重混凝土配合比设计及其在城市桥梁中的应用

邓长军，唐英，何跃军，胡安庆

(1．中国铁道科学研究院研究生部，北京100081;2．中铁西南科学研究院有限公司，四川成都610031; 3．成都建工路桥建设有限公司，四川成都610091)

重混凝土配合比设计及其在城市桥梁中的应用

邓长军1，2，唐英2，何跃军3，胡安庆2

(1．中国铁道科学研究院研究生部，北京100081;2．中铁西南科学研究院有限公司，四川成都610031; 3．成都建工路桥建设有限公司，四川成都610091)

根据成都市二环路高架桥立交大跨度曲线钢箱梁匝道桥的抗倾覆配重要求，采用重晶石为主要骨料，经试配与调整获得满足条件的重混凝土配合比。在此基础上进行混凝土配制并在混凝土拌合、运输、泵送、浇筑以及钢箱梁预拱度监测等关键环节采取控制措施，有效地保证了配重施工质量。

钢箱梁 重混凝土 配合比 控制措施

钢箱梁具有自重轻、跨越能力大、施工周期短等优点，在城市高架桥建设中得到广泛应用。由于城市的地域限制，高架桥立交节点处常使用小曲线半径钢箱梁结构。但因其受弯扭耦合作用造成扭矩较大，同时其自重较轻易出现支座脱空甚至倾覆等现象，一般通过在钢箱梁中桥墩附近设置配重，以增大支座正反力储备的方法加以控制［1-2］，重混凝土即是配重的关键材料。重混凝土是近年来新兴的特种材料，目前尚无国家标准和行业规范，配合比也需根据实际需要特别研究［3-4］。重混凝土具有重度大的特殊性，其施工质量与配合比设计、施工过程控制密切相关。

本文根据成都市二环路高架桥立交大跨度曲线钢箱梁匝道桥的抗倾覆配重要求，首先着手于满足需要的重混凝土配合比设计，同时从现场施工的实际情况出发，采取了一系列的控制措施，有效地保证了配重施工质量，取得了良好的经济技术效果。

1 重混凝土配合比设计

1.1 原材料选取

根据配重设计要求，重混凝土强度等级为C30，重度不低于35 kN/m3，同时需满足耐久性、和易性、经济性等指标，因此选取合适的原材料是关键。

1)水泥。应以满足混凝土强度及和易性等泵送指标为原则，选用密度较大、需水量和水化热都较小的P．O42.5R型普通硅酸盐水泥。

2)细骨料。重混凝土的强度、重度等物理性能在很大的程度上取决于骨料的表观密度、级配、尺寸与形状等指标。本配合比设计中采用级配良好、质地坚硬、颗粒洁净、密度较大的重晶砂作为细骨料来填充空隙，以达到混凝土和易性良好、保水性强、重度较高的目的。其技术指标详见表1、表2。

表1 细骨料物理力学性能

表2 细骨料筛分结果%

3)粗骨料。重混凝土常采用特别密实和特别重的集料制成，如重晶石混凝土、铁砂混凝土等，铁砂混凝土很容易达到设计要求，但其成本太高，故本配合比设计中粗骨料选用连续级配重晶石，并通过试验对其针片状含量等指标进行测定，防止混凝土出现离析现象从而影响强度及和易性。其技术指标详见表3、表4。

表3 粗骨料物理力学性能

表4 粗骨料筛分结果%

4)拌合用水。水的密度较小，可适当掺入减水剂来控制用水量和水胶比，降低水对混凝土重度的影响，同时改善混凝土的和易性。

5)外加剂。重晶石骨料石粉含量高、吸水性强，对混凝土强度、坍落度损失、凝结时间等指标均有较大影响。为确保混凝土强度及良好的可泵性需选用一种性能优良的外加剂;另考虑到钢箱梁顶板开孔小而难以振捣等现场条件，混凝土应具有较大流动性。综合以上因素，本配合比设计中选用低掺量、高减水率、适应性较好、对环境无任何影响的聚羧酸泵送剂作为外加剂，其掺量为2.1%。

