沪通长江大桥水下自密实混凝土工作性能试验研究

翁智财，谢永江，安明喆，刘亚州，刘子科，王月华，何 龙

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081； 3.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

沪通长江大桥主航道桥29号墩采用沉井基础，沉井为钢筋混凝土结构。沉井顶面尺寸为86.9 m×58.7 m，布置24根巨型钢管柱作为群桩基础，钢管柱为圆环形双壁结构，如图1所示。钢管柱外径 10.2 m，内径7.6 m，壁厚1.3 m，长84.7 m，钢管柱轴向对称等分为4个隔仓，沿钢管柱长度方向每隔1.5 m在内外筒壁之间设置1层Z字形分布的斜撑角钢桁架，同时还在斜撑角钢两端的筒壁上分别设置1个宽24 cm的环形加劲钢构环。设计采用导管法在标高-85.0～-5.3 m 区段的钢管柱双壁内灌注水下C40混凝土，每根钢管柱双壁内灌注的水下混凝土方量约 2 830.2 m3。

图1 钢管柱圆环形双壁结构(单位：m)

与传统水下混凝土灌注桩相比，本工程水下混凝土的灌注深度和成桩直径大，且钢管柱双壁内部构造复杂，混凝土灌注阻力大，这就对水下混凝土的工作性能提出了更高的要求。目前，水下灌注桩通常采用强度等级C25～C35的大流态混凝土，其设计强度等级较低、工作性能一般，坍落度基本在180～220 mm，难以满足工程的施工要求。而自密实混凝土具有优异的流动性能以及间隙通过性[1]，在灌注过程中仅依靠自重无需任何外力即可填充模腔密实成型[2]，正好可以解决混凝土水下灌注施工时流动填充性能差的难题。自密实混凝土拌和物通过外加剂、胶凝材料和粗细骨料的合理搭配，使自身屈服剪切应力减小到适宜范围，同时又具有足够的塑性黏度，从而形成密实且均匀的结构[3]。研究表明[4-7]：砂率、粉体含量、胶凝材料用量、粉煤灰掺量等配合比参数对自密实混凝土工作性能有显著影响，但是影响规律并不统一。为使拌和物具有优异的工作性能，自密实混凝土通常采用高胶凝材料用量和低骨料用量的制备思路，这将显著降低混凝土的体积稳定性，增加大体积混凝土结构的收缩开裂风险。

为此，本文结合沪通长江大桥钢管柱双壁水下混凝土工程，开展低胶凝材料用量、高体积稳定性的自密实混凝土制备技术研究。通过流动性试验、间隙通过性试验、流变性能试验和灰色关联度分析，研究水胶比、胶凝材料用量、砂率、粉煤灰掺量等因素变化对自密实混凝土工作性能的影响，对比分析获得各参数最佳范围，最终确定最优混凝土配合比，为沪通长江大桥钢管柱双壁水下混凝土的制备提供参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥为张家港生产的P.Ⅱ 52.5水泥，粉煤灰采用镇江生产的I级粉煤灰；细骨料采用江西赣江Ⅱ区中砂，细度模数为2.9，含泥量为1.2%(质量分数)；粗骨料采用江西彭泽生产的5～10,10～20 mm两级配碎石(按3∶7质量比例组成)，压碎值为8%(质量分数)，含泥量为0.2%(质量分数)，表观密度为2.74 g/cm3，紧密空隙率为38%；减水剂采用南京生产的ART-JR缓凝型聚羧酸系高性能减水剂，减水率为29%，坍落度1 h 经时变化为30 mm；原材料性能指标满足TB/T 3275—2018《铁路混凝土》相关规定。

1.2 配合比

配合比按照JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》，采用绝对体积法进行自密实混凝土配合比设计，试验研究了水胶比、胶凝材料用量、砂率和粉煤灰掺量等因素对混凝土工作性能的影响，具体配合比见表1。设计混凝土配合比时，为保证混凝土具有较好的工作性能，通过调整减水剂用量，将混凝土坍落扩展度控制在(650±20)mm，含气量控制在2.5%～4.0%。

