马林大桥高墩施工采用双掺技术优化混凝土配合比设计的研究

■胡元清

(三明市公路局明溪分局，三明 365000)

1 前言

福建省是一个多山地区，地形、地质复杂，桥梁混凝土的施工受地形地貌限制，若采用吊筒运送混凝土存在施工难度大、施工进度慢等较多不利因素，怎样解决桥梁高墩混凝土泵送施工技术和保证梁体混凝土的各项技术指标满足设计及规范要求，这就成施工中需要攻克的技术难题。

2 工程概况

福建省三明长深高速公路连接线(快速通道)起于沙县后底，终于梅列贵溪洋，路线长18.39km，双向六车道，设计时速80km/h，按一级公路兼城市快速路标准建设，工程预算25.1亿元。其中马林大桥位于三明市梅列区马林道班附近，横跨马林与洋溪峡谷两侧山的顶峰，主桥采用42m+76m+42m=160m预应力混凝土连续现浇梁刚构，桥长523.5m，桥宽25.5m，主墩采用104m高的空心薄壁墩，墩身、现浇刚构梁混凝土设计强度均为C50。

3 高扬程泵送混凝土存在的质量及安全隐患

由于山高坡陡，施工便道只能沿山体螺旋形修建，无大面积空旷地段，混凝土浇注只能用泵车从墩底往上泵送。由于混凝土从地面到桥面泵送扬程超百米，混凝土与管壁的摩擦易造成混凝土中水分损失快、混凝土坍落度损失大、工作性能差不易振捣密实等质量隐患；加之混凝土中水泥掺量多、水化热高、泵送时混凝土骨料与泵管摩擦阻力大，易造成混凝土堵管及泵管爆管等现象；此外，高空疏通或更换泵管费时费力，不仅存在安全隐患，还会造成梁体混凝土出现人为的施工冷缝，存在质量隐患。

图1 马林大桥桥型图

4 原材料的选定及技术指标

选择的原材料需满足规范、设计要求和马林大桥特殊的施工条件，各种原材料试验数据如表1～7所示：

表1 水泥技术指标

表2 细集料技术指标

表3 碎石技术指标

表4 粉煤灰技术指标

表5 矿粉技术指标

表6 减水剂技术指标

表7 拌合用水技术指标

5 优化混凝土配合比设计的常规措施

混凝土配制强度按照下列公式计算：

式中，Fcu,0——混凝土配制强度(MPa)；

Fcu,k——混凝土立方体抗压强度标准值。这里取混凝土的设计强度等级值(MPa)；

σ——混凝土强度标准差(MPa)。

确定混凝土配制强度为59.8 MPa。

为了解决混凝土泵送问题，试验室从改良混凝土的可泵性入手，采取了以下措施：

5.1 调整砂率

规范规定的混凝土砂率示于表8。

对标国外先进技术，渤海装备目前已先后完成中国石油集团公司科研项目6项，专利申报26项，技术攻关48项，为产品升级换代、适应用户新的更高要求提前做好技术储备。

表8 混凝土的砂率的规范规定(%)

混凝土配合比设计塌落度为180±20mm，按表8得出砂率为40%，砂的细度模数Max=2.83属于中砂偏粗，并经试配选定砂率调整为42%。

5.2 采用反击破法生产的粗集料

采用反击破碎石，粒径为4.75～19mm的连续级配碎石，最大公称粒径19mm，减少了混凝土中粗骨料菱角对泵管的摩擦，泵管直径为125mm,粗骨料的最大公称粒径与输送管径之比为1∶6.6。

5.3 采用高效减水剂

配合比设计时采用了聚羧羧高效减水剂，增加了混凝土的流动性。外加剂选定山西凯迪KDSP-1(标准型)聚羧羧高效减水剂，减水率为31%，掺量为胶凝材料的1%。

表9 粗骨料的最大公称粒径与输送管径之比

表10 外加剂性能指标的规范要求

6 采用双掺技术优化配合比设计

6.1 掺加粉煤灰、矿粉优化配合比

配合比设计时引入了双掺技术。考虑到马林大桥的悬灌结构受力状况和预应力张拉等因素，在配合比设计中采用双掺技术，经试配粉煤灰掺配比例为胶凝材料的8%，矿粉掺配比例为胶凝材料的17%，以改善混凝土的工作性能。

