C55鋼管拱機制砂微膨脹自密實混凝土配制及應用*

張 翼，何 倍，任 強，蔣正武，宋軍璽，母進偉

(1.同濟大學先進土木工程材料教育部重點實驗室材料科學與工程學院，上海 201804； 2.中交四公局北京建筑分公司，北京 100102； 3.貴州橋梁建設集團有限公司，貴州 貴陽 550001)

0 引言

鋼管自密實混凝土指在鋼管中填充自密實混凝土的組合結構材料。外部鋼管與內部混凝土相互協同，可實現整體優越的抗壓強度、延展性能及抗震性能等[1-3]。除力學性能優于鋼筋混凝土外，鋼管自密實混凝土還具有無須支模、無須配筋及無須振搗等特點。因此，鋼管自密實混凝土廣泛應用于高層建筑及大跨度橋梁建設工程中[4-5]。鋼管與自密實混凝土協同作用的實現，需保證自密實混凝土在鋼管中填充密實，且保證兩者間緊密黏結，要求鋼管自密實混凝土具有良好的工作性能、保持性能及微膨脹性能。

鋼管自密實混凝土通常采用河砂配制，近年來，由于河砂匱乏，機制砂逐漸應用于鋼管自密實混凝土配制中[2,6-8]。機制砂相比河砂，顆粒多棱角、表面粗糙、石粉含量高，因此需針對機制砂特性采取相應技術措施，以實現自密實混凝土配制[9-12]。

1 工程概況

烏梅河特大橋位于貴州省黔南自治州福泉市，屬于貴陽至黃平高速公路項目TJ12標段，為貴黃高速公路重點控制性工程。該橋由主橋和引橋構成，全長660m，主橋為計算跨徑300m、矢高60m的上承式鋼管混凝土變截面拱橋。該橋拱肋鋼管內采用C55自密實微膨脹混凝土，從兩端底部一次泵送至拱頂。根據工程經驗及施工條件，提出C55自密實微膨脹混凝土的性能要求，即初始坍落度≥260mm，坍落擴展度≥650mm，5h后坍落度≥200mm、坍落擴展度≥500mm；初凝時間≥12h、終凝時間≤24h，倒坍落度筒流出時間≤8s，含氣量≤2.5%，3d抗壓強度≥40MPa，7d抗壓強度≥50MPa，28d抗壓強度≥65MPa，混凝土28d自由膨脹率≥2.0×10-4。根據施工要求，通過優化膠凝材料體系、骨料級配、配合比等方式，配制出C55鋼管拱機制砂微膨脹自密實混凝土，并成功應用于烏梅河特大橋。

2 試驗

2.1 原材料

采用P·Ⅱ 52.5水泥，表觀密度3 158kg/m3。Ⅰ級粉煤灰燒失量為3.84%，表觀密度2 150kg/m3。硅灰表觀密度為2 150kg/m3。采用國標二型膨脹劑。使用本地產藻灰巖質機制砂、石，機制砂細度模數為2.76?；谧罹o密堆積試驗，粗集料以5～10mm、10～20mm兩級碎石按照4∶6比例搭配而成，堆積密度為1 514kg/m3。所采用外加劑包括8號高性能減水劑(固含量40%)，10號保坍劑(固含量40%)、引氣劑、緩凝劑。工程應用外加劑為復配的含固量為20%的混合外加劑。機制砂級配如表1所示，粗集料級配如表2所示。

表1 機制砂級配

表2 粗集料級配

2.2 基準配合比

基于最緊密堆積理論，經過大量試驗，得到基準配合比，其中水泥、粉煤灰、硅灰、膨脹劑、水、砂、碎石、外加劑的用量分別為355，16,26.5,42.5,157,878,878,9.8kg/m3。

2.3 試驗方法

1)工作性能 采用坍落度、坍落擴展度評價混凝土流動性能，采用流動度達50cm的時間T50、倒置坍落度筒排空時間Td評價混凝土黏聚性，使用U形箱高度差評價混凝土自填充性，試驗參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》及 JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規程》。

2)力學性能 采用邊長150mm的立方體試件，參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》，測試混凝土3，7，28d抗壓強度。

3)膨脹性能 采用100mm×100mm×515mm棱柱體試件，參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，測試混凝土28d膨脹率。