表1 混凝土配合比

注：W0.32表示水胶比0.32；B380表示胶凝材料用量为380 kg/m3； SR44表示砂率为44%；FA05表示粉煤灰掺量为5%，其余类推。

1.3 试验方法

1.3.1 流动性试验

采用坍落扩展度、坍落扩展时间(T500)、倒置坍落度筒排空时间和V形漏斗流出时间评价自密实混凝土的流动性，试验方法按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》执行。

1.3.2 间隙通过性试验

采用J环障碍高差评价自密实混凝土的间隙通过性，试验方法按照 Q/CR 596—2017《高速铁路CRTS Ⅲ型板式无砟轨道自密实混凝土》执行。

1.3.3 流变性能试验

采用塑性黏度和屈服应力表征自密实混凝土的流变行为。采用丹麦Germann仪器厂生产的RHM-3000 ICAR同轴圆筒流变仪测定自密实混凝土的流变参数。具体参数见表2,测试装置如图2所示。

2 试验结果与分析

2.1 水胶比的影响

水胶比对工作性能的影响见图3。

图3 水胶比对工作性能的影响

由图3(a)可知：在胶凝材料用量和砂率一定的情况下，倒置坍落度筒排空时间、T500和V形漏斗流出时间均随着水胶比的增大逐渐减低，三者在水胶比为0.32～0.36时下降速度较快，水胶比为0.36～0.40时下降速度变缓。水胶比为0.32时，T500为8.6 s;水胶比分别为0.36，0.40时，T500分别降至5.4，3.5 s，降低幅度分别为37.2%，59.3%。水胶比为0.32时，倒置坍落度筒排空时间为10.8 s;水胶比分别为0.36，0.40时，排空时间分别降至3.4，2.8 s，降低幅度分别为68.5%，74.1%。水胶比为0.32时，V形漏斗流出时间为118 s;水胶比分别为0.36，0.40时,流出时间分别降至27，16 s，降低幅度分别为77.1%，86.4%。可以看出，当水胶比超过0.36后，混凝土开始具有较好的流动性。

由图3(b)可知：随着水胶比的增加，J环障碍高差整体上变化不大，在20～27 mm波动。J环障碍高差较小，混凝土具有良好的间隙通过性。

由图3(c)可知：混凝土的塑性黏度随着水胶比的增大先减小而后稍有增大，水胶比在0.32～0.36时塑性黏度下降速度较快，水胶比在0.36～0.40时塑性黏度稍增大；水胶比为0.32时塑性黏度为215.7 Pa·s，水胶比为0.36，0.40时塑性黏度分别为102.5，112.2 Pa·s，降低幅度分别为52.5%，48.0%。当水胶比增大时混凝土的流动性逐渐改善。这是因为在一定的范围内，水胶比越大混凝土单位体积的用水量越大，浆体稠度越小，胶凝材料颗粒间的摩擦力减小，浆体的流动性增大。同时可以看出，混凝土的屈服应力随着水胶比的增大逐渐增大，水胶比在0.32～0.38时增幅较小，超过0.38后屈服应力陡然增大；水胶比为0.32时屈服应力为18.5 Pa，水胶比为0.38和0.40时屈服应力分别为72.8，270.4 Pa，提高幅度分别为293.5%，1 361.6%。水胶比越大，屈服应力越高。这可能是由于体系中的减水剂掺量减小所致。随着水胶比的增加，虽然混凝土单位体积的用水量稍有增加，但减水剂掺量减小对体系屈服应力的影响更大。减水剂对水泥和粉煤灰具有强烈的吸附作用，在粉体颗粒表面形成表面活性剂聚集层并产生分散及润滑作用，有助于释放出被粉体颗粒束缚的水，增加体系中的自由水含量，从而降低体系屈服应力[8]。减水剂掺量减少必然增加混凝土的屈服应力。

