平南三桥C70自密实无收缩钢管混凝土配合比设计及性能研究

周绍基

文章结合平南三桥工程实例，采用全计算法及体积法研究制备了一种C70自密实无收缩管内混凝土，通过优选原材料、优化配合比等方法，研究了其工作性能、泵送性能及体积稳定性能设计要求，对超大跨径钢管混凝土桥梁的的建设具有指导意义。

钢管混凝土拱桥;自密实;无收缩;配合比设计;性能研究

U445.57A260915

0 引言

平南三桥是广西荔浦至玉林高速公路平南北连接线上跨浔江的一座特大桥，主桥为575 m（净跨径548 m）中承式钢管混凝土拱桥，引桥为预应力混凝土连续箱梁，南引桥为（40+60+2×35） m现浇预应力混凝土连续梁桥，北引桥为（50+60+50）m+（3×40） m（现浇预应力混凝土连续梁桥），大桥全长1 035 m。该桥主拱采用钢管混凝土桁式结构，整束挤压钢绞线吊索体系，计算矢跨比1/4.0，拱轴系数为1.50，拱肋中距为30.1 m，拱顶截面径向高为8.5 m，拱脚截面径向高为17.0 m，肋宽为4.2 m，每肋为上、下各两根1 400 mm钢管混凝土弦管，管内混凝土采用高性能高流态自密实微膨胀C70。本文结合全计算法及体积法研究制备了一种C70自密实无收缩管内混凝土，通过优选原材料、优化配合比等方法并采用高稳健性化学外加剂和多元复合膨胀补偿收缩技术，满足了工作性能、泵送性能及体积稳定性能设计要求，并在平南三桥成功应用。

1 钢管自密实无收缩混凝土的性能要求及控制指标

钢管自密实无收缩混凝土采用特殊的施工工艺，不仅要求混凝土具备普通高强自密实混凝土的高流动性和填充性能等基本性能，还要求混凝土具有低泡、大流动性、收缩补偿、延后初凝、不离析、不泌水及粘聚性好等性能。

设计为C70自密实混凝土，其工作性能应当满足自密实混凝土要求，含气量≤2.5%，自拌和开始3 h内坍落扩展度为650±50 mm，扩展时间T500为3～7 s，坍落扩展度与J环扩展度差值为0～25 mm，离析率≤15%，初凝时间≥20 h，设计强度等级为C70。依据设计要求，28 d强度≥70 MPa，90 d配制强度按下式确定：fcu，0≥1.15 fcu，k=1.15×70=80.5 MPa，无收缩混凝土3 d自生体积变形≥150 με，56 d自生体积变形≥0。

2 原材料优选

2.1 水泥

水泥作为混凝土主要的胶凝材料，直接影响混凝土结构的关键性能。水泥的主要含量为硅酸三钙、硅酸二钙以及铝酸三钙，其含量不同直接影响水泥主要性能。通过对比优选当地华润水泥和鱼峰水泥，这两种水泥的主要力学性能技术指标测试如图1所示，综合各方面因素考虑，优选广西柳州鱼峰水泥有限公司生产的P.052.5水泥。

2.2 粗集料

粗集料的机械强度、颗粒形状、表面特性、级配、杂质含量、吸水率等对C70混凝土的性能有重要影响。粗骨料是高性能混凝土的重要组成材料，高质量的材料方可配制高性能的特种混凝土。因此，选择质地坚硬、洁净、粒形好、级配好的碎石，可以最大限度地减少用水量和浆体体积，提高混凝土的强度和耐久性。

根据原材料对比优选可知，辉绿岩碎石粒型圆润，与闪长岩比表面相对光滑，表观密度为2 959 kg/m3，压碎值小，原材料质量稳定;闪长岩的表观密度为2 815 kg/m3，碎石粒型圆润，表面较为粗糙，原材料不稳定;石灰岩粒型棱角分明，压碎值高，达到14.1%，表观密度为2 713 kg/m3，石粉含量高且质量不稳定，该碎石不满足C70混凝土要求。对比优选后，最终确定辉绿岩作为粗骨料。

2.3 细集料

所用细集料为钟山石灰岩机制砂：中砂，颗粒洁净，质地坚硬。

采用機制砂制备混凝土，由于机制砂中>0.3 mm的颗粒含量>85%，细度模数偏大，加之机制砂棱角多，表面粗糙，应用于混凝土配制时易出现坍落度损失大、拌和物泌水及混凝土泵送压力大等问题，不利于现场施工。只有严格控制0.3 mm以下细颗粒和石粉含量，才能确保配制出的高性能混凝土拌和物性能既满足施工要求，又满足强度和耐久性要求。试验表明，机制砂为Ⅱ区砂级配，细度模数2.6～2.9，0.3 mm以下细颗粒为22%～26%，石粉含量为4.8%～7%时所配制的C70高性能混凝土工作性能最佳。