6)掺合料。为改善混凝土的泵送效果，增加和易性且防止骨料下沉，减少泌水率和混凝土水化热，本配合比设计中采用Ⅰ级粉煤灰作为掺合料，其掺量为22%。

1.2 配合比设计［5-6］

对于重混凝土，由于目前尚无专门的配合比设计公式，故本设计主要依据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)，以质量法为设计计算依据，并根据施工经验和实际情况对各种成分用量进行了修改与调整，最终通过试验确定了现场拌制时采用的理论配合比。

1)确定混凝土配制强度

根据配重设计要求，混凝土立方体抗压强度标准值fcu，k=30 MPa，取标准差σ=5.0 MPa，则混凝土配制强度fcu，0=fcu，k+1.645σ=38.2 MPa。

2)确定水胶比

已知混凝土配制强度fcu，0=38.2 MPa，现计算水泥28 d胶砂抗压强度fce=γcfce，g=1.16×42.5 MPa= 49.3 MPa(式中:γc为水泥强度等级值的富余系数，fce，g为水泥强度等级值);查回归系数取值表得:aa= 0.53，ab=0.20;考虑到为改善混凝土工作性能而掺入的一定量的粉煤灰对水胶比的影响，则胶凝材料28 d胶砂抗压强度值fb=γfγsfce=0.69×1.00×49.3 MPa= 34.0 MPa(式中:γf为粉煤灰影响系数，γs为粒化高炉矿渣影响系数，查表取γf=0.69，γs=1.0)，由此计算得到混凝土水胶比W/B=(aafb)/(fcu，0+aaabfb)=0.43。

3)确定用水量

根据泵送施工需要，配制的混凝土应具有较大流动性，坍落度为18±3 cm，其用水量在《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)无法查找到相应参考值，因此本设计根据施工经验初步确定每立方米混凝土用水量mw0=150 kg/m3。

4)确定砂率

对于普通泵送混凝土，其砂率通常控制在35%～ 45%，本设计根据施工经验和实际情况选用砂率βs= 43%。

5)计算胶凝材料、掺合料和水泥用量

首先计算每立方米混凝土中胶凝材料用量为mb0粉煤灰掺量按22%计算，则每立方米混凝土中粉煤灰用量为mf0=76.7 kg/m3，每立方米混凝土中水泥用量为mc0=272.1 kg/m3。

6)计算粗、细骨料用量

本设计采用质量法计算混凝土配合比，并取每立方米混凝土拌合物的假定质量mcp=3 600 kg/m3进行计算。

由式(1)和式(2)得到:每立方米混凝土的细骨料用量ms0=1 333.5 kg/m3，每立方米混凝土的粗骨料用量mg0=1 767.7 kg/m3。

7)计算外加剂用量

根据施工经验，本设计中每立方米混凝土的外加剂掺量βa=2.1%，则外加剂用量ma0=mb0βa=7.3 kg/m3。

8)初步配合比确定

根据以上计算结果得到初步配合比，详见表5。

表5 初步配合比kg/m3

9)配合比的试配、调整与确定

根据初步配合比称料试拌，测得拌合物坍落度为195 mm，密度为3 540 kg/m3，且和易性良好，无离析，符合设计和施工要求，故以此配合比为试拌配合比。

在试拌配合比基础上设计三组不同配合比，其中1#配合比为试拌配合比，2#配合比在试拌配合比的基础上将水胶比上调0.05，砂率增加1%，用水量与试拌配合比相同，3#配合比在试拌配合比的基础上将水胶比下调0.05，砂率减小1%，用水量与试拌配合比相同。三组配合比混凝土试件试验数据见表6。

