清水混凝土在桥梁墩柱施工的应用

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(长沙市公路桥梁建设有限责任公司，湖南 长沙 410205)

清水混凝土在桥梁墩柱施工的应用

钟帜旗,李湘锋，汤绍阳，赵龙

(长沙市公路桥梁建设有限责任公司，湖南 长沙 410205)

通过试验，研究配制高性能清水混凝土应用于桥梁大体积墩柱施工中，实现桥梁墩柱混凝土达到高性能混凝土的技术要求，而且浇筑出来的混凝土结构物能达到清水混凝土的外观效果。

桥梁橔柱；清水混凝土；矿物掺合料；强度影响系数；配合比设计

0 前言

清水混凝土，在国外叫做Architectural Concrete(建筑艺术混凝土)，Exposed Concrete(暴露表面混凝土)或称作Fair Faced Concrete(整形表面混凝土)。清水混凝土由于技术难度大，造价高，目前少量应用于大楼、高铁车站等有特殊要求的大型工程，在高速公路方面较少有应用案例。随着公路行业的发展，施工人员对混凝土工作性能要求越来越高，建设方对桥梁混凝土构件的外观要求越来越高。而清水混凝土的技术特点和外观表现特征，可以很好地满足这些要求。将清水混凝土理念应用于桥梁等混凝土结构，采用普通常规的建筑材料，通过试验方法，反复试配及调整，在桥梁混凝土施工中实现清水混凝土的工作性能和外观效果。

1 工程概况

某沿海高架桥，桥梁宽度 25.5 m，设计汽车荷载为公路-I级。墩柱混凝土施工主要技术难点如下：

1)在城市主干道上建设高架桥，采用花瓶墩，要求墩柱外表美观、基本无缺陷。要求混凝土和易性好，气泡少，不离析不泌水。

2)墩柱最小截面尺寸为2.0 m×2.2 m，墩高10～15 m，混凝土方量为150～210 m3，一次浇筑成型，要求混凝土缓凝时间长，水化热低。

3)墩柱钢筋及预应力钢绞线密集，钢筋间距小，混凝土振捣施工空间狭小，难以振捣密实，要求混凝土流动性大，易于振捣密实。

4)工程处于沿海地带，受来自海上潮湿空气侵蚀影响较大，要求混凝土致密性好，抗渗和抗侵蚀能力强。

2 确定混凝土配合比设计目标参数及设计理念

针对工程要求，确定墩柱C40混凝土配合比设计目标技术要求如下：

1)新拌混凝土性能要求：和易性良好、不离析、不泌水。坍落度：18～22 cm，扩展度：≥550 mm，1 h塌落损失：<20 mm。

2)混凝土结构外观质量要求：颜色基本一致、无明显色差，无修补。最大直径不大于8 mm，深度不大于2 mm，每1 m2气泡面积不大于20 cm2。无漏浆、流淌及冲刷痕迹，无油迹及锈斑，无粉化物。

显然采用常规的混凝土配合比生产的混凝土很难满足工程技术要求，通过研究相关资料和应用实例，决定采用配合比设计新理念，配置高性能清水混凝土进行桥梁墩柱施工，以满足施工技术要求。

3 混凝土配合比设计

3.1 配合比各原材料确定及性能试验

通过各种建筑材料性能比选，结合工程实际情况，选用混凝土配合比用原材料及各项指标检测如下：

1)海螺P.042.5水泥，试验得技术指标如表1。

表1 海螺P0425水泥技术指标标准稠度/%密度/(g·cm-3)比表面积/(m2·kg-1)初凝时间/min终凝时间/min28d强度/MPa274305350158255463

