白鹤滩大桥钢管混凝土配合比设计研究

黎　诚，管瑞萍，朱彩云，张　伟（.昆明冶金专科学校，云南　昆明　650033；.昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南　昆明　65005）

白鹤滩大桥钢管混凝土配合比设计研究

黎诚1，管瑞萍2，朱彩云2，张伟2
（1.昆明冶金专科学校，云南昆明650033；2.昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明650051）

摘要：白鹤滩大桥位于四川省宁南县和云南省巧家县境内，是金沙江下游干流河段梯级开发，设计中要考虑兼有防洪、拦沙、改善下游航运条件和发展库区通航等综合效益。钢管桥砼配合比设计，应满足桥梁承载力结构所要求各项力学性能，具有耐久性、工作及体积稳定性能好等特点。对钢管拱桥承载力和力学性能不同砼填充料配合比设计，采用正交法配合比试验方法确定混凝土材料组成来满足工程项目要求。

关键词：钢管砼；配合比；正交设计研究

0　引　言

白鹤滩大桥的设计建设是国家在云南省巧家县、四川省宁南县建设白鹤滩水电站的通道。白鹤滩水电站的建设、开发将给库区社会经济发展带来良好的契机，库区交通、基础设施建设等都将得到极大地改善，同时带动相关产业发展，对当地社会经济发展必将起到积极的带动作用；工程的建设对促进西部开发，实现“西电东送”，促进西部资源和东部、中部经济的优势互补和西部地区经济发展都具有深远意义。白鹤滩大桥全长526 m，采用全新技术工艺施工，钢管混凝土桥梁工程量大，结构技术复杂，为解决这一难题，设计师通过多次现场考查和多方案比较，采用钢管混凝土拱桥，具有自重轻、耐强度大、抗变形能力强，节约材料，减轻构件重量，安装技术及施工要求较为简单方便，承载量大等特征。是大跨桥梁建设与施工较为理想的结构组合方式。但其要求所用混凝土强度和抗变形能力大，必须根据桥梁设计参数来设计混凝土配合比。

1　配比设计依据

依据桥梁承载力的设计要求，混凝土的设计强度为C55，做了6组18个试验块的等级强度试验。立方体抗压强度标准值系数值d，并按标准方法制作和养护到28 d龄期，采用国家规范标准（即《GB／T 50081－2002普通混凝土力学性能试验方法标准》和《GB 50010－2010混凝土结构设计规范》）试验方法测得的抗压强度值小于标准值超过3%时，其强度等级表示为C55。砼设计配合比强度为C55，72 h强度要达到设计强度的79%。并且砼要有较好的泵送流动性及和易性良好等特点，砼补偿收缩性自由膨胀率应控制在2.01%～0.05%，把自应力控制在0.59～1.4 MPa的参数之间。

2　试验设计原理采用正交法

2.1正交试验设计

正交试验设计是研究多因素多水平的一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，正交试验设计是分式析因设计的主要方法。是一种高效率、快速、经济的试验设计方法。日本著名的统计学家田口玄一将正交试验选择的水平组合列成表格，称为正交表。当作一个三因素三水平的试验，按全面试验要求，须进行33＝27种组合的试验，且尚未考虑每一组合的重复数。若按L9（3＾3）正交表安排试验，只需作9次，按L18（3＾7）正交表进行18次试验，显然大大减少了工作量。因而正交试验设计在很多领域的研究中已经得到广泛应用。

2.2砼配合比试验正交法试验设计

砼的性能指标在多因素影响下，很难找到随外加材料性能的不同和掺量的改变而改变的规律。只有通过正交试验，安排多因素影响因素去推理判断，这种方法优点是从多种试验条件中，选出有代表性的几个因素推断出它的规律性，从中获得有价值的信息资料，然后对试验结果进行统计分析，从而得到最优试验方案。

该次砼试验选用L9（3＾3）正交表安排试验，只需作9次，按L18正交表进行18次试验，主要解决两方面问题：①钢管内填砼增强与管壁的稳定性能；②砼与钢管的咬合性，从正向压力和侧向压力，其受压状态都符合国家规范的抗压强度和应变力的设计要求。使砼与钢管能够充分体现出强度高、自重量轻、有良好的可塑性能和抗疲劳抗耐冲击性能的特点。

3　材料选用

砼主要是由水泥、水、砂、粗骨料和矿物超细粉，减水剂和膨胀剂等原材料组成。材料在拌合中还要考虑其流动性和配比数量等因素的影响，所以在选用各种材料时，必须考虑到各类材料的物理性质和化学性质。各种材料的物理与化学性质分析如下：