由试验结果可知:三组配合比混凝土试件的密度和强度均满足要求。经比较，拟选用1#配合比作为理论配合比进行重混凝土生产拌制。

2 工程应用

在成都市二环路永丰和武侯立交匝道桥钢箱梁配重施工中，采用1#配合比进行重混凝土生产拌制，累计泵送浇筑了约2 000 m3混凝土，并根据工程现场实际情况，采取了以下控制措施。

1)拌合与运输控制。拌合与运输时注意保持重混凝土的黏聚性，防止混凝土离析和坍落度损失而影响混凝土质量;另外重混凝土自身密度大，故在拌合与运输时应以重量作为设备荷载能力量化指标，以防发生机械设备损害。

2)泵送设备选择。混凝土泵送高度约20 m，应对泵车的整车质量、最大布料高度、最大半径进行综合考虑，选择泵送能力较大的设备。

3)分次浇筑。浇筑时应严格控制每次浇筑高度，一方面为防止混凝土离析和骨料沉降，另一方面由于重混凝土重度大，对钢箱梁纵横向加劲肋板侧压力大。施工前应对肋板承受的侧压力、抗弯及挠度进行验算，以确定浇筑速度与分层高度。

4)钢箱梁预拱度监测。由于钢箱梁线性膨胀系数较大，受温度影响也较大，故选在气温稳定时进行混凝土浇筑施工，且全程进行钢箱梁预拱度监测。其中，初始预拱度监测数据应在早晚进行测量并且记录温度，后续每次浇筑前后均需进行观测，并将实测数据与设计标准值进行比对，以此分析配重效果。

表6 三组配合比混凝土试件试验数据

3 结语

在结合工程经验的基础上，采用质量法作为配合比设计计算依据，配制出满足设计施工条件的以重晶石为主要骨料的重混凝土，并在混凝土拌合运输、泵送、浇筑、钢箱梁预拱度监测等关键环节采取控制措施。工程实践表明，施工过程安全顺利，做到了经济、高效、适用。本文对钢箱梁配重施工质量控制提供了一种思路，可供类似项目参考。

［1］孙全胜，张清晨，张双．曲线钢箱梁支座反力分析和脱空控制［J］．世界桥梁，2012，40(2):29-32．

［2］刘彬斌，陈福军．大跨度曲线钢结构匝道桥的抗倾覆设计［J］．市政技术，2014，32(2):63-66．

［3］王小岐．刚构连续梁梁端配重铁砂混凝土应用［J］．四川建筑，2013，33(2):197-199．

［4］崔嵩岭．浅谈配重混凝土的设计与应用［J］．中国新技术新产品，2013(8):16．

［5］张大强．重晶石混凝土在桥梁中的应用［J］．科技视界，2014 (4):108，210．

［6］中华人民共和国住房与城乡建设部．JGJ 55—2011普通混凝土配合比设计规程［S］．北京:中国建筑工业出版社，2011．

Mix proportion design of heavy concrete and its application to urban bridges

DENG Changjun1，2，TANG Ying2，HE Yuejun3，HU Anqing2
(1．China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;2．China Southwest Research Institute of China Railway Engineering Company Limited，Chengdu Sichuan 610031，China;3．Chengdu Construction Engineering Corporation Group Road and Bridge Company Limited，Chengdu Sichuan 610091，China)

T o meet the requirements of the anti-overturning balance weight of the long-span curved steel box girder at the ramp bridge at the viaduct bridge of the second ring road of Chengdu province by using barite as the main aggregate，after trails and adjustment，the mix proportion of heavy concrete was obtained．On this basis，heavy concrete was manufactured，in the mean time，control measures is taken at key stages as concrete mixing，transport，pumping，pouring and girder camber for the sake of quality control．

Steel box girder;Heavy concrete;M ix proportion;Control measures

TU528.19

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．07

1003-1995(2015)03-0024-03

(责任审编孟庆伶)

2014-10-29;

2014-12-10

邓长军(1986—)，男，四川安岳人，硕士研究生。