2)F类II级粉煤灰，试验得技术指标如表2。

表2 F类II级粉煤灰技术指标细度/%烧失量/%需水比/%密度/(g·cm-3)游离氧化钙/%218429319011

3)S95级磨细矿渣粉，试验得技术指标如表3。

表3 S95级磨细矿渣粉技术指标密度/(g·cm-3)比表面积/(m2·kg-1)流动比/%28d活性指数/%291412102107

4)SM高性能聚羧酸减水剂，试验得技术指标如表4。

表4 SM高性能聚羧酸减水剂技术指标减水率/%含气量/%泌水率比/%7d抗压强度比/%28d抗压强度比/%2651503138112

5)5～31.5 mm连续级配碎石，试验得技术指标如表5。

表5 5～315mm连续级配碎石技术指标表观密度/(t·m-3)振实密度/(t·m-3)堆积密度/(t·m-3)针片状含量/%含泥量/%压碎值/%空隙率/%吸水率/%260217514630051584418

6)天然河砂，II区中砂，试验得技术指标如表6。

表6 天然河砂II区中砂技术指标表观密度/(t·m-3)振实密度/(t·m-3)堆积密度/(t·m-3)细度模数含泥量/%饱和面干含水率/%空隙率/%2618172152268103542

3.2 各组分胶凝材料掺量确定

理论上多种胶凝材料组合共同作用，可以量化的指标是胶砂强度，可以采用水泥胶砂强度的试验方法，确定各种外掺料对胶砂强度的影响程度，即掺入外掺料的胶凝材料的胶砂强度与纯水泥胶砂强度的比值，定义为强度影响系数。通过不同胶凝材料的强度影响系数，可以计算得到多组分胶凝材料中各胶凝材料的占比。

本工程配合比所用胶凝材料为3种，水泥、粉煤灰和矿粉，外掺料总掺量为40%，通过胶砂强度试验，得到粉煤灰和矿粉的胶砂强度以及强度影响系数，试验结果如表7。

表7 试验结果胶凝材料组成28d胶砂强度/MPa强度影响系数水泥100%46310水泥60%+粉煤灰40%386083水泥60%+矿粉40%503109

根据上表数据，计算本工程C40墩柱配合比各组分胶凝材料掺量。

根据配合比设计规程取设计强度富裕系数为1.08，强度影响系数=42.5 MPa×1.08/46.3 MPa=0.99。

设粉煤灰掺量为X，矿粉掺量为Y,建立联立方程：

解方程得：X=18%,Y=22%。

该配合比中各胶凝材料占比为 ：水泥 ∶粉煤灰 ∶矿粉=60%∶18%∶22%。

3.3 外加剂掺量确定

用计算确定的胶凝材料掺配比例，用水泥净浆标准稠度用水试验方法，试验所得多组分胶凝材料标准稠度为28.6%，取标准稠度为水胶比W/B=0.286，取0.286水胶比对外加剂进行最佳掺量试验结果如表8。

表8 外加剂最佳掺量试验结果掺量/%净浆流动度/mm102001222014250

根据相关研究资料，用标准稠度用水量测定的净浆流动度数值跟拌制的混凝土坍落度有较好的关联性，墩柱配合比混凝土设计坍落度在220 mm左右，取表中净浆流动度为220 mm时的外加剂掺量为混凝土配合比的外加剂掺量。

3.4 砂子用量的确定

根据填充理论，混凝土中的砂子完全填充于碎石的空隙中，使得混凝土达到最密实状态，性能最佳。每立方米混凝土中砂子的准确用量为砂子的紧密堆积密度βs=1 720 kg/m3乘以碎石的孔隙率44%，则砂子用量为：S=1 720 kg/m3×44%=757 kg/m3。

3.5 胶凝材料用量确定

根据朱效荣多组分混凝土设计理论，计算配合比胶凝材料用量为398 kg/m3，通过前面确定的各胶凝占比，计算出各胶凝材料用量：水泥=398 kg/m3×0.6=238 kg/m3，矿粉=398 kg/m3×0.22=88 kg/m3，粉煤灰398 kg/m3×0.18=72 kg/m3。

