超长初凝自密实抗收缩C 50混凝土在钢管拱桥的应用

施力

（湖北交通工程检测中心有限公司 湖北 武汉 430206）

1 工程概况

找龙坝河特大桥是位于银川至北海高速公路建始（陇里）至恩施（罗针田）段的一座整体式桥梁，主桥中心桩号为 K88+899，起讫桩号：K88+692.800～K89+49.700，全长 356.9m。桥轴线自北东往南西走向，方位角 195°。主桥为上承式钢管混凝土拱，拱跨 225m，矢高 45m。大桥主拱圈断面采用钢管混凝土与钢管组成，主跨钢管 8 根内直径为 1m（图1所示），主跨钢管内全部浇注 C50 自密实微膨胀混凝土，混凝土由两段的底部同时不间断灌入，靠混凝土的自重压实。要求混凝土的坍落度≥245mm，扩展度550～650mm，具有良好的流动性。

2 原材料

2.1 水泥

所用水泥为恩施腾龙 P·O42.5 水泥，其物理性能及化学成分如表1、表2 所示。

表1 水泥物理性能

图1 找龙坝河特大桥布置图

表2 水泥化学成分 %

经砂浆流动度试验，扩展度为 195mm，满足 GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》标准中规定扩展度不小于 180mm 的要求，标准稠度需水量、早期强度均不高，凝结时间正常，细度等各项质量指标均符合标准要求。

2.2 细骨料

洞庭湖产河砂，性能指标见表3。该河砂细度模数略偏小。并在一定的范围内波动，对此需要根据情况进行随机调整配合比的砂率。

表3 河砂质量指标

2.3 粗骨料

因地制宜选择恩施建始沉积石灰岩碎石，有 4.75～9.5mm 和 9.5～26mm 两种规格，性能指标见表4。所用碎石针片状含量、压碎值等指标均符合配制 C50 混凝土的要求。

表4 碎石质量指标

2.4 粉煤灰

粉煤灰是提升自密实混凝土流动性的关键材料，本次自密实微膨胀混凝土选用的粉煤灰为武汉华电产 F 类Ⅰ 级灰，性能指标见表5。各项质量指标符合Ⅰ级灰的GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》标准要求。

2.5 外加剂

中交武港院聚羧酸减水剂，检测结果见表6。减水剂的关键指标的检测见表7。本次检测外加剂的含气量有点偏高，需要在大料（用于生产）中添加万分之0.2的消泡剂，才能将混凝土的含气量降到≤2.6%。

表5 粉煤灰质量指标

表6 减水剂初检结果

由表7 可知，减水剂关键指标检测的结果均符合GB 8076—2008《混凝土外加水剂》标准要求。

2.6 膨胀剂的选择和试验

2.6.1 标准法检测膨胀率

高强度自密实微膨胀混凝土：我们所说的高强度为标准强度达 C50～C60 等级，那么同时具备高强度、自密实、微膨胀这三个条件才具备一个合格的“高强度自密实微膨胀”的混凝土。如何使高粘性、大流动度的混凝土达到不出现收缩并具有微膨胀？通常膨胀剂有三类：硫铝酸钙类、硫铝酸钙＋氧化钙类、氧化钙类，本次试验采取了标准方法测定膨胀剂的膨胀率，选择武汉2# 膨胀剂进行检测，结果见表8，和混凝土同配比砂浆测定膨胀剂不同掺量下的膨胀效果（裂瓶时间），详见表9。

表7 减水剂关键指标

表8 膨胀剂膨胀率要求及实测值

表9 试验分析：利用国家标准 GB/T 23439—2017进行混凝土同配比砂浆测定混凝土膨胀剂的膨胀性能快速模拟试验，是在膨胀剂高掺量（序号 1、2 与序号3、4 样品的掺量分别为 13.6% 和 11.1%）的情况下验证膨胀剂是否有膨胀。而高掺量在混凝土中将会导致强度倒缩，所以快速法只能初步检查膨胀剂的效果。

