钢管混凝土的运用研讨

本文作者：随 灿 王治方 王为林 单位：郑州铁路职业技术学院 中铁七局集团 工程质量检测中心

1工程概况

南水北调蒲山特大桥全桥总长1705m，其结构形式为18×30m+225m+31×30m，主跨为拱肋钢性系杆钢管混凝土下承式桥，桥面高出地面22.6m。主跨拱肋为哑铃型截面的钢管混凝土拱肋，全桥共设三片拱肋，主拱肋为钢管混凝土空间桁架式结构，边拱肋与中心拱肋中心距为17.9m，拱肋中心距系杆中心高度为43.8m，矢跨比为1∶5。拱轴线采用二次抛物线线形，三片拱肋间共设18道风撑，每幅桥各九道，其中每幅桥各两道K撑，以增强拱肋的抗压稳定性，主弦管内灌注C55微膨胀或无收缩混凝土，上平联为钢板箱形，下平联及腹杆为钢管结构。边拱肋的4根主弦钢管直径为1000mm，两上弦钢管间及两下弦钢管间的缀板采用20mm钢板箱联结，腹杆采用D450×10短钢管联结，共同组成空间钢桁架，边拱肋外至外宽2.5m，中心距1.5m。中拱肋为6根主弦钢管，直径为1000mm，拱肋外至外宽4.6m，钢管中心距1.8m。由于本桥每片拱肋灌注混凝土后的自重达3000t左右，混凝土灌注采用顶升法施工，自密实。混凝土一次泵送完毕，根据现场施工时间要求混凝土初凝时间不低于16h，混凝土浇注完毕后由于拱肋的自重要求混凝土快速形成强度，即混凝土施工时要求缓凝、灌注完毕后快速形成强度且快速增长、后期强度稳定增长、微膨胀补偿收缩是本次配合比设计的关键。为达到良好的混凝土自密实效果，入泵坍落度宜控制在210～230mm之间，拌合物扩展度要达到55～65cm，以保证混凝土的流动性好、坍落度损失小。

2自密实纤维钢管混凝土配合比设计

自密实纤维钢管混凝土配合比设计思路为:原材料比对、遴选、确定原材料配合比设计计算混凝土拌合物试拌混凝土拌合物性能试验配合比调整再进行调整后混凝土拌合物试拌混凝土拌合物性能试验配合比调整并满足要求后成型各种试验条件所需试件拆模养护到规定的龄期条件进行各种指标检测归纳总结选出合适配合比现场小试模拟施工模拟施工后的构件检验正式施工施工后的效果检验。通过两种级配碎石、两组份外加剂、两种外掺料、一种聚丙烯单丝纤维等材料应用效果的叠加，解决了钢管混凝土的施工问题，在混凝土中掺加缓凝剂，使初凝时间长达16h，加入聚丙烯单丝纤维，可有效预防钢管混凝土凝结硬化早期产生有害裂缝的问题。

3自密实纤维钢管混凝土配比试验

3.1原材料选择水泥选用河南孟电集团水泥有限公司生产的P•O52.5R早强水泥，初凝时间在2h40min～3h30min之间，3d抗压强度在27～31MPa之间，28d抗压强度在55.0～60.0MPa之间。同时选用华新水泥(襄樊)有限公司生产的P•O52.5水泥和焦作坚固水泥有限公司生产的坚固牌P•O52.5水泥作为备用水泥。砂选用当地的河砂，细度模数2.7～3.0之间，颗粒级配良好。含泥量＜2%，泥块含量＜0.5%，三氧化硫含量为0.01%，坚固性质量损失为2.0%。碎石选用南阳蒲山产，质地坚硬的石灰岩，采用反击破碎、二级破碎工艺生产的碎石，由5～10mm和10～20mm粒级组成5～20mm连续级配碎石。石材饱水抗压强度达120MPa，坚固性质量损失为1.8%，其他各项技术指标满足高强度等级混凝土要求。由于是大流动性高强度等级混凝土，应适当增加碎石在混凝土中的比表面积，即增加4.75～16.50mm颗粒含量。通过不同比例的组合对比，最后选择碎石颗粒比(5～10mm)∶(10～20mm)=60%∶40%的比例组合成5～20mm连续级配碎石。试验结果见表1。粉煤灰选用南阳鸭河口电厂生产的Ⅰ级粉煤灰。采用等量代替水泥法代替部分水泥，以降低单位水泥用量，延缓混凝土凝结时间。该粉煤灰细度试验结果为2.5%，烧失量为3.7%，三氧化硫含量为0.4%，所检指标均符合Ⅰ级粉煤灰的要求。选用郑州永华水泥有限公司生产的高炉矿渣粉，密度为2.93g/cm3，比表面积为372.7m2/kg，A7活性指数为96.1，符合规范要求。在实验室通过对JYU-EA、HT-U、JM-Ⅲ、UEA-H-V等多种膨胀剂的对比试验，UEA-H-V膨胀剂和水泥、减水剂、粉煤灰的适应性最好，确定选用UEA-H-V膨胀剂，UEA-H-V膨胀剂掺量0.8%时，空气中28d限制膨胀率为0.028%，水中21d限制膨胀率为－0.012%;7d抗压强度为27.5MPa，28d抗压强度为45.5MPa。采用江苏产聚丙烯单丝纤维(durafiber杜拉纤维)，每立方米混凝土掺入0.6kg，混凝土专用聚丙烯单丝纤维的物理性能如表2。

