C55微膨胀自密实混凝土在钢壳混凝土索塔中的应用

胡杰 杨智勇 杨赛

摘要：为实现现场工程钢壳混凝土索塔所需的保坍性好、流动性大、微膨胀、自密实、无离析和泌水现象的高性能混凝土的配制和浇筑，保证索塔内外壁钢板、加劲肋、角钢、拉筋中混凝土的浇筑质量，结合实际工程，对索塔施工所需的C55微膨胀自密实混凝土的原材料、混凝土抗压强度、限制膨胀率、拌和物和易性及其在索塔中的应用进行了研究，以供参考。

关键词：微膨胀混凝土；自密实混凝土；钢壳混凝土；索塔

C55微膨胀自密实混凝土，是在中等强度的普通混凝土的基础上通过掺入各种掺和料及外加剂配置的。在普通混凝土中掺入合适的膨胀剂，使混凝土硬化时产生一定的微膨胀，使结构混凝土内部更加致密。高性能混凝土中有一种自密实混凝土，它的主要特点是流动性大、扩展度大、泵送性和保水性良好、无离析和泌水现象。浇筑时，依靠混凝土自身的重量流动，可自行充满钢壳的钢板壁，充分包裹在剪力钉、钢筋、角钢中。微膨胀混凝土和自密实混凝土混在一起，就变成了微膨胀自密实混凝土，它既要求混凝土拌和物的工作性能高，坍落度及扩展度大，且具备自密实的特点，又要求混凝土硬化后不会变形收缩，在钢壳内对钢板不会产生过大的内应力。

对钢壳自密实混凝土索塔来说，索塔施工的前期准备，是试配出适用于钢壳内微膨胀自密实混凝土的配合比。本文利用合适的高效减水剂、掺和料、钙镁复合膨胀剂及当地优质的原材料配制出的C55微膨胀自密实混凝土，被成功应用于河南黄河高速公路黄河特大桥主桥的索塔工程中，经现场施工及检测，C55微膨胀自密实混凝土的工作性能满足现场施工要求，硬化后的混凝土抗压强度满足设计要求，密实度效果良好。

一、应用场景

黄河特大桥是安罗高速公路兰原至郑州段的控制性工程之一，主桥为双塔双索面组合梁斜拉桥，桥跨布置为（100+135）+520+（135+100）m，钢主梁采用双边箱梁断面，索塔采用钢壳混凝土樽型塔，分离式承台，群桩基础。

黄河特大桥主桥索塔包括上塔柱、中塔柱、下塔柱、上横梁、中横梁和下横梁，总高 182m。其中，上塔柱（含塔冠）高57.8m，中塔柱高95.3m，下塔柱高28.9m，索塔在桥面以上的高度约为142m，高跨比为0.273。

索塔是由钢壳+自密实混凝土组合而成的，塔柱采用空心圆端形单箱单室断面，塔柱横、纵桥向外轮廓尺寸均为10m，上塔柱壁厚均为0.8m，中间设钢锚梁；中塔柱壁厚0.8～1.1m，下塔柱壁厚1.1～1.4m。塔冠内侧底部设排水孔。在横梁顶底板和进塔入孔的塔内相应位置均设置了钢横隔板，其上浇筑0.3m厚的混凝土，形成组合结构板。

单侧塔柱共有36个节段。其中，下塔柱T1节段为起步段，高2.5m；其他节段根据起吊重量、壁厚变化及与横梁的关系，高度分别为4m、4.4m、4.5m、4.679m、4.721m、5m、5.2m、5.4m、5.6m、6m等。

索塔内外壁钢板与混凝土之间，通过加劲肋开孔，形成PBL剪力键及剪力钉，实现了钢壳与混凝土的结合，使钢板与混凝土协同受力。竖向加劲肋上设置Ф50mm的钢筋孔，水平加劲肋上设置Ф60mm和Ф50mm的预留孔，部分孔内设置拉筋。拉筋采用HRB400级钢筋，直径16mm，塔壁上设置剪力钉，剪力钉钉规格中22×150mm。

索塔节段的钢结构由水平加劲肋、水平角钢、竖向角钢、竖向加劲肋、内钢壁板、外钢壁板、焊钉组成。外侧钢壁板厚度有36mm、30mm、20mm、16mm四种，内侧钢壁板标准厚度为8mm，起步段厚度为12mm，钢牛腿附着壁板板厚20mm；竖向加劲肋尺寸分为120×10mm和150×10mm 两种，标准间距为500mm；水平加劲肋尺寸分为120×12mm、120×20mm、100×12mm、100×20mm四种，标准间距为500mm。水平加劲肋部分采用角钢连接；利用水平角钢把内钢板与外钢板焊接在一起，成为固定的整体结构。角钢在竖向及水平方向形成桁片，索塔内灌混凝土均采用C55微膨胀自密实混凝土。

