
通过试验研究和工程实践，提出了适合昌九高速公路桥梁改造维修中轻骨料陶粒混凝土的施工
技术和质量控制，对今后旧桥梁桥面铺装改造轻骨料陶粒混凝土的推广使用有着积极的现实意义。
关键词：桥梁工程；旧桥梁改造；轻骨料陶粒混凝土；配合比设计；施工

0  前  言

南昌至九江高速公路（简称昌九高速）为江西南北出省过境大通道，截止目前昌九路营运时间已长达11年至14年之久，对推动江西区域经济的发展做出了巨大的贡献。昌九高速公路全长133km，共有849处桥涵构造物，昌九高速公路自开通以来，桥梁涵洞等结构物的养护基本上以日常小修维护为主，一直未进行专项的结构物加固，随着营运时间的延伸、交通量的增长、轴载的加重，路面损坏日益严重，桥梁局部外观破损较多，占到了总数量的73.4%，已经成为一个影响昌九高速公路运营安全的潜在隐患。
鉴于此，江西赣粤高速公路股份有限公司决定对昌九高速公路进行大规模的综合技术改造。桥涵构造物改造的的原则是：安全、可靠、经济。改造后的桥梁结构应满足原设计汽-超20、挂-120设计荷载标准及正常使用功能的要求。桥梁加固改造尚属世界性的难题。就加固改造而言，国内外目前均无明显优越的方法，大多采取结构加固法；对于新材料应用在加固改造中并不多见。
昌九高速公路技术改造首次采用轻骨料陶粒，对主线桥梁进行铺装。本文将重点介绍轻骨料陶粒混凝土在旧桥梁改造维修中的应用。
1  轻骨料陶粒混凝土基本概念
用陶粒、砂、水泥、水、外加剂配制而成的混凝土称为陶粒式混凝土，其容重约为1700㎏/m3-1800㎏/m3。它除了和普通混凝土一样牵涉到粗、细集料、水泥和水以外，还涉及到表观密度(原称容重)的最大限值和最小的强度等级限值，骨料中存在大量空隙，使之具有轻质、高强等性能且变形性能良好，弹性模量较低，在一般情况下，其收缩和徐变也较大。
昌九高速公路技改选用以页岩为原材料，其堆积密度为800级，最大粒径≤20mm、颗粒密度≤1450 kg/m3、松堆密度≤800 kg/m3、颗粒级配要求见表1，筒压法测定强度≥2.5MPa，（筒压强度与松堆密度的经验关系为Ft=0.48Ｐs。式中 Ft—筒压密度MPa，Ps松堆密度kg/m3）1h吸水率≤25%，15次冻融循环（D15）质量损失≤15%。安定性试验煮沸法平均质量损失≤0.27，有害杂质含量要求见表2，粒型系数要求见表5。
表1  800级页岩陶粒颗粒级配要求
品种名称
粒级划分（mm）
粒型
不同筛孔累计筛余（按质量%）
空隙率（%）
Dmin
1/2Dmin
Dmax
2Dmax
页岩陶粒
10-20
普通型混合级配
≥90
30-70
≤10
0
＜50
注：摘自《页岩陶粒和陶砂》（GB2840-81）。
表2  800级页岩陶粒有害物质含量的规定  
品种名称
硫酸盐(按SO3%计）
氯盐（按CL-%计）
含泥量%
烧失量%
有机质杂质
页岩陶粒
＜0.5
-
＜2
＜3
不深于标准色