3.2配合比设计的组成及实施1)配制强度:根据GJ55—2000《普通混凝土配合比设计规程》以及钢拱混凝土施工工艺要求自密实，因此试配强度需提高10%，以保证拱内混凝土整体达到设计要求;按照JTJ041—2000《公路桥涵施工技术规范》及CECS28∶90《钢管混凝土结构设计与施工规程》，大于C35混凝土标准差选择Q=6.0MPa，即配制强度为(55+1.645×6)×1.1=70.5MPa2)对碎石不同比例组成的连续级配、不同的膨胀剂试拌，通过80多次试拌对比，围绕拌合物的和易性、坍落度、扩展度、坍落度经时损失、凝结时间等物理性能和早期强度抗压、后期强度增长稳定性等力学性能指标进行了综合比对试验。试验结果见表3。

3.3试件配合比的试验结果及其主要技术指标对一系列配合比的早期强度抗压、后期强度增长稳定性等力学性能指标进行了综合比对试验，试验结果见表4。由表4可以看出Q9试样配合比拌合物的物理性能指标和28d抗压强度指标都满足设计要求，拌合物表面无浮浆、无泌水现象，流动性也是最好的，同时经济合理。通过对比试验确定采用Q9配合比设计方案后，又选择不同的水泥厂家进行复核验证，结果都满足本设计要求。

3.4配合比试验结果的分析为了保证混凝土的自密实效果，入泵坍落度宜控制在210～230mm之间，拌合物扩展度要达到550～650mm，为了保证混凝土有较好的流动性、坍落度损失小、设计配合比时采用多种原材料优化组合，使其相互作用产生叠加效应。根据表4试验结果可以判断Q9配合比的原材料组合产生了最佳叠加效应，达到了本次配合比设计的预期目标。优质的Ⅰ级粉煤灰和缓凝高效减水剂互相适应并相溶，减少了单位用水量;代替部分水泥后减少了单位水泥用量，显著降低了混凝土的水化热，延长了混凝土的凝结时间;同时早期水化产物Ca(OH)2与水泥进行二次水化反应，产生的凝胶填充了混凝土内部的毛细管路，增加了混凝土的密实性，使混凝土后期强度均匀增长。膨胀剂在混凝土拌合物的初期与减水剂产生叠加效应减少了单位用水量、在混凝土初凝后吸收混凝土初期析出的水份，产生膨胀效果封堵混凝土内部的毛细管路，使混凝土内部的水分不再析出，为混凝土拌合物中的粉煤灰二次水化反应提供更好的条件，同时与水泥共同生成水泥石，提高了混凝土的密实性，使强度产生了叠加效应。碎石选择小颗粒占多数的比例，增加了碎石在混凝土中的比表面积。众所周知，高强度等级混凝土的浆体强度是相当高的，混凝土试件受压最先受到破坏的往往是较大颗粒碎石，有意识地减少了大颗粒碎石含量就使混凝土内部受力较均匀，提高了荷载能力，同时大流动性混凝土由于砂率较大，在相同坍落度时增加了混凝土的扩展度，提高了混凝土的自密实性。磨细矿渣粉掺入混凝土中能吸收部分Ca(OH)2，产生二次水化反应，从而改善了界面区Ca(OH)2的取向度，降低了Ca(OH)2的含量，还减小了Ca(OH)2晶体的尺寸，不仅有利于混凝土力学性能的提高，还有利于混凝土耐久性的改善;而矿渣粉本身也有一定的减水作用，随着其磨细度的提高，减水作用增强，提高混凝土坍落度，并具有一定的保水作用和良好的混凝土和易性。矿渣粉和粉煤灰复掺一方面可改善混凝土的工作性，同时也可在混凝土强度上有一定的互补作用，弥补单掺粉煤灰早期强度低的不足。以矿渣粉而言，析出的Ca(OH)2可激发粉煤灰的活性，从而促进粉煤灰颗粒中铝、硅的溶解，使水化液相中铝、硅的浓度增加，又可加速矿渣粉的水化过程，各种外掺料都参与水化，当然有早、有晚，有快、有慢，本次配合比经过反复试验，调整出适当比例，再与高效减水剂、膨胀剂、聚丙烯单丝纤维等多掺，其适应性都较好，技术效果都很显著，对混凝土早期、后期强度贡献率都有提高，复掺后共同发挥了两种掺合料的火山灰效应、形态效应和微骨料效应的叠加作用，使混凝土具有良好的可泵性、抗裂性、抗渗性等工作性及使用性能。磨细矿渣粉在混凝土中的掺量，应根据磨细矿渣粉本身的质量来决定，一般S75级为10%～30%、S95级为20%～40%、S105级为30%～50%;矿渣粉对混凝土早期抗裂有影响，在掺量20%～35%时，对混凝土早期3d自收缩影响不大，但对后期收缩则有一定影响;掺量为50%时，对早期和后期的混凝土自收缩均有明显影响，因此，对高强混凝土以控制掺量≤20%为宜。本次选用10%磨细矿渣粉和20%粉煤灰双掺。在钢管混凝土内使用高强混凝土并加入了0.6kg/m3的聚丙烯微细纤维，这种聚丙烯纤维是专为强化混凝土使用的纤维，其成份为百分之百聚丙烯，不吸水，不腐蚀，有耐碱性，混凝土加入杜拉纤维经搅拌后，纤维能在混凝土内平均分布在不同方位及平面，扣紧混凝土混合物，犹如钢筋一般增强拉力，尤其发挥在混合料中拉力较弱的地方，能有效地减少混凝土干缩时所引起的微小裂缝。根据有关单位对杜拉纤维混凝土及普通混凝土进行常规力学测试，并作了劈裂抗拉测试试件破坏的比较，见表5～表9。

