汉阳河特大桥自密实微膨胀混凝土的制备及其施工工艺

汉阳河特大桥自密实微膨胀混凝土的制备及其施工工艺

朱剑，伍远华，杨光志，杨小峰，向常华

(五峰土家族自治县交通运输局，宜昌 443400)

摘要：以Ⅱ级粉煤灰和硅灰作为矿物掺和料，利用当地砂石原材料、P·O 42.5水泥和HCSA高性能膨胀剂，制备出了C50自密实补偿收缩混凝土，并应用于宜昌五峰汉阳河特大桥钢管拱桥中。工程应用表明：制备出的混凝土满足标准和施工要求，适当掺量的膨胀剂可以补偿混凝土收缩，外加剂中增粘组分及引气组分可明显提升混凝土的黏聚性和流动性，通过采用泵送顶升现场施工工艺成功对宜昌五峰汉阳河特大桥进行了施工。

关键词：自密实；C50高强；微膨胀；钢管混凝土；施工工艺

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.04.004

Abstract:This paper prepared the C50 self compacting and micro expansional concrete by using P·O 42.5 cement,high-performance expansive agent,local raw aggregate and adding fly ash II,silica fume mineral admixtures.It was successfully applied into the construction of Hanyang River steel tube arch bridge in Wufeng County,Yichang City.The engineering application showed that:the concrete with proposed construction mixture proportion met the standard and construct requirements;the appropriate amount of expansive agent compensated the shrinkage degree of concrete;the viscosity and fluidity of the concrete was significantly improved by adding tackifier constituents and air entraining components in admixture.The construction was carried out successfully with lift pumping construction technology.

收稿日期：2015-06-10.

基金项目：高性能土木工程材料国家重点实验室开放基金(2012CEM004).

作者简介：朱剑(1982-),工程师.E-mail:17156471@qq.com

Preparation and Construction Technology of Self-compacting

Expansive Concrete for Hanyang River Bridge

ZHUJian,WUYuan-hua,YANGGuang-zhi,YANGXiao-feng,XIANGChang-hua

(Transportation Bureau of Wufeng Tujia Autonomous County, Yichang 443400，China)

Key words:self compacting;C50 high strength;micro expansion;steel tube-confined concrete;construction technology

钢管混凝土是指将混凝土填充到钢管中,由钢管和核心混凝土共同承担荷载的组合结构构件[1]。这种复合构件能有效地提高钢管混凝土的稳定性和承载能力，简化了施工工序，缩短了施工工期，节约了各项成本，同时降低了对环境的破坏，符合资源节约型和环境友好型的要求。

1工程概况

汉阳河特大桥是一级公路陆城-渔洋关延伸段重点工程，是五峰县境内连接宜昌-张家界高速的重要干线桥梁。该桥设计全长399 m，主跨171 m，主桥为上承式钢管混凝土拱桥，桥与谷底高差达100 m，是五峰境内第一座钢管拱桥，也是五峰最高、最长的一座桥。该项目能优化区域路网结构，对五峰新县城的建设，改善五峰对外交通条件，缓解城市交通压力，开发利用沿线丰富的自然资源和旅游资源，带动沿线民族地区经济社会发展，帮助五峰县的脱贫致富，进一步拓宽城市发展空间，提速新型城市化发展进程都具有十分重要的意义。建成通车后，将为五峰西部乡镇及周边地区群众的出行、沿线经济和旅游的发展提供有力保障。

汉阳河特大钢管混凝土拱桥(主拱、缀板、立柱)采用C50钢管自密实混凝土进行灌注，采用泵送顶升法灌注混凝土，共8根钢管、4个缀板和12根立柱，每根钢管需自密实高强混凝土104方，拱座两边各52方；每根缀板需25方，；立柱共需400方。该项目克服了山区昼夜温差大，夏季施工温度高等难点，通过减少胶凝材料用量，降低水灰比等措施保证了钢管自密实补偿收缩混凝土的各项工作性能和强度要求，同时用矿物掺合料替代部分水泥，既提高了混凝土的性能，又节约了成本，实现了施工质量和经济效益双赢。

2技术性能要求

设计的C50钢管自密实混凝土首先要保证优良的自密实性能，满足自密实混凝土应用技术规程SF1、VS1的要求，同时混凝土易于泵送施工，早期强度上升明显，后期强度持续增长，含气量符合施工要求规定。为确保施工质量，对其钢管混凝土具体性能指标要求如下：

1)物理力学性能：混凝土早期强度高，3 d抗压强度大于等于40 MPa，4 d强度达到45 MPa以上，28 d抗压强度达到100%，不振捣混凝土抗压强度达到振捣混凝土抗压强度的98%以上。