综上所述，在胶凝材料用量和砂率一定的情况下，水胶比在0.36～0.38时混凝土的屈服应力和塑性黏度较小，具有优异的流动性和间隙通过性。

2.2 胶凝材料用量的影响

胶凝材料用量对工作性能的影响见图4。

图4 胶凝材料用量对工作性能的影响

由图4(a)可知：①在水胶比和砂率一定的情况下，T500和倒置坍落度筒排空时间均随着胶凝材料用量的增加逐渐减小，两者均在胶凝材料用量为380～400 kg/m3时下降较快，超过400 kg/m3后，两者下降均逐渐减缓。胶凝材料用量为380 kg/m3时T500为9.7 s，胶凝材料用量为400，440，480 kg/m3时T500分别降至6.5，5.8，3.8 s，降低幅度分别为33.0%，40.2%，60.8%；胶凝材料用量为380 kg/m3时，倒置坍落度筒排空时间为9.9 s，胶凝材料用量为400，440，480 kg/m3时，倒置坍落度筒排空时间分别降至5.3，3.9，2.3 s，降低幅度分别为46.5%，60.6%，76.8%。②V形漏斗流出时间随着胶凝材料用量的增加逐渐减小。在胶凝材料用量为400～440 kg/m3时流出时间减小显著，超过440 kg/m3后流出时间变化不大。胶凝材料用量为380 kg/m3时流出时间为105 s，胶凝材料用量为440，480 kg/m3时流出时间分别减小至32，16 s，减小幅度分别为69.5%，84.8%。可以看出，当胶凝材料用量超过440 kg/m3后，混凝土开始具有较好的流动性。

由图4(b)可知：J环障碍高差随着胶凝材料用量的增加先略微增大而后减小。当胶凝材料用量为380 kg/m3时J环障碍高差为32 mm，当胶凝材料用量为400 kg/m3时障碍高差达到最大值33 mm，提高幅度为3.1%。胶凝材料用量继续增大，障碍高差逐渐减小。胶凝材料用量为440，480 kg/m3时，障碍高差分别降至31，20 mm，相较于胶凝材料用量380 kg/m3时障碍高差降低幅度分别为3.1%，37.5%。可以看出，胶凝材料用量超过440 kg/m3后混凝土开始具有较好的间隙通过性。胶凝材料用量增加时混凝土的间隙通过性逐渐改善，这是因为胶凝材料用量越高，砂浆的变形能力越大，使得混凝土通过J环等狭窄空间时砂浆具有足够的变形能力以承受粗骨料重新分布过程中障碍物的阻挡和剪切作用。

由图4(c)可知：①混凝土塑性黏度随胶凝材料用量的增加呈逐渐降低的趋势。胶凝材料用量为458～480 kg/m3时塑性黏度变化趋于平稳。②混凝土屈服应力随着胶凝材料用量的增加整体上呈线性减小的趋势。

混凝土的工作性能随胶凝材料用量的增加逐渐改善。这是因为在砂浆和粗骨料组成的两相复合材料体系中，胶凝材料用量越高，单位体积混凝土中砂浆含量越高，则粗骨料含量越低，粗骨料周围被较多砂浆包裹，相邻粗骨料之间的砂浆层变厚，相邻粗骨料之间的间距也变大，拌和物体系内部粗骨料之间不易存在颗粒之间的摩擦和互锁作用，屈服应力减小。在自重的作用下，拌和物较易产生流动和发生变形[9]，工作性能改善，这也与随胶凝材料用量的增加混凝土的J环障碍高差、塑性黏度和屈服应力不断减小的试验结果相一致。

在水胶比和砂率一定的情况下，胶凝材料用量在440～480 kg/m3变化时，混凝土的屈服应力和塑性黏度较小，具有良好的流动性和间隙通过性。

2.3 砂率的影响

砂率对混凝土工作性能的影响见图5。

图5 砂率对工作性能的影响

由图5(a)可知：①在胶凝材料用量和水胶比一定的情况下，T500随着砂率的增大先增大后减小再增大。砂率为44%时T500为5.2 s，砂率为48%时T500达到最大值6.5 s，提高幅度达25.0%。砂率为52%时T500降至最小值5.0 s，相较于砂率44%时T500降低幅度为3.8%。随着砂率的增大T500开始增大，砂率为54%时T500可达6.5 s，相较于砂率44%时T500提高幅度达到25%。②倒置坍落度筒排空时间随着砂率的增大先减小后增大。砂率为44%时排空时间为4.5 s，砂率为50%时排空时间达到最小值3.4 s，降低幅度为24.4%。砂率继续增大时排空时间开始增大，砂率为54%时排空时间为4.7 s，相较于砂率44%时排空时间增大幅度为4.4%。③V形漏斗流出时间随着砂率的增大先减小而后略有增大。砂率为44%时流出时间为48 s，砂率为52%时流出时间缩短至最小值25 s，降低幅度达47.9%。砂率继续增大时流出时间略有增大，砂率为54%时流出时间为27 s，相较于砂率52%时的流出时间增加了2 s。