二、配合比设计

（一）混凝土的要求

按照配合比设计规范、自密实混凝土应用技术规程规范及工程设计图纸要求，确定黄河特大桥钢壳C55微膨胀自密实混凝土的具体要求如下：

强度：钢壳混凝土设计强度等级C55，配制强度为64.9MPa。

工作性：扩展度为550～650mm，不得出现离析、泌水现象，泵送性能良好。

密实性：自密实、微膨胀、无收缩，索塔内填充密实，无明显的脱空现象，混凝土的限制膨胀率水中14d≥0.025%，转空气中28d≥-0.010%。

（二）原材料

1.水泥：河南新乡平原同力水泥有限责任公司生产的P·O52.5级，其检测指标结果见表1。

2.粗集料：河南卫辉市融创实业有限公司生产的碎石，由5～10mm碎石、10～20mm碎石组成，其物理性能指标见表2。

3.细集料：河南南阳市卧龙区淯鑫砂石有限责任公司生产的天然砂，其物理性能指标见表3。

4.减水剂：江苏苏博特股份有限公司生产的型号为PCA-10的聚羧酸高效减水剂（缓凝型），其物理性能指标见表4。

5.钙镁复合膨胀剂：江苏苏博特新材料股份有限公司生产的氧化镁复合膨胀剂HME-Ⅱ，其物理性能指标见表5。

6.粉煤灰：河南省鹤壁同力建材有限公司生产的F类Ⅰ等级粉煤灰，其物理性能指标见表6。

（三）试配试验

依据《自密实混凝土应用技术规程》（JGJ/T283-2012）规范和钙镁复合膨胀剂厂家推荐的膨胀剂掺量为8%。根据混凝土配合比设计规范要求，配置了三种不同水胶比的C55自密实微膨胀混凝土配合比，详见表7。

（四）混凝土的评价

1.拌和物的工作性

不同水胶比的混凝土配合比坍落度及扩展度检测结果见表8。从表中可以得出，水胶比为0.28和0.30的混凝土配合比坍落度及扩展度都满足施工要求。

2.混凝土的抗压强度

将不同水胶比混凝土配合比7d和28d的混凝土试件依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG3420-2020）进行了抗压强度试验，其结果见表9。

通过检测结果可以看出，水胶比为0.28和0.30的混凝土配合比7d与28d抗压强度均能满足配制强度要求。

3.混凝土的限制膨胀率

按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG3420-2020）规范中的T0576-2020方法进行了限制膨胀率试验。混凝土的限制膨胀率试验结果见表10。从检测结果可以看出，膨胀剂掺量为8%的混凝土配合比限制膨胀率（水中14d）和（水中14d交气中28d）均能满足规范及设计要求。

（五）配合比的选定

在试验钢壳自密实混凝土的试浇筑施工前，采用现场拌和站的原材料根据C55自密实混凝土配合比进行搅拌，并对混凝土的工作性能、坍落度及扩展度、抗压强度、限制膨胀率等指标进行检测。检测结果中，坍落度及扩展度满足现场施工要求，强度和膨胀率满足设计要求。最后，选用水胶比为0.30，水泥：粉煤灰：钙镁复合膨胀剂：细集料：粗集料：水：外加剂=404：79：42：772：956：158：6.30，作为理论基准配合比。

三、工程应用结果

（一）施工准备的前期工作

为了确保钢壳混凝土顺利浇筑，中心试验室严格把关混凝土所需的水泥、细集料、粗集料、粉煤灰、复合钙镁膨胀剂、外加剂等原材料，使其均符合规范要求，并按照批复的C55自密实混凝土配合比在拌和楼试拌，验证C55自密实配合比在试验钢壳中施工满足规范要求。

（二）工艺方法

钢壳C55自密实混凝土采用泵送从上向下灌注的方式，在钢壳内利用自密实混凝土的重力，以及坍落度及扩展度大、不泌水的特点，自流成型密实，形成一种致密的混凝土结构，混凝土强度达到10MPa后，可以进行本节钢壳混凝土顶面凿毛处理，处理完成经监理工程师验收合格后，可进入下一循环钢壳的安装。

（三）实体质量

混凝土的强度取样，应在施工现场，标准养生28d龄期后依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG3420-2020）规范对混凝土试件进行极限抗压强度试验，混凝土与钢壳之间的脱粘或空洞，可采用锤击法或超声波法检测。

（四）实体的应用情况

南主桥左幅索塔浇筑2节段，混凝土的扩展度均在630mm以上，混凝土的工作性能良好，无离析和泌水现象，泵送性能良好，未出现堵管现象，满足现场施工要求，为后续节段钢壳混凝土施工提供了宝贵经验。混凝土的28d强度满足设计要求，现场同条件试件，1d就能达到设计强度的60%，满足凿毛要求；7d达到设计强度，保证工程施工进度。采用超声波法对钢壳混凝土进行脱空率检测，未发现明显的脱空现象，钢索塔中混凝土结构的整体质量满足设计要求。

四、结束语

通过选用优质的水泥和集料，同时加入与水泥、粉煤灰相容性合适的减水剂，配制出高性能的自密实混凝土。为了使自密实混凝土具有良好的微膨胀效果，又不会在钢壳内产生过大的内应力，钙镁复合膨胀剂的掺量宜控制在8%左右。利用合适的高效减水剂、钙镁复合膨胀剂及当地优质的原材料，配制出的C55微膨胀自密实混凝土，具有流动性大、无离析和泌水现象的特点，并能满足现场施工要求。同时，该C55自密实混凝土的抗压强度、限制膨胀率及混凝土脱空率均满足设计要求，符合钢壳混凝土索塔施工的技术要求。

参考文献：

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[2]中交一公局集团有限公司.公路桥涵施工技术规范：JTG/T 3650-2020[S].北京：人民交通出版社，2020.308-323

[3]交通运输部公路科学研究院.公路工程质量检验评定标准 第一册 土建工程：JTG F80/1-2017[S].北京：人民交通出版社，2018.39-94.