钢管微膨胀混凝土的配制

钢管微膨胀混凝土的配制

1前言

近年来，钢管拱的桥型结构，在我国应用得越来越多，许多大跨度桥梁工程的设计都采用了这一类型。该桥型，具备结构形式优美、桥梁跨度大、受力牢靠、施工材料节约、施工工期短等优点。同时，由于施工工艺较为复杂，国内同类工程施工经验还不够丰富，因此，对设计以及施工工艺都有较高的要求。在钢管拱桥型结构设计时，为能充分发挥钢管的套箍作用，往往考虑在钢管内添充高性能微膨胀混凝土，以提高钢管的承载能力及构件的稳定性。在钢管中灌注的一般是c40～c50的高性能微膨胀混凝土，其基本性能为：早期强度高、高流态、缓凝、自密实及可泵性良好，且具有微应力的特点。对于钢管拱桥结构而言，钢管微膨胀混凝土的受力，呈三向应力状态，具有强度高、变形性好、混凝土不发生裂缝、抗震性强等优点；而混凝土自身的微应力，将大大弥补与改善因采用普通灌注法造成的管内混凝土和钢管间存在间隙的缺陷。因此，选择合理的混凝土微膨胀率，以及科学的混凝土配合比，成为施工控制的关键因素之一。钢管内部混凝土质量对工程结构安全影响很大，稍有不慎，就可能造成质量事故或缺陷，如出现管内滞留空气、混凝土不饱满、混凝土与钢管间有大太的收缩空隙等引起结构承载力下降的现象。因此，要求新拌混凝土拌和物应具备坍落度大、和易性好、不泌水、可泵性良好以及缓凝时间长等特点；硬化后的混凝土应具有自密性高、收缩微小、早期强度高等特点。

笔者曾经参与了舟山市普陀区鲁家峙大桥工程钢管微膨胀高性能混凝土的配制，现根据已成功的经验对配制过程中的若干事项进行分析说明。

2混凝土组成材料

2.1水泥

作为混凝土胶凝材料的水泥，可为混凝土带来活性。因水泥用量过高，水化热过大，将使混凝土产生过大的收缩裂缝或空隙。为此，应尽量选择标号高、早强型的水泥。鲁家峙大桥工程设计钢管微膨胀混凝土强度等级为c50，我们选择了p.ⅱ52.5硅酸盐水泥进行试配。

2.2细骨料

用于高性能微膨胀混凝土的细骨料，一般选用天然的河砂；且由于以下各种砂，将对混凝土的膨胀率产生较大的影响而不宜采用，包括砂岩类的山砂、机制砂、海砂等。同时，在选取细骨料时，还须考虑到砂中的云母含量、硫化物含量、含泥量和压碎指标值，该四项指标对混凝土强度，对钢筋的腐蚀性都有较大的影响。此外，该种混凝土对砂的细度模数也有较高要求。选用细度模数为2.6～3.1的中砂为宜。

2.3粗骨料

粗骨料的品质对高性能微膨胀混凝土有很大的影响，主要体现在粗骨料—砂浆界面粘结强度、粗骨料弹性模量和粗骨料的强度。在考虑该种混凝土的可泵性的同时，要考虑混凝土的早强性和后期强度。卵石混凝土的可泵性很好，但混凝土中砂浆和卵石的界面粘结力较差，强度较低，造成水泥用量过高。碎石混凝土的可泵性较差，但早期和后期强度较高。一些含硅质的岩石，因所含sio2对混凝土影响很大，一般不采用此类岩石充当高性能微膨胀混凝土的粗骨料。为提高混凝土和易性，可以用碎石和卵石双掺的方法，也可以采取增大砂率并单独使用碎石作粗骨料。使用碎石需经过二次破碎，使碎石基本无棱角，并减少针片状颗粒的含量。为便于就地取材，我们采用碎石单独作粗骨料，同时，考虑到输送泵管直径为160mm，选取了最大粒径为25mm的连续级配碎石。在选择粗骨料之时，尚应考虑几个影响指标，即骨料含泥量、骨料的弹性模量，以及石料本身的强度。

