混合料组成设计对高性能钢管混凝土的影响

摘要： 高性能混凝土采用常规材料和工艺生产，具有混凝土结构所要求各项力学性能，具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性的混凝土，可用于钢管拱桥填充钢管。本文利用正交设计的“均匀分散，齐整可比”对高性能混凝土材料组成进行探索。

Abstract： High-performance concrete is a kind of concrete which uses conventional materials and processes of production， have every required mechanical properties of concrete structure， high durability， high resistance and high dimensional stability. It can be used to steel pipe arch bridge to fill steel pipe. This paper explores the high-performance concrete material composition by using "uniformly dispersed， neat comparable" features of the orthogonal design.

关键词： 钢管混凝土；配合比；正交设计

Key words： steel pipe concrete；mixing ratio；orthogonal design

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）08-0125-03

1 高性能钢管混凝土概述

钢管混凝土拱桥是我国近年来桥梁建筑发展的新技术，具有自重轻、强度大、抗变形能力强的优点，它比较好地解决了修建桥梁所需求的用料省、安装重量轻、施工简便、承重能力大的诸多矛盾，是大跨度拱桥的一种比较理想的结构形式。1990年在四川旺苍建成了跨度115m的国内第一座钢管混凝土拱桥以来，发展迅猛，短短几年之问，全国各地相继建成的钢管混凝土拱桥约100座。

钢管混凝土是由混凝土填入钢管内而形成的组合结构，它介于钢结构和钢筋混凝土结构之间的一种新型结构。它的基本原理是：①借助内填混凝土增强钢管壁的稳定性；②钢管对核心混凝土的约束作用，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变形能力。通过二者的组合，充分发挥两种材料的优点，使承载力得以提高。为使钢管混凝土能够发挥强度高、重量轻、塑性好、耐疲劳、耐冲击、易于施工等优点，必须使用高性能混凝土对钢管进行填充[1]。

2 材料

混凝土由水泥、水、砂、粗骨料组成，钢管混凝土一般还要添加矿质超细粉如磨细矿渣粉和高性能减水剂、膨胀剂等成分。由于新拌混凝土的流动性受到水泥浆的性能、骨料的特性、数量和尺寸的影响；而硬化混凝土的性能主要是强度特性和耐久性。混凝土的强度，受骨料、水泥石或界面的强度影响很大、耐久性也受骨料下面数微米处界面的影响[2]。

2.1 水泥 水泥的性能取接于水泥矿物组成和颗粒级配，对一般钢管高性能混凝土主要是选择硅酸盐水泥。我们对昆明水泥厂及云南水泥厂生产的熟料、水泥进行了比较，两种水泥均为旋窑生产，质量稳定、水泥熟料的化学成分、矿物组成及水泥物理力学性质试验结果分别列于表1。

表1中，C3S含量约60%、C2S含量约8～18%、C3A约8%、C4AF约12%，这样的矿物组成有利于强度的形成。另外，水泥是由诸多级配的水泥颗粒组成的，水泥颗粒级配的结构对水泥的水化硬化速度、需水量、和易性、放热速度、特别是对强度有很大的影响。用本地熟料生产的普通硅酸盐水泥可以满足要求。

2.2 矿物掺合料 矿物掺合料是高性能混凝土的组成材之一，是改善新拌混凝土的工作性能以及提高硬化混凝土的耐久性能的重要措施。当前，应用较多掺合料主要是磨细矿渣、粉煤灰、硅灰及其复合物等[3]。

2.3 外加剂 高性能减水剂是高性能混凝土中的一种重要组成部分，随着混凝土技术的发展，对混凝土耐久性越来越重视，而耐久性的提高，混凝土的水胶比往往需要降低，但混凝土的流动性仍要求满足泵送施工要求，因此减水剂除要求具有高的减水效果外，还需要能控制混凝土的塌落度损失，而一般的高效减水剂往往达不到要求[4]。