2)工作性能：良好泵送性能，坍落度大、和易性好、不泌水离析且自密实，初凝时间>14 h，初始坍落度220～260 mm，初始坍落扩展度550～650 mm，T500扩展时间2～20 s，2 h后坍落度≥200 mm，2 h后扩展度≥500 mm，3 h后坍落度≥160 mm， 3 h后扩展度≥350 mm。

3)体积变形性能：密闭环境下混凝土28 d自由膨胀率(2.0～4.0)×10-4，360 d徐变系数<1.8。

4)气体含量：粘聚性和保水性好，拌合物含气量小于2.0%。

3试验原材料

1)水泥：宜都华新P·O 42.5水泥；

2)砂：洞庭湖中砂，表观密度ρa=2 682 kg/m3，细度模数2.89，含泥量0.7%；

3)碎石：五峰崇阳石厂5～25 mm和5～20 mm连续级配普通碎石，表观密度ρa=2 718 kg/m3，针片状含量3.6%，压碎值11.7%；

4)粉煤灰：湖南石门电厂Ⅱ级粉煤灰，符合现行标准GB 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》规定的Ⅱ级灰技术要求；

5)硅灰：SiO2含量92%，比表面积18 600 m2/kg，需水量比122%；

6)膨胀剂：天津豹鸣HCSA-EAACⅡ型高性能混凝土膨胀剂；

7)减水剂：武汉苏博特YJ-1型聚羧酸减水剂，减水率26%，固含量27%；

8)水：采用生活用水。

4C50自密实微膨胀钢管混凝土施工配合比设计

4.1　施工配合比的确定

通过实验室对胶凝材料种类及用量、水胶比、矿物掺合料替代率、砂率、膨胀剂等影响因素的研究，并考察施工现场具体情况后，了解到将于钢管主拱、缀板、立柱此三个部位进行C50自密实微膨胀混凝土的灌注。其中，主拱的施工为一次顶升泵送，缀板为求保险应进行二次接力泵送，立柱则需使用高抛工艺，因此这三个施工部位的混凝土性能便存在一定的差异。如缀板中的混凝土大颗粒的石子应尽量减少，且粘聚性更好；用于高抛的混凝土宜降低配合比中石子的比例，粘聚性也应很好。同时为使混凝土在更长的时间跨度内仍有良好的保塑性能，应适当增加减水剂的掺量，并需掺入增粘组分以防止混凝土离析、扒底。

表1　C50钢管自密实混凝土施工配合比　/(kg·m -3)

注：缀板配合比中所用石子粒径为5～20 mm；立柱配合比中减水剂里增粘组分的掺量变为1.0%。

4.2　施工配合比力学性能及工作性能

经系列实验研究后， C50钢管混凝土的施工配合比进行进一步的优化，其力学性能和工作性能见表2。

表2　C50钢管混凝土施工配合比的各项性能

注：由于钢管混凝土的自密实特性，成型混凝土试块时不进行振捣处理。

如表2所示，各组混凝土工作性能良好，含气量低，28 d强度富余较大，膨胀率符合要求。为适应紧凑的施工进度安排，C50混凝土应在3～5 d的强度即达到90%及以上，故将水泥用量从410 kg/m3增加至430 kg/m3，则使混凝土4 d强度均超过了90%。而且，由于胶凝材料用量增多，混凝土的流动性能也略有提升。从施工配合比的混凝土工作性能数据可看出，尽管掺加硅灰和提高增粘组分的方式都能使混凝土的粘度增大，不过2#混凝土较3#混凝土的流动性更好，且硅灰的掺入使其各龄期的强度得到了一定幅度的增长，因此2#配合比的混凝土适宜进行缀板的施工，而3#配合比的混凝土可进行立柱的高抛施工。1#适合主拱泵送施工。

4.3　膨胀性能研究

为使混凝土的密闭环境自由膨胀率符合要求，该试验控制胶凝材料用量为560 kg/m3，减水剂量为1.2%,水胶比为0.295，研究膨胀剂掺量为0 kg/m3、40 kg/m3、45 kg/m3、50 kg/m3、55kg/m3对混凝土膨胀性能的影响。试验结果如图1所示。

实验结果表明掺EAACⅡ型膨胀剂可以一定程度地补偿混凝土的收缩，并随膨胀剂掺量的增加而逐渐增大。掺量为8%(45 kg/m3)EAACⅡ型膨胀剂时，56 d自膨胀率在3.4×10-4左右,满足钢管混凝土补偿收缩的要求，混凝土的56 d密闭自由膨胀率数值在3.0×10-4以上，满足标准要求。

5钢管混凝土施工工艺

5.1　钢管混凝土的拌合

要求拱肋钢管混凝土泵送施工在4 h之内完成。因此，混凝土总拌合量不宜低于40 m3/h，如果现场拌合，则每岸至少两台拌合机，且要求计量准确，如果有一台拌和机出现故障，仍然能保证钢管混凝土泵送连续施工；水泥、粉煤灰温度宜低于50 ℃；砂、石集料宜采取遮阳措施，避免太阳暴晒影响拌合物工作性能；拌合前测试砂含水率，拌合过程中每2 h测试砂含水率；混凝土拌合时间宜90～120 s，以保证拌合充分。