2.4 粉煤灰

粉煤灰中含有的活性成分比C3S和C2S水泥的水化速度慢，二次水化能有效地填充混凝土内部结构的孔洞，使混凝土内部更加密实，从而提高混凝土的性能。选用优质粉煤灰能有效地提高混凝土的耐久性，节约水泥，降低成本。

混凝土使用Ⅰ级粉煤灰由广西钦州蓝岛提供，其工程抽样检验符合《水泥及混凝土用粉煤灰》（GB/T1596-2017）Ⅰ级粉煤灰技术条件要求。

2.5 硅灰

硅灰是一种具有高比表面积的微粉辅助胶凝材料。在C70高性能混凝土掺入一定量的硅灰，不仅能改善混凝土的工作性，还可以利用微粉填隙作用形成细观的紧密体系，改善界面结构，提高界面粘结强度。

2.6 微珠

微珠属于粉煤灰活性微珠，这些球状玻璃体表面光滑、粒度细，质地致密，内比表面积小，在相同用水量的情况下，可增大流动性，改善和易性和可泵性。它们在混凝土中，能起到滚珠作用，降低混凝土的黏度，提高混凝土的流动性。在C70高性能混凝土中掺入一定量的微珠，可以降低混凝土黏度。在相同坍落度或扩展度条件下，添加微珠的混凝土塑性黏度和倒筒时间明显降低，对泵送混凝土有极佳的润滑改善作用，显著降低混凝土泵的泵送压力。同时，可以提高混凝土密实度，改善混凝土中水泥浆与粗骨料之间的界面，减少有害毛细孔，提高混凝土强度。微珠在混凝土中能够起到密实填充作用，减少有害毛细孔及微裂纹，增加抗腐蚀性能。

2.7 外加剂

C70混凝土采用苏博特PCA-I高稳健性减水剂。由于水泥用量大，水灰比低，强度要求高，混凝土流动性大，因此对混凝土的设计和施工提出了更高的要求。为了满足混凝土的性能和施工要求，同时减少水泥用量，降低工程造价，外加剂的选择尤为重要。通过对比试验，选用苏博特PCA-I高稳健性减水剂，在拟合成的聚合物中引入较大比例对水具有良好亲合性的长聚醚侧链，长期提供强烈的位阻作用，延缓水泥颗粒的物理凝聚，从而提供其良好的分散性能。通过引入酯型长侧链，桥接基团为-COO-，能够提供一定的空间位阻，降低羧基比例，调节聚合物在水溶液中构象，可有效降低吸附驱动力，实现逐步吸附，显著降低外加剂掺量敏感性，提高混凝土拌和物稳健性。

2.8 膨胀剂

根据不同膨胀组分的膨胀特性，利用CaO类膨胀剂可补偿混凝土的自收缩等早期收缩变形，再利用不同水化活性值MgO膨胀材料的延迟膨胀特性，补偿温降收缩和后期干燥收缩，从而实现分阶段、全过程补偿此类结构混凝土的收缩变形，为无收缩混凝土制备提供了一种有效的技术手段。本工程选用苏博特HME-Ⅱ氧化镁复合膨胀剂。

3 自密实混凝土配合比计算原理

本项目C70自密实、无收缩混凝土理论配合比设计主要采用P.K.Mehta和P.C.Aitcin两位教授所提出的全计算法设计理论和体积法理论并辅以平行比较试验验证优化。

3.1 全计算法设计原理

要使高性能混凝土同时达到最佳的施工和易性能和强度性能，其胶材浆体与骨料应有一个最佳体积比，结合本工程的施工特点，建议胶凝材料浆体积∶骨料体积=35∶65，即浆体体积取350 L，再在普遍适用的混凝土体积模型的基础上，推导求得混凝土用水量VW和砂率SP的计算公式。

3.2 体积法设计原理

mc0ρc+mf0ρf+mg0ρg+ms0ρs+mw0ρw+0.01α=1（1）

式中：ρc——水泥表观密度（kg/m3），根据现行规范检测，取值为3 080 kg/m3;

ρf——矿物掺合料表观密度（kg/m3），根据现行规范检测，粉煤灰为2 610 kg/m3、微珠为2 610 kg/m3、硅灰为2 705 kg/m3、膨胀剂为2 760 kg/m3;

ρs——细骨料表观密度（kg/m3），根据现行规范检测，取值为2 789 kg/m3;

ρg——粗骨料表观密度（kg/m3），根据现行规范检测，取值为2 959 kg/m3;

ρw——水表观密度（kg/m3），取值为1 000 kg/m3;

