新型高性能钢管混凝土设计及应用

张付军、崔明涛、倾涛、李鹏、赵冠翔

（1.甘肃长达路业有限责任公司，甘肃 兰州 730000；2.中铁大桥局集团第一工程有限公司，河南 郑州 450000；3.甘肃省公路航空旅游投资集团有限公司，甘肃 兰州 730000）

0 引言

钢管混凝土结构以其承载力高、塑性和抗震性能好、经济效果显著和施工简便等优点，在拱式体系桥梁施工中得到了广泛应用。在钢管混凝土施工中，为便于管内浇筑，要求混凝土坍落度大，和易性好，不泌水不离析，体积稳定性好，填充饱满。自密实高性能混凝土在自重或少振捣的情况下能实现自密实，将自密实混凝土技术与钢管混凝土技术结合起来，对降低钢管混凝土的施工难度、确保工程质量、降低工程成本具有重要意义。

1 项目概况

尖山沟特大桥为武九高速控制性工程，其主桥采用计算跨径为220m、矢高44m 的上承式钢管混凝土变截面桁架拱桥，主拱圈采用等宽等高空间桁架结构，弦杆内灌注C55 微膨胀自密实混凝土。

2 钢管自密实混凝土的性能要求

2.1 混凝土基本性能要求

低泡、大流动性、补偿收缩、初凝时间长、不泌水、不分层、黏聚性好、早强等。

2.2 混凝土性能指标确定

依据设计文件、《自密实混凝土应用技术规程》（JGJ/T 283—2012）、《公路钢管混凝土拱桥设计规范》（JTG/T D65-06—2015）等对混凝土主要性能指标进行量化，具体指标数据如表1 所示。

3 自密实混凝土配合比设计

3.1 设计难点及思路

第一，混凝土初凝时间、拌和物性能保持时间长，要求工作性能保持4h，初凝时间大于12h。基于上述考虑，采用缓凝型聚羧酸高性能减水剂。

第二，自密实混凝土采用压注施工，易产生浮浆，气泡等，因此应采用小水胶比、大砂率的配合比设计，以提高胶体黏度，保证混凝土的匀质性，减少浮浆。

第三，自密实混凝土由地面压注至最高端泵管，拱管长约200m，垂直高度约80m，为提高混凝土的和易性，必须采用优质的矿物掺合料进行性能调整，鉴于当地矿物掺合料匮乏及拌和站的实际存储能力有限，采用外地采购新型复合矿物掺合料。

第四，体积稳定性要求高，混凝土应掺入适量膨胀剂或膨胀成分，保证混凝土同钢管紧密结合，无空洞[1]。

第五，混凝土早期强度要求高，7d 标准强度需达到设计强度的100%以上，自然养护试件强度需达到设计的90%，故考虑采用低水灰比，采用52.5 水泥。

3.2 原材料选择

3.2.1 水泥

采用广元海螺P.II5.25 水泥，主要指标如表2 所示：

3.2.2 新型复合矿物掺合料

因项目周边传统矿物掺合料资源少，质量稳定性差，故采用由工厂预混的新型复合矿物掺合料，该掺合料不仅可以用于调整混凝土的性能，还具有一定的膨胀性。

该新型复合矿物掺合料由高品质的粉煤灰、矿粉、硅灰、纳米二氧化硅、超细活性粉末、复合型膨胀剂组成，各种掺合料的掺配比例由现场试验确定，新型复合型矿物掺合料组分如表3 所示：