3 結果與討論

3.1 配合比參數優化

3.1.1水膠比

采用減水劑調控混凝土坍落度、擴展度，當水膠比W/B在0.29～0.32范圍變化時，混凝土黏聚性良好，無離析泌水現象，且混凝土抗壓強度均滿足設計要求(見表3、圖1)。在保證混凝土初始坍落度、擴展度的情況下，水膠比提高使外加劑摻量顯著降低。T50及Td均隨水膠比提高而降低，表明水膠比提高可降低混凝土黏度，提高流動性。當水膠比降至0.29時，混凝土3d抗壓強度顯著提升，且試件28d抗壓強度較其余組變化不明顯。當水膠比為0.30～0.32時，混凝土抗壓強度變化較小。綜合來看，水膠比宜控制在0.31～0.32。

圖1 不同水膠比下機制砂自密實混凝土工作性能

表3 水膠比對機制砂自密實混凝土性能的影響

3.1.2砂率

當砂率為45%時，骨料級配較差，導致混凝土擴展度較低。當砂率48%的混凝土中減水劑摻量提高至0.21%，雖顯著提高混凝土擴展度，但其出現輕微離析泌水(見圖2b)。提高砂率至55%時，相同減水劑摻量下，混凝土具有良好擴展度、坍落度，且黏聚性良好，即表明提高砂率有助于提高混凝土減水劑飽和摻量。從而可通過提高減水劑摻量提高混凝土流動性(見表4、圖2)。這是由于砂率較高時，石粉含量較高，提高了混凝土的需水量，降低對外加劑的敏感性。此外，砂率提高似乎對混凝土黏度無不利影響，這可由T50與Td測試結果證明。除砂率為48%的試驗組離析泌水，導致28d抗壓強度較低外，其余各組混凝土試件各齡期的抗壓強度均滿足設計要求。綜合來看，砂率宜控制在50%以上。

表4 砂率對機制砂自密實混凝土性能的影響

圖2 不同砂率下機制砂自密實混凝土的工作性能

3.1.3膠凝材料用量

減水劑摻量相同時，增加膠凝材料用量可顯著增大混凝土的坍落度及擴展度，即顯著提高混凝土流動性及自密實性(見表5及圖3)。此外，增大膠凝材料用量還使混凝土的T50及Td呈下降趨勢，表明增大膠凝材料用量可降低混凝土黏度，這是由于水膠比相同時，膠凝材料用量增大意味著用水量增大。水膠比不變時，膠凝材料用量從500kg/m3增至560kg/m3，混凝土各齡期的抗壓強度均滿足設計要求。此外，膠凝材料用量對抗壓強度影響較小。綜合成本及混凝土性能，膠凝材料用量宜為530kg/m3。

表5 膠凝材料用量對機制砂自密實混凝土性能的影響

圖3 不同膠凝材料用量下機制砂自密實混凝土的工作性能

3.2 礦物摻和料復配改性

采用硅灰(SF)與Ⅰ級粉煤灰(FA)復配，優化混凝土性能，當提高粉煤灰摻量時，若使混凝土達到相近坍落度、擴展度，則所需減水劑摻量降低(見表6、圖4)。表明粉煤灰能提高混凝土的流動性，降低需水量。此外，隨著粉煤灰摻量增加，混凝土黏度呈降低趨勢，混凝土3，7d齡期抗壓強度顯著降低。當粉煤灰摻量增至30%時，混凝土3d抗壓強度不足40MPa。綜合來看，粉煤灰摻量宜為20%。

表6 硅灰及粉煤灰摻量對機制砂自密實混凝土性能的影響

圖4 不同硅灰及粉煤灰摻量下機制砂自密實混凝土的工作性能

隨著硅灰摻量的增加，硅灰引氣效應及吸水效應相互協同，使混凝土坍落度先增大后降低，即拌合物流動性及自密實性先增大后降低。當硅灰摻量≤7.5%時，硅灰引氣效應占主導，有利于拌合物流動性。當硅灰摻量增至10%時，混凝土需水量大幅上升，不利于混凝土流動。硅灰摻量增大使混凝土抗壓強度呈上升趨勢。綜合來看，硅灰摻量宜為7.5%。

3.3 集料優化

3.3.1粗集料最大粒徑

保持減水劑摻量基本一致，使粗集料最大粒徑從20mm減小到16mm后，混凝土擴展度略有降低(見圖5、表7)。這是由于最大粒徑減小使粗集料比表面積增大，進而提高需水量。粗集料最大粒徑16mm的混凝土試件3，7d抗壓強度較高，但是28d強度明顯低于最大粒徑20mm的試件，且不滿足設計要求。綜合來看，粗集料最大粒徑宜為20mm。

