C50自密实微膨胀混凝土在S377钢管拱桥上的探索

雷玲香，李玉梅

(广东水电二局股份有限公司，广东 广州 511340)

1 项目概况

北江(曲江乌石至三水河口)航道扩能升级工程省道S377特大桥位于广东清远清城区境内，是广东省内在建的单孔跨度最大的钢管混凝土拱桥，主桥主拱跨度160 m。拱肋为钢管混凝土组成的桁架梁结构，截面高3.2 m，肋宽1.95 m。拱肋上、下各两根750×14(16) mm钢弦管，管内灌C50自密实补偿收缩混凝土。弦管通过横联钢管(500×12 mm)和竖向钢腹管(351×10 mm)连接构成钢管混凝土桁架梁。

2 C50混凝土初始配合比设计

初始配合比设计主要依据单位用水量、水胶比和砂率三个基本参数进行。根据《自密实混凝土应用技术规程》(JGJ/T 283-2012)[1]和《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55-2011)[2]得到初始配比，见表1。

表1 实验室混凝土初始配合比 单位：kg·m-3

根据初始配合比制备混凝土，其工作性能和力学强度见表2。

表2 C50混凝土实验室初始配合比的工作性能和力学强度

从表2可以看出，C50钢管混凝土初始流动状态良好，龄期强度等级达标，但3 h后混凝土的坍损较大，说明混凝土的自密实性能和保塑性能均需得到进一步的提升，确保钢管混凝土易于泵送灌注。需要适当调整胶凝材料用量、矿物掺和料、水胶比、砂率等参数，从而满足C50钢管自密实混凝土施工要求。

3 C50自密实钢管混凝土的力学性能和工作性能的优化设计

S377特大桥C50钢管混凝土为免振捣自密实混凝土，泵送顶升灌注时不需捣固而密实，因此，要求混凝土在顶升灌注过程中保持良好的塑性，在施工完毕前，混凝土不能初凝，具有不离析、不泌水、和易性好、粘聚性好、自密实免振捣特性。

3.1 水胶比对钢管混凝土工作性能及强度的影响

控制胶凝材料用量为530 kg/m3，减水剂量为1.8%，砂率为40%，研究了0.28、0.29、0.3、0.31、0.32五种水胶比对C50混凝土的工作性能和强度的影响。试验结果见图1。

由图1可知：混凝土的坍落度和扩展度与水胶比呈正效应，但随水胶比增加，坍扩度增加量减少；7、28 d抗压强度值随水胶比的增大，先增大后明显降低。

图1 水胶比对钢管混凝土工作性能及强度的影响

在控制砂率、胶材等参数恒定的情况下，水胶比增加，其用水量增加，混凝土流动性越好；但同时胶凝材料减少，从图1可看出后期强度有明显降低；当水胶比=0.31时，混凝土会离析，碎石出现包裹性问题；当水胶比=0.32时，离析现象更严重，混凝土中因水占据的空间体积变大，降低了混凝土的粘聚性，包裹性变差。

当水胶比增大，单位用水量越多，超过水泥水化的多余水分也就越多，；当水胶比=0.31时，水分在水泥硬化后蒸发，在水泥-石集料结构的界面过度区形成大量的孔隙；同时由于离析泌水作用，混凝土胶凝作用降低，导致混凝土的密实度变差，强度变低。

综合水胶比对混凝土工作性能和强度的影响，选择水胶比为0.3，混凝土的工作性能好，强度等级也可以达到要求。

3.2 胶凝材料用量对钢管混凝土工作性能及强度的影响

控制砂率为40%，减水剂量为1.8%，水胶比为0.3。需适当增加胶凝材料用量来增加混凝土强度，故研究了胶凝材料用量分别为530、540、550、560 kg/m3对C50混凝土的强度和工作性能的影响，试验结果见图2。

图2 胶凝材料对钢管混凝土工作性能及强度的影响

由图2可知，随着胶凝材料用量的增加，混凝土的坍落度和扩展度基本呈现增加的趋势，适量的浆体量能很好地包裹骨料，起到润滑作用，使混凝土流动度大；浆体量过大，可造成混凝土离析泌水，包裹性和密实性能变差。胶材变多使其胶凝作用变强，混凝土粘度增大，抗离析性能变好，碎石包裹性变好，但会造成混凝土泵送压力大、泵送效率低，甚至造成堵管。胶材增加也会带来水化热高、收缩大等不良影响。