表3 新型复合型矿物掺合料组分

该新型复合型掺合料主要性能指标如表4 所示：

表4 新型复合型矿物掺合料主要技术指标

因活性指数及限制膨胀率指标与复合掺合料的掺量有关，故在不同掺量下对复合掺合料的活性指数及限制膨胀率进行了比对试验，结果如表5 所示。

表5 活性指数及限制膨胀率试验

结果表明，随掺合料的增加，混凝土早期强度略有降低，后期强度明显增加，该掺合料具备多种传统掺合料的特性，因水泥比例降低，减缓了混凝土早期强度发展，而掺合料中的活性成分同水泥水化产物进行二次反应，起到了对混凝土的补强作用。同时随着掺合料掺量的增加，胶凝材料中的膨胀成分增多，限制膨胀率也有显著增加，掺量达到10%以上时，该掺合料能提高混凝土强度，同时可以实现混凝土补偿收缩，维持混凝土体积稳定性[2-3]。从经济角度出发，后续配合比设计时以掺量为10%作为基准。

3.2.3 粗骨料

粗骨料采用某厂生产的5～10mm、10～20mm 两级配碎石，颗粒形状良好，质地坚硬，吸水率小，无碱活性。

3.2.4 细集料

该项目地处白龙江中下游，河砂主要由山谷中的风化岩块形成，天然砂普遍偏细，颗粒棱角多，且资源极少。根据实际状况，最终采用由天然砂砾石机械经破碎、水洗加工后形成的混合砂，严格控制好砂中石粉含量。

目前，国内多家机构已经对机制砂进行了研究，交通运输部公路科学研究院编制的《机制砂混凝土配制与施工质量控制》论述了机制砂中石粉含量对混凝土性能的影响。石粉在混凝土中起着增黏、润滑、晶核、水化增强等正效应。

3.2.5 外加剂

采用专用的缓凝型聚羧酸系高性能减水剂，其相关性能指标应满足《混凝土外加剂》（GB 8076—2008）与《混凝土外加剂应用技术规范》（GB 50119—2013）的有关要求。

3.2.6 拌和水

采用地下水拌和，拌和用水应符合行业标准《混凝土用水标准》（JGJ 63—2006）的有关规定。

3.3 配合比设计

配合比设计宜采用绝对体积法设计，粗骨料体积取0.30～0.35，胶凝材料用量取520～550kg/m3，水胶比根据经验取0.29～0.33，砂率取0.48～0.53，掺合料掺量8%～15%，在此基础上提出设计方案（见表6、表7）。

表6 自密实混凝土配合比设计方案

表7 自密实混凝土配合比试验结果

通过表6、表7 可以看出，在外加剂掺量1.2%时，混凝土扩展度较小，在500～560mm，新拌混凝土扩展度2h 基本无变化，2～4h 混凝土扩展度损失大，从T500来看，均不能满足要求，混凝土统一偏黏，随着矿物掺合料的增加，黏度有所降低，同时矿物掺合料的掺量增加，早期强度降低，后期强度增强，按施工对早期强度要求达到设计100%，B1 到B4 均能满足设计要求，考虑到自密实混凝土存在补偿收缩的要求，选定B4 为基准配合比，对外加剂配方进行针对性的调整，采用新的母液，以保证混凝土的性能及减小混凝土性能的经时损失，外加剂的调整方案及调整结果如表8 所示。

由表8 可以看出更换新母液（801）之后混凝土扩展度有明显增加，满足设计要求，保坍母液用量在90kg/m3以上才能满足拌和物性能4h 无大损失，用量达到100kg/m3，混凝土会出现滞后反应，缓凝剂用量大于15kg/m3，初凝时间才能满足大于12h 的要求，故选择配方B4-5。在外加剂调整过程中，发现混凝土有部分石子外露，根据该情况对混凝土配合比砂率进行微调。

表9 所示为自密实基准配合比验证及优化结果，根据表9 可知，三种砂率配合比均能满足施工要求，参照混凝土的拌和状态，及当地细集料质量波动大特点，最终选择砂率为0.53 的方案，作为该项目混凝土钢管拱自密实混凝土配合比，若砂质量有波动，其他两个为备选方案。