3.6 碎石用量确定

根据朱效荣多组分混凝土设计理论，用碎石的堆积密度扣除胶凝材料的体积以及胶凝材料水化用水的体积对应的碎石，即可求每1 m3混凝土碎石的用量，通过计算碎石用量为1 069 kg/m3。

3.7 用水量确定

根据朱效荣多组分混凝土设计理论，配合比用水量=胶凝材料标准稠度用水量+河砂润湿所需水量+碎石润湿所需水量。计算得到单位用水量为158 kg。水胶比：W/B=0.40，满足规范要求。

通过以上配合比各组分用量的计算，C40墩柱基准配合如表9。

表9 C40墩柱配合比各材料用量表kg水泥粉煤灰矿粉碎石河砂水外加剂23872881069757158478

4 混凝土配合比试拌、调整及应用

应用上面基准配合比进行混凝土试拌，通过外加剂复配调整，对混凝土性能进一步优化。掺入引气剂控制混凝土含气量，保障混凝土流动性。掺入缓凝剂减小混凝土坍落度损失，掺入消泡剂，排出部分混凝土气泡，减少混凝土表面气泡，掺入增稠剂，保证混凝土和易性，不泌水。如图1，图2。

图1 新拌混凝土状态

图2 新拌混凝土坍落度

最终确定混凝土施工配合比，其各项指标检测结果见表10。

表10 新拌混凝土各项指标检测结果表容重/(kg·m-3)坍落度/mm1h坍损/mm扩展度/mm泌水率/%含气量/%初凝时间/min终凝时间/min242022010550035485605

由上表试验数据可知，新拌混凝土各项性能良好，均能满足施工要求。

对硬化混凝土各项指标进行检测，结果见表11。

表11 硬化后混凝土性能检测结果表7d强度/MPa28d强度/MPa28d弹性模量/GPa抗渗电通量/C抗冻等级28d碳化深度/mm405508326W121740F3000

由上表试验数据可知，该混凝土在强度、抗渗、抗侵蚀等方面表现优秀，能满足设计使用要求。

应用此配合比拌制的混凝土流动性好，扩展度大，坍落度损失小，泵送顺利，有一定的自密实性能，易振捣，早期水化热低，利于夏天作业。在使用模板漆的情况下，其外观呈仿大理石状，平整光滑，手感细腻，有光泽，呈现出镜面效应，可达到清水混凝土效果。

墩柱拆模后外观效果见图3。

图3 墩柱拆模后外观效果图

5 结论

传统的配合比设计，其各组分粗犷式经验参数计算，其精度难以满足现代高性能混凝土配合比设计要求。在引入多种矿物掺合料和复配聚羧酸高效减水剂后，各种材料作用机理进一步复杂。不同地区的材料，其各项技术指标差异大，同一配方拌制混凝土体现出来的效果也有着很大的差异，配合比设计难度和复杂度进一步提高。

选定合适的建筑材料进行配合比设计，通过对材料的性能指标进行试验，根据各材料的性能参数，通过确定强度影响系数来计算胶凝材料掺量，应用多组分混凝土配合比设计理论，结合清水混凝土技术要求，准确计算目标配合比各组分质量。在不增加成本的情况下，实现混凝土配合比设计精准化，使配合比中各组分材料的作用充分发挥，实现混凝土各项性能的突破，明显优于常规混凝土，达到高性能混凝土的技术要求，而浇筑出来的混凝土结构物达到清水混凝土的外观效果。

[1] 朱效荣.数字量化混凝土使用技术[M].北京：中国建筑工业出版社,2016.

[2] 胡红梅,马保国.混凝土矿物掺合料[M].北京：中国电力出版社，2016.

[3] 冯乃谦,笠井方夫(日本) ,顾晴霞.清水混凝土[M].北京：机械工业出版社，2011.

[4] JGJ55-2011,普通混凝土设计规程[S].

1008-844X(2017)03-0171-03

U 445.55

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2017-08-18

钟帜旗(1982-)，男，工程师，主要从事路桥建设。