2.4掺合料

在我国，高性能混凝土使用粉煤灰已相当普遍。该材料来源广泛，价格便宜，可减少环境污染，是值得推广的外掺料。粉煤灰能取代部分水泥，起到节约水泥用量，减小干缩变形，降低水化热的作用，能使混凝土升温降低15%~35%，还能增加混凝土的和易性、可泵性，提高混凝土的强度，改善混凝土土拌和物及硬化混凝土的性能。优质粉煤灰，其“二次水化反应”的效果通常比较充分、彻底，可大大增强混凝土的密实性，提高混凝土的耐久性。因此，我们选用i级粉煤灰作为掺和料。粉煤灰的技术指标，应符合现行国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的规定。

2.5外加剂

高效减水剂能使水泥起到分散作用，以改善混凝土的和易性并相对地释放出一部分水，在维持水灰比（w/c）不变时，可以减少立方用水量，减少由于多余的水分蒸发而留下的毛细孔体积，且孔径变细，结构致密；同时，水化使生成物分布均匀，这对于减少混凝土的收缩，提高密实性是很有好处的。w/c不变，立方水泥用量可以减少，从而对于减少水化热、降低混凝土温度也起到很好的效果。有的减水剂掺有缓凝成份，能抑制水泥初期水化作用，这就有可能使温升速度缓慢，可改善混凝土的密实性、粘度等。所以，高效减水剂是配制高性能混凝土的主要成份。国内这种减水剂主要是萘系高效减水剂及密胺树脂类高效水剂。由于钢管混凝土在整个灌注期间，混凝土是蠕动性的，需要一定的运输和泵送时间，且钢管混凝土在灌注后无法排出气泡，也无法养护。所以对外加剂的选择显得尤为重要。根据以往的经验，配制高性能微膨胀混凝土，所选用的外加剂应具有缓凝作用或是高效减水剂和缓凝剂搭配使用；同时，还应考虑不同的外加剂与不同的膨胀剂掺合使用，对混凝土所产生的效果。因此，我们首先对多种适宜的外加剂进行了试配筛选，初步确定了两种性能较优的品种，即fdn萘系缓凝高效减水剂和sjh树脂类高效减水剂。通过对这两种外加剂的减水率、缓凝时间和强度的检测对比，最后确定采用fdn萘系缓凝高效减水剂，试验结果见表1。

外加剂对比试验结果表1

名称

掺量(%)

坍落度(cm)

减水率(%)

缓凝时间(h)

抗压强度(mpa)

3d

7d

28d

fdn-gh

1

23

17

2~5

51.9

57.6

70.1

sjh

1

20

13

5~7

47.3

52.7

62.8

2.6膨胀剂

混凝土中掺加膨胀剂，在水泥硬化过程中，形成大量的体积增大的结晶体—水化硫铝酸钙（又名钙矾石）。它能产生一定的膨胀能，在有钢管约束条件下，在结构中形成0.2～0.3mpa预应力，可抵消混凝土在硬化过程中产生的收缩应力，从而能使混凝土中的孔隙减小，毛细孔径减小，提高混凝土的密实性，使混凝土的抗压强度得到成倍地增长。同时，膨胀能转变为自应力，使混凝土处于受压状态，从而提高抗裂能力。所以微膨胀混凝土在有应力情况下，自身的强度将大于设计值，其强度保证率也比较高。

选择膨胀剂是一个关键环节，我们在充分考虑让膨胀剂与水泥适应性达到最佳的前提下，通过对“aea铝酸硅膨胀剂”和“nfu-1低碱膨胀剂”进行比选之后，确定采用nfu-1膨胀剂。试验表明，掺了nfu-1膨胀剂的混凝土，不仅早期可产生适度的膨胀，在中后期仍可保持微弱的膨胀势头，能够很好地满足结构受力要求。

3优化混凝土配制的各项指标

3.1水灰比的确定

根据以往的经验，水灰比对钢管混凝土的膨胀系数影响较大。w/c减小，膨胀时间延长，不利于钢管受力；反之w/c增大，则膨胀发挥较早，强度下降，对提高结构受力不利。所以在设计过程中，务必经过多次试验，控制好水灰比，然后，再进行各种材料用量的调整。鲁家峙大桥钢管微膨胀混凝土设计强度等级为c50，依据jcj01-89规程的规定，参照高性能混凝土的设计原则，我们在试配时初步选用了0.39、0.41和0.43三种水灰比。

