细石自密实微膨胀混凝土在狭小空间的施工应用研究

2018-09-06中铁大桥局集团有限公司湖北武汉430050

建筑科技 2018年1期

龙勇(中铁大桥局集团有限公司，湖北武汉 430050)

1 工程概况

某高速铁路桥梁工程中的主桥跨径布置为(116+120+336+120+116)m = 808m，336m 的主拱采用双层桥面钢箱系杆拱桥，116m 和 120m 的边拱采用混凝土简支系杆拱桥。主桥拱座为混凝土结构，拱肋为内高 9m、内宽 3m 的钢箱结构，拱座—钢箱拱肋结合面设计为 20 cm厚的 C 55 混凝土。结合段设计采用m 56 锚杆提供预压力，通过锚杆的预压力使钢箱拱和桥墩混凝土基座连接成一体。锚杆一侧锚固在混凝土桥墩内，另一侧锚固在钢箱拱承压加劲板与锚垫板共同构成的锚梁上，锚垫板厚度 60 mm。

由于所灌注的混凝土厚度仅为 20 cm，其中还布置 142根m 56 锚杆及钢筋网，钢筋密集，空间狭小，且无法振捣，所以要求混凝土有良好的流动性、穿透钢筋间隙能力及匀质性，能很好地填充结构物，即应具有自密实性。另外，为了防止混凝土与钢板脱黏，混凝土应具有一定的微膨胀性能，因此，决定使用 C 55 细石自密实微膨胀混凝土。

2 混凝土性能指标确定

根据 JGJ 283—2012《自密实度混凝土应用技术规程》要求，结合以往工程经验，配制的细石自密实微膨胀混凝土拌合物性能指标应满足表1 要求，硬化混凝土力学性能、耐久性及体积稳定性指标应满足表2 的要求。

表1 细石自密实微膨胀混凝土拌合物性能指标要求

表2 土力学性能、耐久性及体积稳定性指标要求

3 原材料优选

采用四川双马(宜宾)水泥制造有限公司生产的低碱 P·O 42.5 水泥，其标准稠度用水量 26.2%、比表面积应 336 kg/m2，碱含量 0.52%、熟料中 C3A 含量应＜ 5.7%，3d 抗折强度 5.6 MPa，3d 抗压强度 28.4 MPa，28d 抗折强度 8.3 MPa，28d 抗压强度 50.8 MPa，各技术性能指标均满足规范要求。

采用四川宜宾孝儿电厂生产的 F 类 Ⅰ 级粉煤灰，其细度 9.6%，需水量比 92%，烧失量 2.87%，各项指标符合TB/T 3275—2011 《铁路混凝土》规范 C 50 及以上混凝土用粉煤灰指标要求。

采用重庆天耀材料有限公司生产的 TY-ZY/Ⅰ 型高效膨胀剂，该膨胀剂后期膨胀效果良好，7d 抗压强度 24.9 MPa，28d 抗压强度 43.6 MPa，水中7d 限制膨胀率3.8×10-4，空气中 21d 限制膨胀率 0.9×10-4。

采用四川铁科新型建材有限公司特配的 TK-PCA2缓凝型聚羧酸高性能减水剂，复配了适当引气剂，减水率29%，7d 抗压强度比 149%，28d 抗压强度比 135%。

采用云南水富金沙江河砂，其细度模数 2.6，级配符合Ⅱ 区中砂，含泥量≤1.1%，泥块含量≤0.2%。

采用宜宾市珙县兴太采石厂用反击破破碎，再经整形工艺生产的 5～10 mm 连续级配碎石，其含泥量 0.3%，泥块含量 0.1%，针片状含量 2%，压碎值 6%。

4 混凝土配合比设计试配

4.1 混凝土配合比设计计算

配合比设计计算主要依据规范 JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》、JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》及 TB/T 3275—2011 进行，依据混凝土堆垒理论，采用绝对体积法设计计算。在相关参数选定时，应尽可能的提高集料用量、降低浆体体积，以保证混凝土的体积稳定性。

(1)确定粗集料用量：自密实混凝土粗集料体积宜控制在 0.28～0.35m³，过小影响混凝土弹性模量、体积稳定性等性能，过大则影响混凝土工作性。本混凝土设计强度较高，且碎石粒径偏小，初步选定粗集料表观密度为2780 kg/m3，体积为 0.35m³，粗集料mg用量计算见式(1)。

(2)确定细集料用量：砂浆体积计算见式(2)。

自密实混凝土的砂浆中砂的体积分数宜控制在0.42～0.45，过大则混凝土工作性和强度降低，过小则混凝土收缩较大。为进一步保证混凝土体积稳定性，适当降低胶凝材料用量，砂浆中细集料的体积分数取 0.45。细集料ms用量计算公式见式(3)。

掺适当的粉煤灰可改善混凝土的工作性，降低混凝土水化热；膨胀剂是微膨胀混凝土的膨胀源，经试验比选确定，取粉煤灰、膨胀剂的质量分数分别为 0.18、0.10。根据试验结果，水泥、粉煤灰、膨胀剂的密度分别为 3.14 g/cm3、2.57 g/cm3、2.81 g/cm3。

