钢管拱内注微膨胀混凝土配合比设计方法

王明耀

（中铁三局三公司，山西 太原 030006）

钢管拱桥结构受力合理，施工工艺复杂，结构外形美观，能够最大程度发挥材料的各项性能，而且在施工期间不会影响下部通行，在我国现代桥梁建设中广受亲睐。

1 钢管混凝土的特性

钢管拱内要求灌注微膨胀混凝土，该混凝土一般采用泵送顶升法施工。管内的泵送混凝土除了满足强度要求外，应具有低气泡、高流动性、微膨胀补偿收缩、低水化热、缓凝和早强等工作性能，同时为了满足泵送要求，混凝土坍落度要大、和易性要好，且不泌水、不离析，保证钢管混凝土符合设计施工的各项要求。

上面提到的混凝土中的诸多指标中，有些指标构成矛盾。比如坍落度高、和易性好，一般通过增大用水量来保证，但用水量增大以后，强度下降、易离析、混凝土收缩量加大。文献《混凝土外加剂》中提到：掺膨胀剂的混凝土的膨胀值和自应力值随着水泥用量的增加而增大，标准还规定水泥的最低用量为300 kg/m3，以保证膨胀率的最低限值；文章《配制高性能钢管微膨胀混凝土应注意的几个问题》中指出：混凝土中水泥用量过多会导致水化热过大、混凝土收缩过大，以致产生裂缝及孔隙，并建议设计高性能钢管微膨胀混凝土的水泥用量不宜过大。可见，配制高性能微膨胀混凝土的过程就是克服以上矛盾，使管内混凝土具有早期强度高、高流态、缓凝、自密实及可泵性好等性能，能够同时满足设计和施工的要求，其中又以钢管混凝土的微应力控制最为关键。

钢管内部混凝土质量对工程结构安全影响很大，稍有不慎，就会出现质量事故，造成泵送困难，出现内有空气、不饱满、混凝土和钢管间有收缩空隙及承载能力下降等现象。

2 钢管混凝土材料要求

2.1 水泥

选择 525R早强型水泥。应对水泥的品种、细度、化学组成含量以及矿物组成进行严格的控制，控制C3S在40%～50%，C2S和C3S占水泥成分的70%～74%，C3A在5%～9%为宜。

2.2 细骨料

配置高性能微膨胀混凝土要求使用干净的河砂。使用时必须考虑到砂中云母含量、硫化物含量、含泥量和压碎指标值，4种指标对混凝土强度和对钢管的腐蚀性影响都非常大。因此，要严格按高标准控制砂中的云母含量、硫化物含量、含泥量和压碎指标值，选用细度模数2.6～3.1的中砂为宜。不宜选用砂岩类山砂、机制砂、海砂，此类砂对混凝土的膨胀率影响非常大。

2.3 粗骨料

骨料的品质对高性能微膨胀混凝土有很大影响，主要体现在骨料—砂浆界面黏结强度、骨料弹性模量和骨料的强度。为提高混凝土的和易性，可以用碎石和卵石双掺的方法，也可以增大砂率用碎石单独作骨料。碎石要求无棱角，减少针片状颗粒的含量。碎石和卵石的粒径都控制在小于30 mm。粗骨料中的含泥量以及本身的强度和骨料的弹性模量，再配制时，须引起重视。

2.4 掺和料

混凝土中掺入粉煤灰可降低水化热，改善和易性。这里主要指出要严格控制SO3的含量，控制在0.5%～1.5%。粉煤灰为Ⅰ级或磨细粉煤灰。

2.5 外加剂

配置高性能微膨胀混凝土选用的高效减水剂应具有缓凝作用或是高效减水剂与缓凝剂搭配使用，且是非引气、低气泡的减水剂。此类高效减水剂的质量应符合现行国家标准《混凝土外加剂》的规定。