α——混凝土含气量百分数，取值为2.0。

4 初始配合比计算

4.1 水胶比

根據水胶比定则，水胶比越小，混凝土抗压强度和体积稳定性相应提高。但为保证混凝土具有较好的泵送性能，水胶比应适当，不宜过小。因此，结合现行标准、行业规范及实际工程经验，对于强度等级为C70时，建议水胶比mw/mb范围为0.26～0.30，本文mw/mb取值为0.27。

4.2 用水量

根据碎石最大粒径及混凝土自密实性能要求，选取混凝土用水量mwo=250 kg，掺入高性能聚羧酸减水剂后，经试拌，减水率β为36%，用水量mwo=mwo′×（1-β）=250×（1-0.36）=160 kg。

4.3 胶材用量

mbo=mw/mb=160/0.27=593（kg/m3）

根据混凝土试验，外加剂掺量取2.2%，593×2.2%=13.05 kg/m3。

粉煤灰用量mfo=mb0βf=593×15%=89（kg/m3）

膨胀剂用量muo=mb0βu=593×10%=59（kg/m3）

硅灰用量meo=mb0βe=593×4%=24（kg/m3）

微珠用量mwo=mb0βw=593×5%=30（kg/m3）

水泥用量mc0=mf0-mU0-me0-mwo=593-89-59-24-30=391（kg/m3）

4.4 砂率

依据现有相关标准及行业规范，根据试验确定机制砂砂率为42%。

4.5 粗细骨料用量

按照上述式中体积法计算粗细骨料用量：

mc0ρc+mf0ρf+mg0ρg+ms0ρs+mw0ρw+0.01α=1（1）

即：mco/ρc+mfo/ρf+muo/ρu+meo/ρe+mgo/ρg+mso/ρs+mwo/ρw+0.01a=1

代入已知各材料的质量和表观密度计算得出每立方米混凝土的细骨料用量为738 kg/m3;每立方米混凝土的粗骨料用量为1 019 kg/m3。计算初始配合比如表1所示。

5 C70自密实混凝土的初步试验

根据以上初步计算得出的配合比分别进行试拌，验证其工作性能和力学性能的试验，结果如表2、表3所示。

6 C70自密实混凝土配合比优化

经试拌检测，C70混凝土含气量、扩展度、强度均满足设计和施工要求。但混凝土的工作性能均存在混凝土黏度大、流速慢等不足。鉴于平南三桥跨度大，单根管的设计混凝土方量大，灌注时间长等特点，管内混凝土泵送对混凝土的工作性能要求更高，因此必须对管内混凝土的工作性能进行优化。

通过大量试验，对配合比进行了多次优化验证，确定混凝土施工配合比，并进行工作性能和力学、收缩性能验证。其试验结果如表4所示。

6.1 混凝土的工作性能及力学性能（表5～6）

6.2 变形性能

根据设计要求，C70管内混凝土掺入了复合膨胀剂，补偿混凝土硬化阶段自收缩。经试验，普通混凝土28 d后收缩曲线逐渐平缓，截止到60 d时，混凝土自收缩为248 με;无收缩混凝土3 d时膨胀变形为190 με，28 d时补偿收缩后混凝土有113 με膨胀变形，56 d时混凝土仍有90 με膨胀变形，如表7所示。如图2所示，掺入复合膨胀剂的C70混凝土膨胀变形系数满足设计要求。

7 施工关键措施及应用效果

为了验证混凝土各项性能指标，模拟现场的施工工艺进行试泵试验。按优化后的配合比：水泥∶粉煤灰∶微珠∶硅灰∶膨胀剂∶砂∶石∶水∶外加剂=387∶90∶30∶24∶59∶736∶1017∶157∶12.96进行生产。根据试验分析和以往的施工经验，管内混凝土脱空的主要原因是灌注施工时混凝土中的气泡没有及时排出，混凝土在泵送运动过程中聚集于管壁而造成。为了排出混凝土搅拌时夹带进去的空气和材料反应产生的气泡，混凝土搅拌结束后让罐车以1.5 r/min速度滚动40 min，尽可能让气泡排出，减少混凝土中气泡的带来的危害（见表8）。根据《超声法检测混凝土缺陷技术规程》（CECS21-2000）采用超声法检测管内混凝土匀质性，评价混凝土填充效果（粘结状况），定性判别内部裂缝、空洞等缺陷。其检测结果如图3所示。

8 结语

（1）本文通过采用原材料优选，并结合全计算法及体积法配合比优化方式，采用高稳健性减水剂调控技术及多元复合膨胀补偿收缩技术，优化后的配合比为：水泥∶粉煤灰∶微珠∶硅灰∶膨胀剂∶砂∶石∶水∶外加剂=387∶90∶30∶24∶59∶736∶1017∶157∶12.96。

（2）本文研究制备了一种超大跨拱桥管内高稳健性自密实、无收缩混凝土，2 h内坍落扩展度为650±50 mm，56 d补偿收缩后仍有90 με膨形变形，满足设计与施工要求。

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