表7 粗集料最大粒徑對機制砂自密實混凝土性能的影響

圖5 不同最大粒徑粗集料制備的機制砂自密實混凝土工作性能

3.3.2石粉含量

石粉含量為6%時，混凝土出現輕微離析泌水現象(見圖6a)。當石粉含量為8%時，混凝土黏聚性一般，有露石現象(見圖6b)。當石粉含量為6%，8%時，混凝土坍落度、擴展度均顯著低于石粉含量>10%的混凝土(見表8)。石粉含量為6%的混凝土在減水劑摻量僅0.18%時便離析泌水，表明減水劑飽和摻量較低。相較而言，石粉含量>10%時，混凝土外加劑飽和摻量增加，坍落度、擴展度大幅提升，且T50及Td均有減小趨勢。意味著石粉含量>10%時，有利于提高混凝土的流動性并降低黏度。因為石粉含量增加意味著混凝土中的砂漿體積增加，即可減小混凝土內部摩擦，從而改善混凝土工作性能。隨著石粉含量增加，混凝土7，28d抗壓強度先增大后減小。當石粉含量為15%時，雖然混凝土3d抗壓強度較高，但7，28d抗壓強度顯著低于其他試驗組。綜合來看，機制砂石粉含量宜控制到10%～15%。

表8 石粉含量對機制砂自密實混凝土性能的影響

圖6 不同石粉含量下機制砂自密實混凝土的工作性能

3.4 外加劑復配優化

由于鋼管自密實混凝土施工時間較長，且施工時難以觀測混凝土的填充情況，因此良好的工作性能及保持性能是鋼管混凝土成功施工的關鍵。為實現混凝土高工作性能及保持性能，應復配優化外加劑。當提高減水劑與保坍劑復配比例時，混凝土初始坍落度、擴展度逐漸增大，而坍落度、擴展度的經時損失卻有增大趨勢(見表9)。當減水劑與保坍劑比例為7∶10時，混凝土初始擴展度較低，但3,5h的擴展度反而高于初始擴展度。當保持減水劑與保坍劑復配比例一致，增大緩凝劑摻量時，混凝土工作性能經時損失降低，尤其是5h的經時損失。緩凝劑摻量為0.08%的混凝土5h擴展度較0h時降低237%。而在相同減水劑、保坍劑復配比例下，提高緩凝劑摻量至0.10%時，混凝土的5h擴展度僅比0h降低140.7%。當緩凝劑摻量為0.15%時，混凝土5h擴展度較0h幾乎無損失。此外，該緩凝劑摻量下的混凝土黏度顯著高于其余組。綜合來看，減水劑與保坍劑復配比例宜為1∶1，而緩凝劑摻量宜為0.10%～0.15%。

表9 石粉含量對機制砂自密實混凝土性能的影響

4 工程應用

經系統優化試驗，確定了工程應用配合比，即水泥、粉煤灰、硅灰、膨脹劑、水、砂、碎石、外加劑分別為341.5，106,40,42.5,159,878,878,7.95kg/m3。C55鋼管拱機制砂微膨脹自密實混凝土坍落擴展度為650mm，坍落度為280mm，U形箱流平、無高度差(見圖7)。此外，混凝土28d自由膨脹率為2.2×10-4，即具有微膨脹性能，且抗壓強度滿足C55設計要求。

圖7 工程應用C55鋼管拱機制砂微膨脹自密實混凝土的工作性能

為驗證混凝土施工性能及效果，進行模擬試驗。采用內徑1m(施工鋼管拱直徑的2/3)的空心鋼管，鋼管壁厚10mm，總長10m，水平傾角為45°。將混凝土一次泵送到頂，7d后在距頂部1.5m處，切割邊長40cm的正方形觀察窗口，查看混凝土填充情況，并采用回彈儀進行強度測試。試驗結果表明，自密實混凝土在泵送過程中可密實填充鋼管，且無離析現象。此外，回彈測試結果表明混凝土抗壓強度滿足設計要求。模擬驗證后，C55鋼管拱機制砂微膨脹自密實混凝土成功應用于烏梅河特大橋。

5 結語

1)通過混凝土配合比參數優化、礦物摻和料復配優化、集料粒徑及摻量優化、外加劑復配優化，成功配制初始坍落度、擴展度分別為650，280mm，5h幾乎無經時損失的C55鋼管拱機制砂微膨脹自密實混凝土。

2)基于大型模擬試驗，證明優化制備的C55機制砂微膨脹自密實混凝土具有良好的填充性能、力學性能，能夠滿足混凝土施工要求。并且，驗證后的混凝土配合比，成功應用于烏梅河特大橋。