管桩填芯微膨胀混凝土配合比试验研究

2017-09-19周雪玲刘守伟孙乙庭

东北水利水电 2017年9期

关键词：膨胀剂膨胀率水胶

周雪玲，刘守伟，孙乙庭

（吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春130012）

管桩填芯微膨胀混凝土配合比试验研究

周雪玲，刘守伟，孙乙庭

（吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春130012）

文中以空港新城拦河闸工程为例，针对微膨胀混凝土补偿收缩的特点，介绍了预应力管桩填芯混凝土的配合比试验。通过调整膨胀剂掺量、混凝土和易性、抗压强度以及限制膨胀率，优化微膨胀混凝土配合比，为设计和施工提供重要依据。

管桩填芯；微膨胀混凝土；补偿收缩；限制膨胀率；试验研究

1 概述

预应力混凝土管桩具有桩身质量优良，单向承载力突出，抗裂能力强，适用范围广，施工进度快等优点，已在工程中得到广泛应用。为提高预应力管桩的承压性和抗拔性，需采用微膨胀混凝土进行管桩填芯。通过管桩填芯混凝土，桩顶与基础平台有效相连，改善了桩顶的受力状态，并使拉拔力均匀传至桩身。微膨胀混凝土在限制条件下会发生体积微膨胀，产生稳定均匀的压应力和压应变，能够缓慢地补偿收缩，抵消拉应力，既保证了管桩填芯密实，又不会过度膨胀破坏管桩。

根据膨胀量的大小，膨胀混凝土分为微膨胀、小膨胀、较大膨胀与大膨胀4个等级，其中微膨胀混凝土要求水中14 d限制膨胀率小于0.015%；小膨胀混凝土要求水中14 d限制膨胀率大于等于0.015%；较大膨胀混凝土要求水中14 d限制膨胀率大于等于0.025%；大膨胀混凝土要求水中14 d限制膨胀率大于等于0.040%。

长春九台空港新城拦河闸工程的预应力混凝土管桩，采用微膨胀混凝土进行管桩填芯，设计强度C25，要求具有良好和易性，坍落度控制在180～ 200 mm，水中14 d限制膨胀率小于0.015%。，原材料就近选择，水泥采用长春亚泰水泥厂生产的鼎鹿牌P.O42.5普通硅酸盐水泥，细骨料采用九台饮马河产河砂，粗骨料采用九台团山子产5～10 mm， 10～20 mm碎石，外加剂采用北京科硕建材厂提供的KS-01型聚羧酸盐高效减水剂和KS-16型复合膨胀剂。

2 原料选择

2.1 水泥

长春亚泰水泥厂生产的鼎鹿牌普通硅酸盐水泥，强度等级为P.O 42.5。经检测，所检各项指标符合GB 175-2007《通用硅酸盐水泥》的要求，见表1。

表1 水泥物理性能

2.2 细骨料

采用九台饮马河产河砂。经检测，属Ⅱ区，为中砂，级配合理，所检各项指标符合SL 632-2012《混凝土工程水利水电工程单元工程施工质量验收评定标准》和GB/T 14684-2011《建设用砂》的要求，见表2和表3。

表2 细骨料品质检测

表3 细骨料颗粒分析试验

2.3 粗骨料

采用九台团山子产碎石。粒径分为5～10 mm， 10～20 mm二级配。经检测，所检各项指标符合SL 632-2012《混凝土工程水利水电工程单元工程施工质量验收评定标准》和GB/T 14685-2011《建设用卵石、碎石》的要求，见表4。

表4 粗骨料物理性能检测

3 配合比设计与分析

3.1 配合比试验方法

配合比试验主要依据SL352-2006《水工混凝土试验规程》、JGJ55-2000《普通混凝土配合比设计规程》和JGJ/T178-2009《补偿收缩混凝土应用技术规程》进行。

混凝土拌合采用强制式搅拌机，搅拌时间4 min。由于坍落度要求较大，试件成型时采用捣棒人工捣实，抗压试块带模放入标准养护室中养护7 d后拆模，至龄期7 d，28 d进行抗压强度试验。

限制膨胀率试验，要求先把纵向限制器放入试模中，然后进行成型，并将试件置于标准养护室养护，成型后24 h拆模，并测量试件初始长度。将测定初始长度的试件浸入20±2℃的水中养护，分别测定3 d，7 d，14 d龄期的试件长度。测完14 d试件长度后，将试件移入温度20±2℃与相对湿度60±5%的恒温恒湿养护箱或恒温恒湿室内养护，测定28 d龄期时试件长度。按公式计算混凝土限制膨胀率。

式中：εt——龄期t时的限制膨胀率；L——试件基准长，300 mm；L0——试件初始长，mm；Lt——t龄期时试件长，mm。

3.2 配合比参数选择

胶凝材料包括了水泥和膨胀剂，膨胀剂按内掺法计算，按占胶凝材料的0%，3%，6%，9%进行试验。

粗骨料为二级配，按不同比例的粗骨料组合进行紧密堆积密度试验，经试验得出，碎石的最佳质量组合比为（5～10）mm∶（10～20）mm=4∶6。

砂率主要受石子级配、砂子细度模数、水灰比的影响。通过试验确定混凝土的最优砂率，为40%～41%。拌合用水选用饮用自来水。

3.3 配合比设计方案

试验根据微膨胀混凝土的特性，在满足混凝土坍落度、和易性的情况下，按不同膨胀剂掺量、不同胶凝材料用量、不同水胶比进行配合比设计。详见表5。

3.4 配合比数据分析

根据现场实际拌合效果，优选试验方案，对混凝土试件进行性能比较，结果详见表6、表7。

根据设计要求，微膨胀混凝土在水中14 d限制膨胀率要小于0.015%。由表6得，当膨胀剂掺量为6%时，限制膨胀率为0.010%，K7满足设计要求。而且，随着膨胀剂的不同掺量的掺入，混凝土坍落度无明显变化。由图1可知，膨胀混凝土在养护龄期1～7 d内，膨胀显著；之后8～14 d混凝土收缩量逐渐大于膨胀量，导致膨胀率降低，甚至出现负值，如K6；15～28 d混凝土膨胀率继续缓慢降低，较1～14 d变化不明显，趋于稳定。

表5 凝土配合比设计方案

表6 混凝土限制膨胀率与膨胀剂掺量

表7 混凝土抗压强度与胶凝材料用量

图1 混凝土限制膨胀率与膨胀剂掺量关系曲线

根据设计要求，设计强度为C25，强度保证率95%，则混凝土28 d配制强度为 fcu，0=fcu，k+tδ= 25+1.645×4.0=31.6 MPa。由表7得，K7，K11满足设计要求。由图2可知，微膨胀混凝土7 d，28 d强度与水胶比呈线性关系。水胶比越大，强度越低。不掺膨胀剂的混凝土7 d强度明显高于掺膨胀剂的混凝土7 d强度，而28 d强度两者又趋于相近。