2.4 膨胀剂 生威UEA膨胀剂是由硫铝酸钙熟料或硫铝酸熟料、天然明矶石和石膏共同粉磨而成的硫铝酸盐类膨胀剂。掺UEA的混凝土膨胀率随其掺量的增加而提高。在UEA-I掺量为8～14%时，限制膨胀率为（2～6）×10-4，相应的自应力值为0.2～0.8MPa。掺UEA-I的混凝土，在水中养护14天后置子相对湿度为50%的空气中的干缩值比普通混凝土的低30%～40%。当UEA-I掺量增加到25%～30%时，可配制自应力混凝土[5]。

2.5 骨料 粗骨料的颗粒形状及其表面织构（表而的光滑和粗糙程度）是影响新拌混凝土工作性的主要因素；对粗骨料而言，由于它还与机械咬合力有关，因此粗骨料的表而织构不仅影响新拌混凝土的工作性，还影响硬化混凝土的力学性能。理想的骨料应是表而比较光滑、颗粒外形近于球形且粗砂的颗粒级配适当。鉴于石灰岩碎石在云南有广泛的分布，课题选择了昆明昌泰石厂的石灰岩碎石及石灰岩制成的碎石作为骨料压碎值≤10%、针片状含量≤2%，该材料满足钢管混凝土要求。

砂的质量主要影响混凝土的用水量，从而影响混凝土拌和物的工作性。砂应选用质地坚硬、颗粒形状近似于球形、级配良好、洁净的天然河砂或人工砂，含泥量不应大于1.0%。配制C50及以上等级的混凝土时，含泥量不宜大于1.0%，应严格控制泥块含量，其他指标应满足《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》的规定。

砂子的细度模数不宜小于2.8，尤其当石子级配较差时砂子以偏粗为好。试验证明，砂子细度模数约等于3.0时，混凝土的工作性最好，抗压强度最高。应严格控制砂中粉细颗粒的含量和石子的含泥量，并限制粒径4.75mm以上和0.30mm以下的颗粒含量，其中0.6mm筛的累计筛余应大于70%，0.30mm筛的累计筛余为85%～95.0%而0.15mm的累计筛余应大于98%。

3 钢管混凝土配合比试验的正交设计

高性能混凝土的性能指标与掺加材料之间不是简单的线性关系。在多因素影响下，很难找到混凝土性能随外掺材料性能的不同和掺量的改变而变化的规律。采用正交试验的规格化表格（正交表）安排多因素试验，在理论上和应用中已经被证明是一种科学的方法。其优点是从多种试验条件中，选出有代表性的几个试验，通过这些试验，获得比较多的信息资料，然后对试验结果进行统计分析，从而得到最优或较优的试验方案[6]。

工作性优良的钢管高强膨胀混凝土初始坍落度一般宜控制在200-240mm，倒塌流下时间宜控制的-158，扩展度宜控制在550-700mm；2h后坍落度宜在180mm以上。为实际工程混凝土的工作性能设计与配制提供了依据。

3.1 试验指标的确定 主拱肋是大桥的主要承重结构，管内混凝土的配合比设计除要求高强、早强以及良好的可泵性外，还须特别考虑混凝土的自密性和收缩性。海口大桥钢管混凝土的具体性能指标要求如下：①钢管混凝土的设计强度为C50，3d强度须达到设计强度的80%。②混凝土具有良好的可泵性，即坍落度大、和易性好、不泌水、不离析、自密性好，设计要求坍落度在20cm；扩展度60cm。③混凝土具有补偿收缩性，其自由膨胀率为0.02%-0.04%，自应力为0.6-1.5MPa。

3.2 制定因素水平表 通过试验，摸清在不同水灰比和砂率的情况下，矿掺料、膨胀剂的掺量对新拌混凝土的性能（以坍落度的大小表示优劣）和硬化混凝土强度的影响，确定矿掺料、膨胀剂、水灰比、砂率的最佳搭配。考核指标为坍落度和28天抗压强度。

在因素水平的确定中，一般选取对试验结果有直接、内在、必然影响的可控因素作为考察因素。根据以有的经验和资料，选择水灰比、粉煤灰掺率及减水剂作为考察因素。该试验采用了三个试验位级（水平）。因素水平表见表8。混凝土试验配合比见表9。

3.3 混凝土配合比试验程序与试验结果 根据设计的位级数，选用同位级正交表中的L9（34）正交表，在正交表中对应位置安排好因素和位级，形成了配合比试验计划表，见表10。试验中不允许随意更改试验计划，对每组试验均随机进行，准确记录试验结果。试验结果见表10。