（1）水泥，钢管砼主要是选择硅酸盐水泥，而硅酸盐水泥的性质取决于水泥矿物组成和颗粒级配，在试验中我们对宁南县白鹤滩水泥厂及开远水泥厂生产的525水泥进行了试验比较，2种水泥性质稳定，各项质量指示达到国家验证标准，其水泥的化学成分，水泥物理性质及其矿物组成部分试验结果表明也符合国家验证标准，见表1。

表1　两种水泥熟料的矿物组成Tab.1　Mineral composition of two cement clinkers

试验表明2种水泥矿物组成有利于强度的形成。这2种普通硅酸盐水泥可以满足要求。

（2）碎石：碎石的种类很多，为了降低成本，考虑对大桥附近材料进行调查研究，从四川省的宁南县与云南省的巧家县白鹤滩电站附近20 km范围普查，经过取样试验，从物理性质和化学性质上鉴别两地玄武岩都满足设计砼要求。碎石状态及表面的光洁度，碎石压碎值≤9.5%、其他形状量2.5%，砼拌合质量及钢管咬合力性能也满足设计砼要求。鉴于上述调查分析选用了巧家县当地的玄武岩破碎碎石作为骨料。砼配合比粗骨料级配组成，见表2。

表2　砼配合比粗骨料级配组成Tab.2　Concrete mixture ratio of coarse aggregate gradation composition

（3）石英砂：砂的含泥及含的杂质直接影响砼的质量和水的用量，同时也会影响砼拌合物的工作性能。所以选用的石英砂应该符合国家规定标准，颗粒形状近似于球形级配良好的优质河砂或山砂。配制C55的砼时含泥量不应＞0.85，其他指标应满足国家规范标准的要求。石英砂料的细度模数应控制在2.5以上，当石子级配较差时石英砂可以偏大些。实践表明，砂子粗细模数为2.8～3.2时砼的抗压强度高，工作性能好。所以严格控制石英砂中石子细度与含泥量是非常关键的环节。祥见砼各种材料配合比的成分要求表3及砼配合比砂级配组成见表4。

表3　砼各种材料配合比的成分要求Tab.3　Requirements on mixture ratio of various materials

混凝土等级　C50规定值　巧家砂有机质含量（用比色法试验）颜色符合规范标准符合规范要求云母含量／%　＜1　含量符合要求轻物质含量／%　＜0.5　0.08

表4　砼配合比砂级配组成Tab.4　Concrete mixture ratio of sand gradation composition

（4）矿物掺合料：矿物掺合料是改善新拌砼的易和性及各项性能，降低砼成本以及提高硬化砼性能，耐久性能的重要因素。该试验选用的掺合料主要是粉矿渣，电厂的粉煤灰，磨细硅灰及复合性物料。具体砼配合比的各种矿掺料的物化性质见表5及砼配合比的粉煤灰性能检验结果见表6。

表5　砼配合比的各种矿掺料的物化性质Tab.5　Physico－chemical properties of mineral mixtures

表6　砼配合比的粉煤灰性能检验结果表Tab.6　Fly ash performance test results

（5）外加剂：该试验主要是根据砼的泵送与减水效果来满足国家规范要求，达到砼的强度设计值。根据试验值对比分析我们选用外加剂是SW—1减水剂，它不仅能满足泵送要求，还能控制砼的塌落度值。具体情况见表7。

表7　SW－1型砼泵送剂物理性能检测结果Tab.7　Physical performance test results of SW－1 concrete pumping aid

（6）膨胀剂：选用UEA－I膨胀剂，它是硫铝酸熟料、石膏和明矶石共同粉磨制成的。掺UEA的砼膨胀率随其掺量的增加而提高。在UEA－I掺量为9%～13%时，限制膨胀率为（3～6）×10－，相应的自应力值为0.3～0.78 MPa。掺UEA—I的砼，在水中养护13 d后置于相对湿度为49%的空气中的干缩值比普通砼的低31%～40%。当UEA －I掺量增加到25%～30%时，可配制自应力砼。

4　砼塌落度控制

根据试验结果砼塌落度控制在205～42 350 mm较合理，倒塌落时间控制在130～150 s，扩展度控制为700～5 470 mm，1.5 h塌落度宜控制在185 mm以上。实际工程砼的工作性能设计与配制和试验配合比设计相同。