3.2砂率的选定

考虑到钢管混凝土的灌注过程和一般高标号混凝土的灌注过程不一样，该种混凝土是采用在钢管中顶升灌注，在顶升的过程中，要求混凝土保持良好的和易性。粗骨料在顶升过程中不能因自重作用而下落，否则将造成顶升压力过大而失败。因此，在设计混凝土配合比之时，就应当考虑适当提高砂率，使得粗骨料可在流态混凝土环境中呈轻微悬浮状态而不下沉。当然，由于提高了砂率，将导致混凝土的水泥用量比原来加大，膨胀率降低。缓解这一矛盾的前提是，只要保证灌注的钢管混凝土后期为无应力或微应力即可。在综合平衡各种影响之后，我们拟选定砂率范围为40%~42%。

3.3膨胀值的确定

钢管拱桥混凝土一般都是在限制条件下膨胀，膨胀值小，则钢管中混凝土会与钢管间产生空隙，造成钢管与混凝土无法连成整体，受力降低；而膨胀过大，则在钢管内部形成很大的自应力，使钢管变形，甚至破坏整个结构。根据以往成功的工程事例表明，钢管混凝土设计为无应力或微应力时，其膨胀值可考虑采用较大的范围，一般认为28天限制膨胀率控制在210-4～610-4的范围内是合理的。而根据《混凝土外加剂及应用技术规范》（gb50019-）规定，膨胀混凝土在水中养护14d，其限制膨胀率不小于2.510-4；在空气中养护28d，其限制干缩率不大于3.010-4。

3.4膨胀剂掺量的确定

对膨胀混凝土来说，膨胀剂的掺量，直接关系到混凝土膨胀率的问题。我们通过试验可以得知，在保持坍落度、水灰比、减水剂掺量不变的条件下，随着膨胀剂掺量的增加，混凝土的限制膨胀率增加，混凝土强度下降，坍落度损失也加大。所以根据工程设计要求，经过试验，选择合适的膨胀剂掺量是极其重要的。

4钢管微膨胀混凝土配合比

4.1配合比对比试验

按照确定的混凝土各项技术指标，进行配合比设计。选用不同的水灰比0.39、0.41和0.43（粉煤灰掺量采用等量取代，故相应的水胶比分别为0.34、0.35和0.36），得出三种不同的配合比（见表2），经试拌、成型，分别可测得混凝土拌和物的性能、硬化混凝土抗压强度（见表3）和膨胀值（见表4）。

各种混凝土配合比数据表2

强度等级

水灰比

砂率(%)

材料用量(kg/m%26sup3;）

配合

比编

号

水泥

中砂

碎石

水

fdn

-gh

nfu

-1

粉煤灰

c50

0.39

40

445

684

1026

174

5.3

61

67

p-01

0.41

42

417

717

992

172

5.0

69

75

p-02

0.43

42

400

730

1008

172

4.8

62

80

p-03

备注

粉煤灰掺量均采用等量取代

混凝土性能测定结果表3

配合

比编

号

凝结时间

坍落度(mm)

抗压强度

(mpa)

初凝

(h:min)

终凝(h:min)

拌毕经过时间(min)

0

30

60

90

120

180

240

300

360

7d

28d

p-01

10:02

12:10

215

205

195

195

190

185

170

160

120

61.7

78.9

p-02

10:25

12:25

230

225

225

220

220

215

190

180

145

58.7

77.4

p-03

10:20

12:25

235

230

225

220

220

210

195

185

150

54.3

71.5

混凝土膨胀值测定结果表4

配合比

编号

限制膨胀率(10-4)

限制干缩率(10-4)

水中养护时间（d）

空气养护28d

3

7

14

标准值

/

/

≥2.5

≤3.0

p-01

0.9

1.1

2.4

-2.4

p-02

1.0

1.5

2.9

-3.1

p-03

0.9

1.2

2.5

-2.6

4.2配合比试验结果分析

（1）初凝时间及坍落度损失分析

从表3试验结果可知，三种配合比混凝土的初凝时间均大于10小时；终