2.6 膨胀剂

膨胀剂的性能要符合《中华人民共和国建材行业标准混凝土膨胀剂》中的各项指标。选择膨胀剂时要多试验几个品种，膨胀剂应对混凝土后期强度及质量无损害，与所用水泥适应性好。主要膨胀剂有U型膨胀剂、复合膨胀剂及明矾石膨胀剂等。

3 钢管混凝土配合比设计

在进行微膨胀混凝土配合比设计时，除应遵守普通混凝土关于原材料、配合比设计（普通混凝土配合比设计请参考有关资料）等方面的要求外，尚应针对微膨胀混凝土的特点，注意下列事项：

（1）微膨胀混凝土的需水量较大，所以拌和水应比相同坍落度的普通混凝土多10%～15%，但是增加水量会增大水灰比，使膨胀率减少，干缩增加，所以应在操作条件允许的前提下尽量减少用水量，或掺加减水剂以减少水的用量。

（2）减水剂能加快钙钒石的生成，将会减少膨胀率。但在明矾石膨胀水泥混凝土中，掺加水泥质量0.5%的MF减水剂，可以降低水灰比10%，而且可以改善和易性，增加早期强度和稍增加限制膨胀率，所以是可以掺用的。

（3）普通混凝土的水灰比法同样适用于微膨胀混凝土。我国常用的明矾石膨胀水泥混凝土，当水灰比为 0.52，水泥用量为350 kg/m3时，28 d抗压强度大于30 MPa，后期强度还有较大增长，6个月的强度为28 d强度的150%，在限制条件下强度还能增加约10%。

（4）进行微膨胀混凝土的配合比设计时，可以采用试配法。即首先通过3～4个水灰比找出强度和水灰比的关系曲线，再根据要求的强度来选定水灰比；按选定的水泥用量来计算加水量，再根据选定的砂率（可略低于普通混凝土），来计算试配用的混凝土配合比。

进行试配时，要核对坍落度，并制作强度试件、自由膨胀率试件和限制膨胀率试件。当强度和膨胀率均符合设计要求时，再经过现场试拌进行调整，便可确定工程采用的配合比。

在进行膨胀混凝土配合比设计时，还应考虑膨胀效果的影响因素。一般来说，不论是补偿收缩作用还是自应力作用，膨胀剂的膨胀效应都可以由膨胀能的大小表示。但是，膨胀能的测定及有效膨胀能的计算等重要问题迄今尚不能很好解决，因此，有必要了解影响膨胀效应各种因素。①膨胀能。膨胀能的大小与膨胀剂种类和细度有关；②水泥用量。掺膨胀剂的混凝土的膨胀值和自应力值随着水泥用量的增加而增大，我国有关标准规定水泥用量不应低于300 kg/m3，以保证膨胀率的最低限值；③水灰比。水灰比对混凝土强度的影响很大，而掺膨胀剂混凝土的强度又与混凝土膨胀之间有着密切的关系。

4 钢管微膨胀混凝土质量要求

最终配制完成的钢管微膨胀混凝土在设计和现场施工中应同时满足以下要求：管内混凝土不能出现断缝、空洞；管内混凝土不能与管壁分离；管内混凝土的强度应比设计强度高10%～15%；新灌如入钢管的混凝土，3 d内承载力不宜高于30%设计强度，7 d内承载力不得高于80%设计强度；一根钢管混凝土的灌注完成时间，不超过第一盘入管混凝土的初凝时间；一根钢管的混凝土必须连续灌注，一气呵成。

5 结束语

基于以上讨论，给出以下混凝土配合比设计要点：①水灰比要小于0.4，坍落度在12～18 cm之间，以16 cm最佳。②掺入减水剂，FDN最好，也可选用M型、YJ－2、UNF2型减水剂，掺量 0.9%～1.2%。③掺微膨胀剂，可选用钙钒石、UEA等，掺量 10%～20%。④为了增加混凝土的和易性，降低水化热，可以加入5%的一级粉煤灰。⑤加入缓凝剂延长初凝时间，初凝时间控制在12 h左右，终凝时间在14 h左右。⑥配料强度应大于1.1～1.15倍设计强度。