4 试验结果分析

4.1 试验数据的极差分析 按正交试验结果，分别算出各相应水平的三次试验结果之和和平均强度及极差R，计算结果见表10。

将各因素的极差分析结果绘成趋势图如图1～图3。各因素对坍落度的影响趋势如图1所示，各因素对混凝土R3强度的影响趋势如图2所示，各因素对混凝土R28强度的影响趋势如图3所示。

从极差计算结果和趋势图可以直观看出，对于混凝土的坍落度，因素的影响顺序为：水灰比A-减水剂C-粉煤灰B-空列（误差）D；对于混凝土R3抗压强度，因素的影响顺序为：水灰比A-粉煤灰B-空列（误差）D-减水剂C；对于混凝土R28抗压强度，因素的影响顺序为：水灰比A-粉煤灰B-空列（误差）D-减水剂C。

4.2 试验数据的方差分析 方差计算结果可知，对混凝土拌和物坍落度的影响主要来自水灰比A和减水剂C，其次是粉煤灰B，并随着它们掺量的增加坍落度也相应增大，影响非常显著。对混凝土3d强度的影响主要来自水灰比A，有一定影响，粉煤灰B和减水剂C影响不明显。混凝土R28天的强度，水灰比A、粉煤灰B、减水剂C影响不明显。因此，方差分析结果与直观分析结果基本上一致。

5 混凝土初始配合比的确定

通过上述对试验结果的直观分析和方差分析，对于混凝土的考核指标坍落度A，从表8，9和趋势图可以看出，取水平2、水平3都能满足混凝土泵送要求，从设计要求和混凝土强度来看，取水平2较为合适，水灰比取0.38；对考核指标粉煤灰B从表8，9和趋势图可以看出，水平1、2都满足设计要求，考虑到粉煤灰的早期强度增涨较慢，粉煤灰掺量太多，会影响混凝土的3d强度，取水平1，即粉煤灰掺量取15%（水泥重量的）；对于考核指标减水剂C从表8，9和趋势图及方差分析，随着减水剂的掺量不断增加，混凝土的坍落度、3d强度和28d强度都随着增长，因此减水剂C取水平3，即取2.6%（混凝土重量的）。通过上述分析，因此，最终方案确定为A2B1C3，具体如下：W：C：SW：RW：砂：碎石=180：450：50：15：699：935。

用上述确定的试验条件进行配合比试验，以检验其指标是否稳定、可靠，试验结果其指标基本在预期范围内。

6 微膨胀高性能混凝土配合比的确定

在确定高性能普通粉煤灰混凝土配合比的基础上，通过掺加膨胀剂（8%-12%），进行高性能微膨胀混凝土的试配。

膨胀剂的掺量：设计要求的混凝土单向膨胀率为0.02%～0.1%，在保持坍落度、水灰比、减水剂掺量不变的情况下，随着内掺HEA-E型膨胀剂的增加，混凝土的限制膨胀率增加，混凝土强度下降，而坍落度损失增大，所以根据工程设计要求，经过试验，选择合适的膨胀剂掺量是极其重要的。

钢管拱桥混凝土一般都是在限制条件下膨胀，如果膨胀值小，钢管中混凝土会与钢管间产生空隙，受力下降，达不到设计要求；如膨胀过大，则在钢管内部形成很大的自应力，就会破坏混凝土的内部结构。因此，膨胀混凝土应有一个宜于控制的较大的膨胀值范围。根据成功的事例证明，认为钢管混凝土设计微应力时，膨胀混凝土限制膨胀率28d控制在（2-6）×10-4的膨胀值是合理的。

参考文献：

[1]胡曙光，丁庆军.钢管混凝土[M].人民交通出版社，2007.

[2]CECS207：2006.高性能混凝土应用技术规程[S].

[3]GB/T 18736-2002.高强高性能混凝土用矿物外加剂[S].

[4]GB 50119-2003.混凝土外加剂应用技术规范[S].

[5]GB 23429-2009.混凝土膨胀剂[S].

[6] Montgomery，D.C，傅钰生等译，实验设计与分析（第六版）[M].人民邮电出版社，2009.