表3  页岩陶粒粒型系数的规定  
骨料名称
粒型系数
大于规定粒型系数的允许含量（%）
页岩陶粒
≤3.0
＜20

2  轻骨料陶粒混凝土配合比设计
2.1  配合比设计要求
昌九高速公路技术改造工程项目轻骨料陶粒混凝土使用部位为桥涵桥面铺装层混凝土浇筑。配合比设计的任务在于确定能获得预期性能而又最经济的混凝土各组成材料的用量，它和普通混凝土配合比设计的目的是相同的，即在保证结构安全使用的前提下，力求使混凝土具有较理想的技术经济指标，应考虑以下4项基本要求进行配合比设计：
(1)陶粒混凝土的设计强度等级与堆密度等级。
(2)满足施工要求的和易性。
(3)陶粒混凝土的性能。
(4)节约水泥、合理降低成本。
2.2  配合比设计特点
(1)除强度、和易性、耐久性、经济性要求外，还要考虑堆密度要求。
(2)陶粒混凝土的堆密度主要取决于骨料的松堆密度和在混凝土中体积含量。陶粒混凝土的强度不仅取决于水灰比，而且骨料强度和体积含量对其具有很大的影响。所以，在陶粒混凝土配合比设计中，必须考虑骨料性质这个重要影响因素。
(3)陶粒呈多孔结构，必须考虑其吸水性能的影响。若使用干燥骨料，则加到混凝土中的总水量分为两部分：①有效用水量即与水泥形成水泥浆的水，其多少决定了灰浆的强度。②附加用水量即考虑到被陶粒在1h内吸走的水量。
因此，陶粒混凝土的水灰比也分为两种： ①总水灰比即总用水量与水泥用量之比。 ②有效水灰比即有效用水量与水泥用量之比。若预先将陶粒作饱水处理，则计算配合比时只需考虑有效用水量即可。
2.3  配合比设计原则
陶粒混凝土的强度等级与水泥灰浆和陶粒的强度有关。提高陶粒混凝土强度的措施：
(1)选用圆球形的、颗粒级配较好的、筒压强度较高的陶粒作粗骨料。
(2)采用普通中砂作细集料。（昌九高速公路技术改造采用江西丰城细度模数2.64的河砂）
(3)选用最大粒径≤20mm的陶粒作粗骨料。（昌九高速公路技术改造采用北京北京新桥技术发展有限公司800级普通型页岩陶粒粗集料。视密度ρg=1380Kg/m3、1h吸水率gS=3.2%。）
(4)采用较高标号的普通硅酸盐水泥。（昌九高速公路陶粒混凝土采用的水泥为安徽产P.042.5海螺牌水泥。）
(5)正确选择混凝土水灰比，使之具有符合施工所要求的和易性指标的最小水灰比。
(6)选择与混凝土拌合物的和易性相适应的成型与养护制度。
(7)掺入提高混凝土密实性的化学外加剂。（昌九高速公路技术改造采用昌特牌FDN-2缓凝超塑化剂）
2.4  试验依据
(1)《轻骨料及轻骨料混凝土技术规定和试验方法》（J78-2）
(2)《粘土陶粒和陶砂》（GB2839-81）
(3)《普通混凝土配合比设计规范》（JGJ55-2000）(4)《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）
(5)《公路工程水泥混凝土试验规程》（JTJ053-2000）
(6)《公路工程水质分析操作规程》（JTJ056-84
(7)《公路工程集料试验规程》（JTJ058-2000）
2.5  试配参数的选择
水泥品种和标号  由于陶粒表面粗糙多孔，要求较多的水泥浆包裹其表面，才能满足混凝土拌合料和易性要求。对高强度陶粒混凝土，宜采用42.5级或以上标号水泥，水泥品种和标号可按表4选择。

表4  陶粒混凝土对水泥的要求   
陶粒混凝土等级
较合理的水泥标号
水泥品种
C40
42.5级
硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥

陶粒的松堆密度  陶粒松堆密度是影响混凝土堆密度和强度的最重要的因素，在进行配合比设计时必须考虑其作用。松堆密度取决于颗粒密度、颗粒大小及粒型等，陶粒含水率也有很大影响，因此，在配合比设计过程中，采用绝对干燥时陶粒的松堆密度。对于桥面铺装这种结构轻骨料混凝土，松堆密度应为700 kg/m3-800kg/m3。
最小、最大水泥用量  陶粒混凝土的水泥用量与陶粒品种规格关系见表5。对某一品种的轻骨料其混凝土强度等级和水泥用量都有一定限度。考虑混凝土水化热、收缩、徐变等影响，陶粒混凝土最大水泥用量不超过550 kg/m3。

表5  陶粒混凝土最小水泥用量     
陶粒混凝土等级
不同松堆密度陶粒的水泥用量（kg/m3）
600
700
800
C40
-
420-500
410-490