由图5(b)可知：J环障碍高差随着砂率的增加先增大后减小。砂率为44%时J环障碍高差为26 mm，砂率为46%时障碍高差达到最大值28 mm，提高幅度为7.7%。砂率继续增大时障碍高差开始减小。砂率为50%，54%时，障碍高差分别降至25，22 mm，相较于砂率46%时障碍高差降低幅度分别为10.7%，21.4%。砂率在46%～54%时砂率越大粗骨料含量越小，新拌混凝土的间隙通过性越好，表现为J环障碍高差越小。

由图5(c)可知：①混凝土的塑性黏度随着砂率的增加先减小后增大。砂率为44%时塑性黏度为120.8 Pa·s，砂率为48%时塑性黏度达到最小值98.7 Pa·s，降低幅度达18.3%。砂率继续增大时塑性黏度开始增大。砂率为50%，54%时塑性黏度分别为102.5，118.2 Pa·s，相较于砂率44%时塑性黏度降低幅度分别为15.1%，2.2%。②混凝土的屈服应力随着砂率的增大呈线性增大趋势。砂率越大粗细骨料的总表面积越大，浆体含量一定时骨料表面的浆体层厚度减小，骨料之间的相互摩擦力导致屈服应力逐渐增大[10]。

随着砂率的增大，混凝土的流动性先逐渐改善而后稍有劣化。这是因为在一定范围内砂率越大粗骨料含量越小，固体颗粒之间的摩擦和碰撞减少，流动性改善，表现为T500、倒置坍落度筒排空时间、V形漏斗流出时间和塑性黏度均有所减小。随着砂率的继续增大，T500、倒置坍落度筒排空时间、V形漏斗流出时间和塑性黏度均有所增加。这是因为砂子的比表面积比粗骨料大，骨料体积含量一定时砂率越大粗细骨料的总表面积越大，浆体含量一定时包裹骨料的浆体层厚度变薄，润滑度下降，新拌混凝土的流动性反而会略有下降。砂率过大或过小都将引起塑性黏度增大，流动性降低，因此，合理选择砂率是自密实混凝土配制成功的关键，建议最佳砂率取50%。

2.4 粉煤灰掺量的影响

粉煤灰掺量对工作性能的影响见图6。

图6 粉煤灰掺量对工作性能的影响

由图6(a)可知：①在胶凝材料用量、水胶比和砂率一定的情况下，T500随着粉煤灰掺量的增加先减小后增大再减小。粉煤灰掺量为0时T500为6.0 s，掺量为25%时T500降至最小值4.9 s，降低幅度为18.3%。掺量为35%时T500达到最大值5.4 s，相较于掺量为0时T500值降低幅度为10.0%。粉煤灰掺量继续增大时T500开始减小。掺量为45%时T500降至4.3 s，相较于掺量为0时T500值降低幅度可达28.3%。②倒置坍落度筒排空时间和V形漏斗流出时间均随着粉煤灰掺量的增加而减小。粉煤灰掺量在5%～35%时V形漏斗流出时间减小趋势变缓，但掺量超过35%后流出时间又迅速减小。粉煤灰掺量为0时V形漏斗流出时间为33.5 s，掺量为35%，45%时流出时间分别降至27，22 s，降低幅度分别为19.4%，34.3%。粉煤灰掺量为0时倒置坍落度筒排空时间为4.3 s，掺量为35%,45%时流出时间分别降至3.4，2.6 s，降低幅度分别为20.9%，39.5%。可以看出，当粉煤灰掺量超过35%后混凝土具有较好的流动性。