同时增大胶凝材料用量可使混凝土胶凝作用增强，有利于密实成型和混凝土各个龄期的强度增长。胶凝用量为540 kg/m3可能由于试验中碎石含有较多石粉和小粒径石头，吸附水泥浆体，造成新拌混凝土坍扩度增长量小，强度损失大。因此，经过试验和对数据的分析，胶凝材料的用量应该在满足C50钢管混凝土强度等级富裕系数要求下选择一个适当的值，考虑胶凝材料用量带来的成本问题，选择胶凝材料用量为550 kg/m3。

3.3 集料级配对钢管混凝土工作性能及强度的影响

将碎石分为5～10 mm和10～25 mm两个级配，研究了5～10 mm碎石占总碎石量的百分比为10%、15%、20%、25%四种不同比率对混凝土的工作性能和强度的影响。控制胶凝材料用量为550 kg/m3，减水剂量为1.8%，水胶比为0.3进行混凝土试拌。试验结果见图3～4。

由图3～4可知：钢管混凝土碎石采用粒径在5～25 mm的粗集料，通过碎石筛分试验可粗略地分为5～10、10～25 mm两个级配，考虑新拌混凝土要求，认为5～10 mm占20%，10～25 mm占80%且>25 mm的碎石较少可很好满足工作性能要求，且对混凝土强度影响不大。较少中间粒径容易出现流浆离析，包裹性差等影响混凝土密实性、工作性能和降低混凝土强度的现象。并且5～10 mm占10%和25%容易出现离析或扒底现象。

图3 集料级配对钢管混凝土工作性能的影响

图4 集料级配对钢管混凝土强度的影响

综合考虑碎石采用20%左右5～10 mm和80%左右10～25 mm双级配石子时，混凝土力学等级符合要求，2 h坍落度扩展度损失最低，混凝土中砂、碎石与水泥能形成较密实的堆积。

3.4 膨胀剂对钢管混凝土工作性能及强度的影响

膨胀剂可以直接掺加或等质量取代水泥。一般说来等量取代(内掺法)可节约水泥、降低水化热，但会降低强度。直接掺加(外掺法)导致胶凝材料用量增多，当用水量、砂率等其他条件未能相应变化时，则会大大降低混凝土的工作性能。

本试验控制胶凝材料用量550 kg/m3、水胶比0.3、砂率40%，研究不同掺量膨胀剂对强度和工作性能的影响，可知：混凝土强度随着膨胀剂掺量的增加基本保持稳定。对比发现，随着膨胀剂掺量的提高，混凝土早期强度会略有降低，但对其后期强度的发展基本不造成影响。但与含量0%对比，掺入了膨胀剂的混凝土龄期强度等级都有不同程度的降低。因为膨胀剂替换等质量水泥，胶凝作用减弱，膨胀剂中含有的CaSO4和CaO与水泥等其他胶凝材料水化相互竞争，影响水泥水化。水化早期，膨胀剂形成适量的Aft填充到混凝土孔缝中，改善了截面结构和密实度；水化后期，CaSO4和Ca(OH)2不断消耗，水化放缓，水泥的强度和膨胀协调发展。随着水化的进行，膨胀剂中的CaSO4与水反应生成大量的Aft填充到水泥-石空隙中，并与水泥水化生成的C-S-H凝胶相互交织，同时由于内掺导致胶材减少，混凝土的后期强度基本保持不变或略有降低。

综合考虑膨胀剂掺量应取45 kg/m3(D3#)为宜(约占胶凝材料8.1%)。

4 结束语

本研究成果在S377特大拱桥得到了成功应用。工程应用表明：C50自密实微膨胀钢管混凝土具有良好的自密实性能和力学性能，核心混凝土与钢管紧密粘结，无脱空现象。本技术的应用大大缩短了施工工期，取得了显著的社会和经济效益。

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