代入式(5)计算可得：胶凝材料表观密度 t b 为 2.986g/cm3。

依据普通混凝土配合比设计规程，取 v =6.0 ，

(8)计算单位用水量：单位用水量计算公式见式(8)。

(9)计算水泥用量、矿物掺合料用量：粉煤灰mf、膨胀剂mp、水泥mc用量计算见式(10)～(12)。

(11)验算混凝土浆体比：根据规范 TB/T 3275—2011第 7.2.6 要求，C 50～C 60(含 C 60)混凝土最大浆体比应≤0.35，浆体比是胶凝材料和水体积之和与混凝土总体积的体积之比。本次设计计算的混凝土配合比浆体比：；符合规范要求。

(12)确定初步配合比：根据以上计算，初步确定表3 中的混凝土配合比。

表3 细石自密实微膨胀混凝土初步配合比参数 kg/m³

4.2 混凝土配合比试配

(1)混凝土外加剂初步配方的确定。为保证混凝土有良好的工作性，满足坍落度损失小、易自密等性能要求，良好的高性能减水剂是关键，有必要对外加剂组分进行调整。为了降低调整外加剂组分时试拌混凝土的劳动强度，采用试拌同配合比砂浆性能方法确定外加剂的初步配方，试拌过程中，应重点观察砂浆的气泡大小、泌水巴底情况及扩展度发展趋势。通过调整外加剂配方，使砂浆达到不泌水、不巴底并保持流动性能良好。砂浆流动度试验方法参照 GB 50119—2013《混凝土外加剂应用技术规范》附录 A 进行，砂浆配合比见表4(是在表3 的基础上去除粗集料、外加剂掺量降低 0.2% 而形成的)。砂浆性能试验试拌5L，试验情况及外加剂配方调整情况见表5。

表4 试拌砂浆配合比参数 kg/m³

表5 砂浆试拌性能调整情况

(2)混凝土试配调整。根据表5 配合比参数、按配方 3外加剂，进行混凝土试配。试拌时首先确保混凝土工作性，工作性满足要求后再制作成型力学性能、耐久性能试件。单次试拌 25 L，通过微调外加剂配方使混凝土工作性满足施工要求，试拌混凝土工作性结果见表6。

表6 细石自密实微膨胀混凝土试拌工作性能结果

由表6 可以看出，同外加剂配方，试拌同配合比砂浆(掺量降低 0.2%)流动度与混凝土扩展度发展趋势基本一致，但其他性能需根据混凝土试拌实际情况进行适当调整。

通过表6 中序号2的试验，最终确定了外加剂配方，并用这个配方的外加剂试拌混凝土，测试的细石自密实微膨胀混凝土拌合物性能检测结果见表7，硬化混凝土力学性能、耐久性及体积稳定性检测结果见表8。

表7 细石自密实微膨胀混凝土拌合物性能检测结果

表8 细石自密实微膨胀混凝土力学性能、耐久性及体积稳定性检测结果

从表7、表8 可以看出，混凝土配合比各检测指标结果均满足施工、设计及规范要求，故拟定表3 配合比为本工程拱座-钢箱拱肋结合段施工用混凝土配合比。

5 混凝土模拟浇筑

本工程部位操作空间狭小，结构尺寸相对较大，且钢筋较密，混凝土浇筑一旦失败，几乎没有补救措施。为了进一步确保结合段混凝土浇筑的质量，采用平面尺寸 1/4、厚度为 20 cm 的结构模型进行模拟浇筑，浇筑过程中监控混凝土的工作性，并跟踪混凝土的力学性能。浇筑完成后，拆除模板进行混凝土外观验收，钻取芯样查看混凝土的密实程度，并检测混凝土芯样抗压强度。

经拆模检查外观、取芯验证强度，混凝土填充密实，无蜂窝麻面等缺陷，混凝土芯样 28d 抗压强度为 64.1 MPa，满足设计要求。

6 工程应用

为了确保拱座-钢箱拱肋结合段混凝土的顺利浇注，项目部制订了专项浇注方案，狭小空间施工时，应注意控制浇筑速度，防止浇筑过快而形成气囊。为了便于混凝土施工浇筑过程中观察及更好地排出气体，按梅花形预留部分锚杆孔间隙作为浇筑排气孔及观察孔，混凝土浇筑高度即将到达时用泡沫胶封堵；试验室制定了专项控制措施，混凝土原材料进场后，进行了室内试拌、拌和站试生产等工作，浇筑时，逐车检查混凝土施工性能，并跟踪5d 混凝土抗压强度、工作性能、5d 抗压强度与原配合比设计基本一致后，再正式生产施工。2016 年12月11日，在主桥2号墩、3 号墩拱座-钢箱拱肋结合段首次浇筑，混凝土出机坍落度 260 mm、扩展度 680 mm、混凝土含气量 2.4%，5 h 后坍落度 240 mm、扩展度 610 mm，5d 抗压强度 53.4 MPa、弹性模量 36.6 GPa，28d 抗压强度 67.0 MPa、弹性模量 41.3 GPa，14d 水中限制膨胀率 3.3×10-4、转空气中 28d 限制膨胀率 0.5×10-4，均满足设计及规范要求。该细石自密实微膨胀混凝土的成功应用，解决了狭小空间混凝土浇筑无法振捣、后浇易脱黏等难题，为今后类似结构施工积累了经验。