如果采用商品混凝土站集中拌合，则建议采用两个拌和楼同时进行搅拌，每个拌和楼分别供应一端，并选择合适的位置搭设平台，方便膨胀剂、硅灰等原料的投放。同时每个拌和楼配置4台混凝土罐车，以保证混凝土供应量，确保灌注施工能够连续进行，避免因混凝土供应不足导致长时间停泵，最终导致堵管等现象；混凝土罐车在运输中不得随意加水。

5.2　钢管混凝土的运输

混凝土的灌注施工须在现场已备有三车混凝土，第四车已从搅拌站发出后方可开始，防止由于交通堵塞等原因导致的混凝土供应不足，确保施工连续进行。

由于现场地形较复杂，混凝土罐车难以将混凝土运送至泵车附近，因此，两岸均需设置混凝土溜槽，以便将混凝土顺利运送至泵车料斗。同时为了确保料斗中有足够的混凝土，并且能够混合均匀，应该将料斗进行加高。

在实际施工过程中，应注意施工时的气温，若气温较高，则应对钢管外壁进行适时的洒水降温，或者覆盖土工布后进行洒水降温，防止由于气温过高导致管内混凝土坍落度经时损失快，影响施工。

5.3　拱肋钢管混凝土的施工

在拱顶要牢固焊接隔仓板，使整根钢管分为两仓，两岸同时对称泵送，根据拱桥的跨距、拱高、混凝土拌合能力等因素采用一次泵送到顶。泵管的布置应合理，尽量避免弯折布设，且必须绑好接牢，以免混凝土灌注过程中泵管晃动剧烈而脱落。泵送混凝土前，先泵送0.3～0.4 m3水润湿钢管内壁，并观察是否漏水，以保证泵管连接牢固，再泵送两斗(0.6 m3)砂浆对钢管进行润湿。

泵送时在拱脚处开灌注孔，在拱顶两侧50 cm左右开排气孔，排气孔为焊接在拱肋上的一截钢管，钢管直径15 cm，高度1.5 m，要有一定倾斜角度，防止混凝土洒到钢管上，影响钢管的外观。混凝土对称顶升至拱顶后应先冒出水和砂浆，然后是混凝土，从排浆管排出1 m3混凝土后不得停机，每3～4 min打两下，保证管内混凝土填充密实。

泵管设置如图2所示。

5.4　缀板钢管混凝土的施工

缀杆必须与缀板焊接牢固，避免施工过程中脱焊，起不到限制缀板变形的作用。在拱角处开排气孔，排气孔钢管倾斜角度为30°～45°，在拱顶处焊接隔仓板，在L/4处开孔，接好泵管，提前做好接力泵送准备，避免因为焊接不牢固而导致缀板变形。施工方法与拱肋施工一致。

5.5　立柱钢管混凝土的施工

立柱采用高抛工艺，在立柱中段应采用阻力网以避免混凝土产生离析分层，最好一根立柱一次高抛完成，同时应注意泵管的洒水和覆布处理，减少泵送压力，避免堵管。

具体施工方法与拱肋施工类似。

6工程应用效果

汉阳河特大钢管拱桥采用泵送顶升法灌注混凝土，共8根钢管和4个缀板，每根钢管需自密实微膨胀高强混凝土104方，拱座两边各52方。C50自密实微膨胀钢管混凝土由五峰宗和商混搅拌站拌合，1 h混凝土拌合量在30～40方，运输距离5 km左右，混凝土出站抽样的坍落度230～250 mm，扩展度580～610 mm。正常情况下新拌混凝土半个小时可以到达工地。在工地现场抽样，坍落度230～250 mm，扩展度550～600 mm，坍落度几无损失。

C50自密实微膨胀钢管混凝土浇筑后3 d强度可以达到85%，4 d强度可以达到95%，7 d后强度完全达到100%，满足标准要求。同时早期强度较高，缩短了施工时间，节约了人工成本。

7结论

a.基于施工当地原材料，利用施工配合比能够制备出具有良好力学性能、工作性能和符合施工要求的自密实补偿收缩钢管混凝土。

b.掺加HCSA-EAACⅡ型高性能混凝土膨胀剂能有效解决混凝土收缩的问题，产生微膨胀的效果，增加了钢管拱桥的结构稳定性。

c.通过对不同施工部位的施工配合比微调，合理调配施工工艺，顺利进行了宜昌汉阳河特大桥主拱、缀板、立柱混凝土泵送灌注，满足设计要求。

参考文献

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