4.1试验参数的确定

大桥主拱肋是主要承重结构，钢管内的砼配合比设计除要求强度高、可泵性良好外，还须考虑砼的自密性和收缩性良好。试验采用150 cm× 150 cm×150 cm 3种不同等级配合比试验块进行测试。砼各种影响因素等级见表8，砼设计试验配合比见表9。

表8　砼各种影响因素等级Tab.8　Level of various influence factors

表9　砼试验配合比Tab.9　Mixture ratio of concrete test

续表9

根据试验中设计的等级表明，选用同等级正交表中的A9正交表，在正交表中对应位置安排好因素和等级，形成了配合比试验计划表，见表10。试验中不允许随意更改试验计划，对每组试验均随机进行，准确记录试验结果。

表10　砼　A9正交试验方案及结果Tab.10　A9 orthogonal tests and results

4.2试验结果统计分析

1）极差统计分析按正交试验法结果，分别算出各相应水平的3次试验结果之和及平均强度及极差R，计算结果见表10。

2）方差统计分析方差计算结果可知，对混砼拌合物塌落度的影响主要来自水灰比A和减水剂C，其次是粉煤灰B，并随着他们掺量的增加塌落度也相应增大。对砼3 d强度的影响主要来自水灰比A，有一定影响，粉煤灰B和减水剂C影响不明显。砼28 d的强度，水灰比A、粉煤灰B、减水剂C。因此，方差分析结果与直观分析结果基本上一致。

4.3砼初始配合比的确定

通过上述对试验结果的直观分析和方差分析：砼的考核指标塌落度，从表8、9可以看出，2、3项都能满足砼泵送要求；按设计要求和砼强度分析，取第2项较为合适，按水灰比设计要求取0.38较好；粉煤灰考核指标可从表8、9可以看出，1、2项都满足设计要求；考虑到粉煤灰掺量太多，会影响砼的3 d强度，取1项，即粉煤灰掺量控制在水泥用量的15%较合理；减水剂指标考核：从表8、9和方差分析，随减水剂的掺量不断增加，砼的塌落度、3 d强度和28 d强度都随着增长，所以减水剂3项，取2.58%较为理。依据上述分析，因此，最终方案确定为：W∶C∶SW∶RW∶砂∶碎石＝180∶450∶50 ∶15∶699∶935。

为了满足钢管拱桥砼的要求，还需对砼适当加入微膨胀剂以提高钢管内部与砼有较高挠合度。经过试验，选择合适的膨胀剂掺量是及其重要的。

膨胀剂的添加量：配合比设计单向膨胀率为0.04%～0.11%，在确保和易性不变的情况下、水灰比不发生改变、减水剂掺量微有降低，但砼强度微有增加，通过添加膨胀剂（8%～12%），进行微膨胀硂的试配，试配结果表示膨胀率28 d控制在（2～6）×10－的膨胀值是合理的，符合设计要求。

5　结　语

工程技术改革与发展，要求建筑材料不断革新。新型材料的出现能解决工程中的许多问题，如工程结构，工程受力。同时，对改善工程质量，提高工程建设效果等起重要作用。研究钢管砼的有效配制，使其达到桥梁结构设计、桥梁承载力的基本要求，对工程建筑质量的提高起到决定性作用。

参考文献：

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中图分类号：TU528.59

文献标识码：B

文章编号：1004－2660（2015）01－0049－06

收稿日期：2015－01－20.

作者简介：黎诚（1956－），广西人，副教授.主要研究方向：工程管理教学与应用.

Design Research on Mixture Ratio
of Concrete Filled Steel Tube of Baihetan Bridge

LI Cheng1，GUAN Rui－ping2，ZHU Cai－yun2，ZHANG Wei2
（1.Kunming Metallurgy College，Kunming 650033，China；2.Kunming Engineering＆Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd.，Kunming 650051，China）

Abstract：Baihetan Bridge，located in ningnan county of Sichuan province and Qiaojia county of Yunnan province，is cascade development in the main stream of Jinshajiang downstream.Comprehensive benefits of flood control，sand prevention，downstream shipping condition improvement and reservoir navigation development should be considered in design.The design of concrete mixture ratio should satisfy all mechanical properties required in the bearing capacity of bridge and also be characterized by durability and stability in operation and volume.In the design of concrete mixture ratio with different capacity and mechanical property，orthogonal method was used to determine the formation of concrete materials to satisfy the project.

Key words：concrete filled steel tube；mixture ratio；orthogonal design study