表9 标准法检测膨胀性能试验结果

2.6.2 混凝土同配比砂浆检测膨胀性能

（1）膨胀剂具有膨胀：利用 600mL 的啤酒瓶来盛装掺膨胀剂的混凝土同配比砂浆，如果瓶子裂开，说明具有膨胀。

（2）混凝土配比中胶凝材料与外加剂的匹配性，有粘性、不扒底、气泡少，砂浆状况良好。

（3）裂瓶时间：裂瓶时间过短膨胀反应过早，混凝土的流动性损失大，不利于施工；裂瓶时间过长，此时的膨胀难以补偿收缩，通过试验选择膨胀剂的合适掺量范围，详见表10。

表10 混凝土同比砂浆检测膨胀性能试验结果

表10 试验分析：序号 4、7 砂浆的状况最佳其掺量为 8.8%，裂瓶时间最短，后续将对膨胀剂每方掺量55kg 掺比 11% 和 45kg 掺比 8.8% 分别进行混凝土工作性，混凝土强度和限制膨胀条件下的强度模拟试验。

膨胀剂的效应对比分析：武汉、新邦膨胀剂的膨胀率两者均无明显的差异，通过表9、表10 试验进行选择膨胀时间适中（裂瓶时间 90～120h）、砂浆工作性最佳的进行膨胀剂上档和下档掺量的混凝土试配，遴选膨胀剂的最佳掺量。

3 配合比设计

3.1 砂率选择

根据河砂的细度模数 2.3～3.0，拟定三个对应细度模数区间的砂率：细度模数 2.3～2.5 的砂率 39%，2.6～2.7 的砂率 41%，2.8～3.0 的砂率 43%。

3.2 配合比试验及施工模拟验证

见表11。

3.3 膨胀剂掺量小结

表11 试验配合比及性能结果

由表11 结果得出，配合比 1# 和 2#，虽然混凝土的流动性很好，但抗压强度出现倒缩和抗压强度增长小。因此剔除这两个配比。

3.4 配合比超长初凝时间对强度增长的影响

通常自密实混凝土的初凝时间在 5～8 小时，其 7天强度均可达到试配强度的 90%，本次最初设计混凝土的初凝时间为 5～8 小时，应施工的需求进行过两次初凝时间的修改，即 8～15 小时和 18～23 小时两次。

3.4.1 初凝 8～15 小时的调整

自密实混凝土对于流动性有着比较高的要求，而且对于含气量也有较为严格的要求，通过“先引后消”即消泡剂和引气剂相应比例双掺，达到低含气量的情况下高流动性的效果。

针对此次施工工艺的特殊性，初凝时间要大于 15小时的情况，缓凝剂的掺配比例，混凝土初凝时间达到15 小时，但 7 天抗压强度不到 40%，14 天后抗压强度才达到 90%。因此需要对配比中增加硅酸盐的比例，适当加速水化反应。

3.4.2 初凝时间≥23 小时配合比参数的确定

（1）膨胀剂的掺量：使用腾龙 P·O42.5 水泥膨胀剂的掺量≤9%（外掺法，占胶材质量的百分比）为最佳掺量，见表12。

（2）水胶比：最佳水胶比为0.3；同时外加剂的掺量超过 1.6% 是应进行外加剂含水量的抵扣。

（3）粗骨料碎石采取小石加中石配合：中石粒径≤20mm，此时小石+中石=20%+80%；中石粒径≤25mm，此时小石+中石=30%+70%。同时碎石的压碎值应≤20。

（4）细骨料河砂及砂率：配比拟定洞庭湖砂。当2.3≤细度模数M≤2.6 时配比砂率取 39%；当 2.6＜细度模数 M≤2.9 时配比砂率取 41%；当2.9＜细度模数M≤3.3 时配比砂率取 43%。