用水量  陶粒混凝土配合比的用水量以有效用水量表示时，根据混凝土不同用途、及其施工要求的和易性，参照表6选用。
表6  陶粒混凝土有效用水量     
序号
用途
和易性
有效用水量（kg/m3）
工作度（S）
坍落度（MM）
1
预制混凝土构件
＜30
0-30
155-200
2
现浇混凝土1机械振捣2人工振捣或钢筋较密
-
-
30-50
50-80
165-210
200-220
注：本表值采用普通砂。
水灰比  陶粒混凝土配合比中的水灰比一般用有效水灰比表示。由于水灰比对陶粒混凝土的性能特别是耐久性能有很大影响。水灰比太大将使混凝土的密实度大大降低，在周围介质长期作用下，会导致混凝土或钢筋混凝土内部结构的破坏，最终使整个结构物遭受破坏。所以，对最大水灰比必须加以限制。为满足耐久性的要求，根据《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000)的要求，其最大水灰比应符合表7的规定。
表7  陶粒混凝土最大水灰比   
混凝土所处环境条件
不受风雪影响
受风雪影响、位于水中及水位升降范围内、潮湿环境
严寒地区水位升降范围内、受水压作用
寒冷地区水位升降范围内
最大水灰比
-
0.70
0.65
0.60

粗细骨料总体积  粗细骨料总体积是指配制1m3陶粒混凝土所需粗细骨料松散体积的总和。它是用松堆密度法设计配合比时的一个重要参数。粗细骨料总体积主要与粗骨料的粒型、细骨料的品种有关。密实结构陶粒混凝土粗细骨料总体积，可按表8选用。

表8  粗细骨料总体积     
粒型
细骨料品种
总体积（m3）
普通型页岩陶粒
普通砂

砂率  砂率混凝土和易性及硬化后的堆密度、强度与变形性能等有较大影响。采用普通砂时的砂率（体积比）见表9。
表9  陶粒混凝土砂率（体积比）     
用途
细骨料品种
砂率(%)
现浇混凝土
普通砂
40-60

外加剂  陶粒混凝土允许采用外加剂（如减水剂、泵送剂、引气剂等），其掺量通过试验确定。
2.6  配合比设计方法
陶粒混凝土的配合比设计，一般采用松散体积法，以干堆密度为基础，即假定1m3混凝土的干堆密度为其各组成材料的干质量之总和，以此为依据通过试验调整配合比。
2.7  配合比设计要点
基本和普通混凝土相似，但须注意: 必须考虑陶粒对混凝土一系列性能的影响，其中最重要的是对混凝土堆密度的影响,必须考虑陶粒吸水率对混凝土用水量的影响。
2.8  配合比设计步骤
（1）根据原材料性能和陶粒混凝土的设计强度、堆密度、和易性要求，参照表6-表11,选择有关参数（水泥用量、有效用水量、砂率、或确定总用水量）。
（2）根据表10选择粗细骨料总体积Vq+s；
（3）根据粗细骨料总体积及砂率，求出1m3陶粒混凝土中细骨料用量：VsVq+s*Sp（M3）
        S=Vs*ρS（kg）
式中：Vs-砂体积M3；
  Sp-砂率（%）；
  S-细骨料质量kg；
  ρS-细骨料松堆密度（kg/m3）。
（4）计算1M3陶粒混凝土中陶粒用量：
        Vq=Vq+s—Vs（m3）
        Q=Vq*ρq（kg）
式中：Vq-陶粒体积（m3）；
Ρq-陶粒松堆密度（kg/m3）；
Q-陶粒质量（m3）；
Ρq-陶粒松堆密度（kg/m3）。
（5）根据施工要求和易性选择用水量：根据表8，再根据陶粒1h的吸水率计算附加水，则总用水量为 
          Wz=W+Q*gS（kg）
式中：Wz-总用水量（kg）；
  W-有效用水量（kg）；
  Q-陶粒用量（kg）；
   gS-陶粒1h吸水量（%）。
（6）根据计算材料用量估算混凝土干密度ρg。
       ρg=1.15C+Q+S（kg/m3）
式中：C—水泥用量（kg）。
估算出的干堆密度应符合设计要求，误差≤5%，否则需重新调整计算。
（7）试拌调整配合比。
根据试模大小和组数计算试样体积，乘以1.05系数，作为试配实际用量体积，进行混凝土试配。
为选择较优的配合比，可根据基准配合比水泥用量，另选相邻2个水泥用量（±30 kg/m3）同时进行试配。最后选定满足设计需求的水泥用量最小的配合比。
（8）确定施工配合比。
根据试验室配合比、各种骨料湿堆密度调整配合比，即得施工配合比。昌九高速公路技术改造桥涵加固维修页岩陶料混凝土材料有量（kg/m3）为：水泥450 kg/m3、细集料813 kg/m3、粗集料618 kg/m3、水170 kg/m3、外加剂11.25 kg/m3。3d的抗压强度为38.64MPa,达到配制强度的77.4%。