表9 自密实基准配合比的验证及优化结果

4 钢管自密实混凝土施工应用

4.1 原材料控制

需严格遵循“先检测、后使用”的基本原则，对水泥、粗细集料、减水剂等常规地材按相关规范要求频次进行检测，细集料应进行车检，保证细集料的稳定性。新型复合矿物掺合料除参照《混凝土用复合掺合料》（JG/T 486—2015）检测外，每批次还应进行自密实混凝土配合比的试拌，以新拌混凝土性能及早期强度为进场验收标准。

4.2 配合比复验

各种原材料进场检验合格后，需采用现场各种大样进行混凝土试拌，混凝土性能及保持需满足设计及施工要求，需对混凝土前期强度进行检测，7d 自然养护强度不低于设计强度的90%以上，标准养护试件强度达到设计强度的100%以上[4]。

4.3 混凝土的生产及运输

混凝土生产采用自设的HZ120 拌和站生产，生产前需对拌和站设备、电路、管线进行检查保养，对各计量设备进行校准，确保水泥、矿物掺合料、外加剂、水质量偏差在±1%，骨料质量偏差在±2%之间。对混凝土进行试拌，确定最佳拌和时间180s。混凝土生产前对骨料含水量进行检测，混凝土生产过程中进行不少于2 次抽检，根据骨料含水量的变化及时调整施工配合比。混凝土生产运输车辆需进行包裹保温，运输车数量根据施工速度进行及时调整，装混凝土前运输车需倒转，确认运输车内无水，运输过程中不得中途随意停放、冲洗，严禁混凝土私自加水[5]。

4.4 混凝土性能控制

混凝土生产后进行首盘鉴定，满足要求后可正常生产，不满足要求需分析原因并及时调整，混凝土出厂按50m3进行一次扩展度、T500检测，混凝土到达现场后每2 车进行一次现场测试，运输车停放60min 以上也需混凝土性能进行测试，合格后方可使用，现场按每50m3一组频次留置试件。

4.5 自密实混凝土应用情况

2020 年10 月—2021 年1 月，该配合比已在尖山沟特大桥16 根主拱中的施工中得到应用。混凝土施工采用大小里程对称、二次接力泵送一次成型工艺，主拱采用由内到外，由下到上的压注顺序，单次浇筑两根，第一根浇筑完成后在混凝土初凝前完成另一根管的压注。整个浇筑过程中混凝土扩展度均控制在600±50mm 范围内，混凝土含气量2.5%，均匀无离析、无泌浆，单根混凝土浇筑最长时间2h40min，单次灌注时最长时长7h，混凝灌注间隔不得超过45min，混凝土泵送顺利，泵机最大泵压18MPa，排出混凝土均匀密实，浮浆较少，泵送顺利。混凝土7d 自然养护试件55.2～58.3MPa，均达到设计强度90%以上，符合施工进度要求，28d 抗压强度达到65.6～71.5MPa。2021年3 月对尖山沟特大桥16 根主拱的混凝土的密实度通过敲击、超声径向对测法进行了检测。共检测224剖面896 点，敲击均无异常，平均声速4876m/s，经综合分析，各测点管内混凝土密实，无明显缺陷。

5 结论

第一，钢管自密实混凝土具有低泡、大流动性、补偿收缩、初凝时间长、不泌水、不分层、黏聚性好、早强等工作性能，该项目充分利用当地资源，采用新型复合矿物掺合料及专用减水剂，成功配置出满足现场要求的混凝土，快速、优质地完成了施工任务。

第二，新型复合掺合料发挥多种传统掺合料的优势，大幅改善新拌混凝土性能，同时因其含有膨胀成分，保证硬化混凝土的体积稳定性。

第三，采用单一新型复合掺合料，能够降低材料质量控制难度，保证混凝土的稳定性，解决山区拌和站规模小、存储能力不足的实际问题，为资源匮乏地区的高性能混凝土设计、生产提供了新思路。

第四，以现场自密实混凝土性能作为新型复合掺合料验收标准，更符合现场实际需求。