（5）混凝土的含气量：含气量≤2.5%。

（6）混凝土的工作性参数：初始坍落度≥245mm，扩展度≥600mm，4 小时扩展度保持550mm。

（7）混凝土强度：7 天同条件试件强度需达到设计标准强度的 80%～90%（42～46 MPa）；7 天标养试件强度需达到设计标准强度的 85%～95%（43.7～49MPa），28 天强度≥试配强度，标养试件59～62MPa。

表12 最终配合比及强度

4 混凝土生产过程的控制和施工要求

（1）实际混凝土的初凝时间≥23 小时。

（2）混凝土的工作性能满足初始坍落度 260mm，扩展度 630mm；混凝土不泌水、表面不能出现明显的浮浆。

1）6 小时坍落度损失＜4%（250mm）、扩展度损失＜12.6 %。

2）8 小时坍落度＜6%（245mm），扩展度损失＜14.3%（540mm）。

（3）混凝土的容重和含气量实测与设计相符：设计容重 2458kg/m3、实测容重 2410kg/m3；符合含气量小于或等于 2.5% 的要求。

（4）环境温度为0℃ 及0℃ 以下时应避免施工。

1）本自密实混凝土应连续施工的要求，混凝土的初凝时间设计为 18～23 小时，因此，混凝土在初凝时间内是不具备抗冻能力。

2）环境气温0～-2℃，对未初凝的混凝土足以构成冻害。

3）由于找龙坝大桥自密实混凝土没有任何保温、防冻措施，在环境温度≤0℃ 时，初凝时间内和初凝后3～6小时冻融临界强度≤fcu,k的 40% 不具抗冻能力。

（5）环境温度为 1℃ 以上、5℃ 以下时的施工措施。

为避免冬季施工混凝土早期受冻害，宜采取下列措施，确保混凝土拌合物的出机温度不宜低于 10℃，入模温度不应低于 5℃。若施工现场所处的环境温度在1℃ 以上、5℃ 以下，故混凝土的出机温度应＞15℃，混凝土入模温度＞10℃。

1）混凝土用砂、石料应集中备料，并采取有效的防雨、防雪及保温措施。不可露天存放。

2）散装水泥应使用有一定温度的新鲜水泥；外加剂罐置于暖棚内采用棉被包裹保温，并采取防冻措施。

3）当原材料原有温度不能满足混凝土拌合物的出机温度不低于 15℃ 要求时，可首先考虑对拌合用水进行加热，其拌合水加热的具体温度应以水泥、砂、石等原材料实测温度为基础，根据冬季施工热工计算计算公式计算的结果为准。

4）混凝土搅拌前，可先采用热水或蒸汽冲洗搅拌机，且混凝土的搅拌时间应较常温施工延长 50% 左右（搅拌时间不少于 200s）。当拌合水温不超过 45℃时，原材料投料顺序可不讲究。当拌合水温超过 45℃时，应先投入集料和已加热的水，稍加搅拌后再投入水泥、掺合料、外加剂，水泥严禁与 60℃ 以上的热水直接接触，避免假凝。

5）混凝土浇筑停留时间的控制：为了保证混凝土入模温度≥10℃，前场（施工现场）与后场（拌合站）保持联系畅通：前、后场配备温度测试仪并有专人进行温度检测，避免浇筑现场混凝土停留超长，停留时间不得超过 1 小时或根据实际混凝土的温度进行控制。

5 效果

（1）混凝土的初凝时间＞20 小时或≥22 小时。

（2）混凝土的初始坍落度≥245mm、扩展度≥600mm；6 小时坍落度损失＜5%、扩展度＜5%；8小时坍落度＜10、扩展度≥10%。

（3）混凝土的强度需满足原设计要求：7 天同条件试件 45.2～48.2MPa；7 天标养试件 43.0～46MPa ；28 天标养试件 59～62MPa。