6.2 试验结果分析

单掺配合比与双掺配合比性能比较见表12。表12只列出单掺、双掺的C50基准配合比进行各项性能的比较结果。

表11 预应力混凝土中矿物掺合料最大掺量的规范要求

表12 单掺、双掺的C50配合比设计比较

7 双掺技术的应用

7.1 双掺技术对混凝土可泵性的影响

影响混凝土可泵性的因素是多方面的，包括原材料比如碎石的粒径、细骨料的级配、砂率、单位用水量、外加剂减水性能及水泥的掺量等。在保持前几项材料基本一致的情况下，通过表中不难看出，采用双掺技术比单掺混凝土坍落度损失、扩展度损失明显减小。这主要缘于在双掺改良高性能配合比中，细骨料的颗粒比粗骨料细；水泥的颗粒比细骨料细，粉煤灰的颗粒比水泥细，矿粉的颗粒又比粉煤灰细，从而形成了配合比中粗骨料的空隙由细骨料去填充，细骨料的空隙由水泥去填充，水泥的空隙由粉煤灰去填充，粉煤灰的空隙由矿粉去填充循环现象，因而形成了密实性较高的高性能混凝土。它们之间在自由水与高性能外加剂的作用下起到连接，润滑、滚动及增加和易性的作用，减少了颗粒间的摩擦，从而改善混凝土和易性。另一方面掺入粉煤灰后可以提高混凝土流动性，而矿粉有较好保坍性作用即减少了坍落度损失，从而提高了混凝土的泵送性能，减小了混凝土对管壁的摩擦系数。

表13 单掺、双掺的C50配合比工作性能对比

表14 单掺、双掺的C50混凝土可泵性对比

7.2 对混凝土强度的影响

通过基准混凝土双掺技术与单掺技术对比分析，7d基准混凝土强度单掺混凝土比双掺混凝土略高，但28d强度则相近，56d强度却刚好相反，采用双掺技术混凝土强度比单掺混凝土强度高出不少。虽然单掺混凝土7d基准混凝土强度较高，但采用双掺混凝土7d强度也可以满足构件的张拉强度要求，由于粉煤灰、矿粉均属于活性材料，对于混凝土早期强度提升不是很明显，而对混凝土后期强度有明显提升作用，不影响结构的整体强度。

表15 单掺、双掺的C50配合比实测强度对比

7.3 混凝土凝结时间

不难看出，采用双掺技术混凝土的凝结时间较单掺混凝土凝结时间有所延长。这是因为采用双掺技术，取代了大量水泥，降低混凝土中单位体积水泥用量，使得体系中水化产生的水化热量下降，而粉煤灰和矿粉两种掺合料均需要体系中提供较高浓度的Ca(OH)2进行“二次水化”。因此，双掺技术混凝土与单掺混凝土配合比有明显延长凝结时间增加可泵性的效果。

表16 单掺、双掺的C50配合比凝结时间对比

7.4 混凝土耐久性

混凝土耐久性用氯离子扩散系数表示，用单掺混凝土和双掺技术混凝土做比较，分析得出双掺技术抗氯离子渗透好于基准混凝土，提高了混凝土耐久性。其技术途径是采用优质混凝土矿物掺合料和聚羧酸高效减水剂，配以与之相适应的水泥和级配良好的粗细骨料，形成低水胶比，高密实、高耐久性的混凝土材料。

8 结束语

(1)通过双掺技术用粉煤灰、矿粉复合配制方法，可以获得坍落度适宜及强度符合要求和可泵性理想的混凝土。实践证明，在有张拉要求的混凝土中适量引入双掺技术，各项指标均优于单掺混凝土。

(2)运用粉煤灰、矿粉双掺技术，有延缓混凝土凝结时间及减少混凝土坍落度损失的作用。

(3)通过粉煤灰、矿粉双掺技术，能够提供较好的后期强度，根据实际需要可以采用适宜的掺量来满足施工、强度要求。本项目混凝土配合比粉煤灰和矿粉替代水泥总量为25%，其中粉煤灰等量取代8%、矿粉等量取代17%。

实践证明，在混凝土中通过使用聚羧酸高性能减水剂，在混凝土中掺入粉煤灰、矿粉等掺合料，利用双掺技术可以实现两种掺合料在各种性能上的互补，提高混凝土工作性，降低水泥用量，从而降低水化热，降低混凝土的温升，延缓混凝土的凝结时间，推迟水化放热峰值时间，减少温度应力所引起的裂缝，并提高混凝土的耐久性，提高混凝土的可泵性。

混凝土双掺改良技术的运用解决了马林大桥百米高墩、大跨度悬灌梁、高性能混凝土的远距离运输、高温施工、高扬程泵送坍损等技术难题。