                                                     图1
3  陶粒混凝土施工
陶粒混凝土的施工工艺基本与普通混凝土相似。但由于陶粒的堆密度小和多孔结构吸水的特性，在施工过程中务必注意，才能保证工程质量。
3.1  配料要求
陶粒混凝土各组份配料计量允许误差见表10。在生产前及生产过程中，应经常性检测粗细骨
料中的含水量并及时相应调整加水量。建议陶粒在拌和混凝土前预先浇水湿润，以利于混凝土强度的增长。

表10  陶粒混凝土配料计量允许误差    
序号
材料名称
允许误差（%）
1
陶粒、砂
±3
2
水泥、水、外加剂
±2
3.2  设备
采用带电子称重装置、自动称水系统的750型以上的强制式混凝土搅拌机，若配合比中有外加剂，宜采用液体外加剂溶于水中搅拌混凝土。
混凝土运输车宜选择泵送混凝土输送车，同时要经可能减少倒运时间，避免混凝土在浇筑前出现初凝现象。
宜选择低频低幅混凝土振捣器，不宜采用振捣功率强大的机械设备，避免使混凝土发生离析情况。
3.3  混凝土搅拌
采用强制式搅拌机的加料顺序及搅拌时间见图2:

图2
使用外加剂时，优先选择液体外加剂。使用粉剂时，建议先将外加剂溶化在水中，待混合溶液均匀后一起加入混合料中搅拌均匀。
3.4  混凝土运输
陶粒混凝土搅拌后，宜经可能快地运至施工现场并立即浇筑入模。如在停放或运输过程中出现和易性损失，宜在浇筑前进行人工或机械二次搅拌恢复混凝土和易性。

在未采取缓凝措施时，混凝土从搅拌机卸出后到浇筑完成，一般不宜超过60min。
3.5  混凝土的浇筑与成型
陶粒混凝土桥面铺装浇筑成型参数见表11。使用插入式振捣棒时，振捣时间要比普通混凝土时间短，避免混凝土过振离析。

表11  陶粒混凝土桥面铺装浇筑成型参数   
构件
类型
拌和物类型
构件厚度（cm）
浇筑
方式
振捣
方式
振捣时间（S）
板式桥面铺装
普通砂+陶粒
＜20
一次成型
表面振捣
30-60
注：振捣时间上限，适用于配筋较密的结构。
3.6  混凝土的养护
陶粒内部吸收的水分，随着混凝土表面水分的蒸发，会从陶粒内部不断向灰浆中转移。在一定时间内能自动供给水泥水化用水，造成良好的养护条件。在温暖和潮湿的气候条件下，陶粒混凝土中的水分就可以保证水泥的水化，可不需覆盖和喷水养护。但在夏季炎热干燥的气候条件下，仍必须进行覆盖和洒水养生，以防止混凝土表面干燥和收缩开裂。同时陶粒混凝土堆密度小、导热系数低，再加上混凝土中水泥用量较大，夏季高温时更需注意养护避免出现温度裂缝。
陶粒混凝土养生期，一般≮3d，混凝土具有70%设计强度后，方可开放交通。
4   结 语
轻骨料陶粒混凝土用于桥面混凝土铺装最突出的优点是质量轻、强度高，与同等级强度的普通混凝土相比，可降低自重20%—50%，大大减轻了结构的恒载，提高抗车辙能力。轻骨料陶粒混凝土与普通混凝土相比还具有自抗渗能力强，耐磨性好，无碱集料反应，耐酸性强，且能够有效消除40%的震波，吸声、吸音、弹模低、配合预应力构件效果佳等特点。采用轻骨料陶料混凝土加固旧危桥，不但满足了承载力需要和通行条件，还可节约大量资金，加固过程中可边施工边通车，不影响正常通行，同时减少了新修桥梁而重新占用河道、农田以及对自然地貌、环境、植被的破坏，其社会效益非常明显。为今后旧桥加固提供了一个更可靠、更合理、更经济的技术改造措施，更重要的是，对新材料的研究将使轻质砼在公路桥梁建设中的广泛应用提洪了良好的思路。

参考文献：
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