由图6(b)可知：J环障碍高差随着粉煤灰掺量的增加逐渐减小。粉煤灰掺量为0时J环障碍高差为32 mm，掺量为35%，45%时障碍高差分别降至25，24 mm，降低幅度分别为21.9%，25%，表明粉煤灰掺量越高，新拌混凝土的间隙通过性越好。

由图6(c)可知：①混凝土的塑性黏度随着粉煤灰掺量的增加先减小而后略有增大。当粉煤灰掺量为0时塑性黏度为169 Pa·s，掺量为35%时塑性黏度降至102.5 Pa·s，降低幅度可达39.3%。粉煤灰掺量继续增加时塑性黏度略有增大。粉煤灰掺量为45%时塑性黏度为105.7 Pa·s，相较于掺量为35%时塑性黏度增加了3.2 Pa·s。②混凝土的屈服应力随着粉煤灰掺量的增加呈线性减小的趋势。

随着粉煤灰掺量逐渐增大，混凝土工作性能逐渐改善。这是因为：①粉煤灰的密度较小，粉煤灰等量取代水泥时，随着掺量的增加浆体体积会增加，提高了骨料颗粒间的浆体厚度，有效降低了粗骨料间的摩擦，有利于改善新拌混凝土的流动性；②粉煤灰具有微骨料效应，粉煤灰中微细颗粒可以填充混凝土中的空隙并且将空隙中的填充水置换出来；③粉煤灰具有良好的形态效应，球状颗粒能起到一定的滚珠润滑作用，使混凝土的流动性得到改善[11]。这也与随粉煤灰掺量的增加混凝土的J环障碍高差、塑性黏度和屈服应力逐渐减小的试验结果相一致。

在胶凝材料用量、水胶比和砂率一定的情况下，当粉煤灰掺量在35%～45%时，混凝土屈服应力和塑性黏度较小，具有较好的流动性及间隙通过性。

2.5 最优配合比

综合考虑水胶比、胶凝材料用量、砂率、粉煤灰掺量等因素对混凝土工作性能的影响，本文提出最优的混凝土配合比，见表3。

表3 最优的混凝土配合比

2.6 工作性能试验的灰色关联度分析

1)配合比参数对工作性能的影响程度

采用灰色关联分析方法[12]分析了不同工作性能评价指标与配合比参数的灰色关联度，见表4。

表4 不同工作性能评价指标与配合比参数的灰色关联度

根据表4可以得到不同配合比参数对工作性能评价指标影响程度排序，见表5。

表5 配合比参数对工作性能评价指标影响程度排序

由表5可知：胶凝材料用量和水胶比是影响混凝土工作性能的主要因素，而砂率和粉煤灰掺量对混凝土工作性能的影响相对较小。

2)流动性评价指标的敏感程度

同样通过灰色关联分析方法分析了不同流动性评价指标与配合比参数的灰色关联度，见表6。

表6 不同流动性评价指标与配合比参数的灰色关联度

由表6可知：混凝土不同流动性评价指标与配合比参数的灰色关联度排序为V形漏斗流出时间>T500>倒置坍落度筒排空时间，即混凝土流动性对V形漏斗流出时间最为敏感，对T500和倒置坍落度筒排空时间的敏感性差别不大。

3 结论

本文通过流动性试验、间隙通过性试验和流变性能试验和灰色关联度分析，研究了水胶比、胶凝材料用量、砂率和粉煤灰掺量对自密实混凝土工作性能的影响，得出的主要结论如下：

1)当水胶比在0.36～0.38，胶凝材料用量在440～480 kg/m3，砂率为50%，粉煤灰掺量在35%～45%时，混凝土的屈服应力和塑性黏度较小，流动性及间隙通过性较为优异，综合分析确定了最优的混凝土配合比。

2)胶凝材料用量和水胶比是影响混凝土工作性能的主要因素，而砂率和粉煤灰掺量对混凝土工作性能的影响相对较小；混凝土流动性对V形漏斗流出时间最为敏感，对T500和倒置坍落度筒排空时间的敏感性差别不大。

3)提出了低胶凝材料用量、高体积稳定性的水下自密实混凝土制备方法，为沪通长江大桥及同类超大深水基础复杂结构工程水下自密实混凝土的制备提供了试验和理论依据。