3.5混凝土限制膨胀率和自由膨胀率试验方法1)先把纵向限制器放入100mm×100mm×400mm的试模中，然后将混凝土一次装入试模，把试模放在振动台上振动至表面呈现水泥浆、不泛气泡为止，刮去多余的混凝土并抹平。制作好的试件置于温度为(20±2)℃的标准养护室内养护，试件表面用塑料布覆盖，防止水分蒸发。2)混凝土纵向限制膨胀率测试方法:当混凝土抗压强度达到3～5MPa时拆模(一般为成型后12～16h)，测量试件初始长度。混凝土水中养护3d，7d，14d和空气养护28d，42d的纵向限制膨胀率测定依照《混凝土外加剂应用技术规范》(GB50119—2003)之附录B(补偿收缩混凝土的膨胀率及干缩率的测定方法)进行。表10是不同养护条件下各龄期混凝土的限制膨胀率，可见，掺入膨胀剂可使混凝土产生一定的膨胀。

3.6混凝土自由膨胀率试验混凝土自由膨胀率采用100mm×100mm×515mm棱柱体标准试件，在标准养护室养护24h后拆模，立即移入温度(20±2)℃、相对湿度60×(1±5%)的恒温恒湿室，测定其初始长度，然后测定其3d，7d，14d，28d，60d和90d龄期的自由膨胀率(见表11)，没有约束的条件下，膨胀剂在7d龄期可使混凝土产生5.6×10－4的膨胀率。

3.7砂浆的限制膨胀率与Q11混凝土相同配比砂浆的限制膨胀率按JC/T476—2001之附录A进行测定。结果见表12。膨胀砂浆与混凝土有相同的限制膨胀率发展趋势。

3.8混凝土抗氯离子渗透试验1)混凝土氯离子扩散系数试验依照《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(JTG/TB07-01—2006)之附录A(混凝土氯离子扩散系数快速测定的RCM方法)进行。2)混凝土抗氯离子渗透性试验依照《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(JTJ275—2000)之附录B(混凝土抗氯离子渗透性标准试验方法)进行，以3个试件的6h通电量平均值来评定混凝土的抗氯离子渗透性。两组混凝土的抗氯离子渗透试验结果见表13，Q9和Q11的单位面积上氯离子迁移量DRCM值均＜4×10－12m2/s，满足D级防腐的要求。并且，掺入膨胀剂生成的膨胀性钙矾石(C3A•3CaSO4•32H2O，AFt)具有填充、堵塞毛细孔缝的作用，改善了混凝土的孔结构，降低总孔隙率，增加密实性，从而提高了混凝土抗氯离子渗透的耐久性能。

4结语

1)应用P•O52.5水泥，选用UNF-3C缓凝高效减水剂与UEA-H-V膨胀剂复合使用，并加入Ⅰ级粉煤灰、Ⅰ级高炉矿渣粉，聚丙烯单丝纤维，经试配选出的高强高性能纤维钢管混凝土，可以解决泵送顶升过程中，混凝土容易离析、可泵性不强、初凝时间＜16h的施工工艺难题，并满足设计强度要求。2)通过两种外加剂和外掺料相互适应和融合，产生最佳的相互叠加效果，改善了混凝土的性能并减小施工过程中混凝土灌注的难度。3)通过在混凝土中加入聚丙烯单丝纤维与缓凝高效减水剂使其作用效果叠加，利用聚丙烯单丝纤维在混凝土中的乱向分布形式，可以握裹更多的集料，和水泥基料有极强的黏结力。能有效地解决混凝土由于截面过大(直径1000mm4根主弦钢管每根的截面达0.95m2，接近大体积混凝土)，在凝结硬化过程中水化热过大，容易产生早期温度裂纹的问题。4)通过使用UEA-H-V型膨胀剂，并选取最佳掺量，与其他外加剂、外掺料相互作用所产生的效果相互叠加，解决混凝土灌注时需缓凝时间长，早期强度要求提高快，硬化后产生微膨胀作用，混凝土与钢拱不脱粘等一系列问题。