C55钢管拱机制砂微膨胀自密实混凝土配制及应用*

张 翼，何 倍，任 强，蒋正武，宋军玺，母进伟

(1.同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室材料科学与工程学院，上海 201804； 2.中交四公局北京建筑分公司，北京 100102； 3.贵州桥梁建设集团有限公司，贵州 贵阳 550001)

0 引言

钢管自密实混凝土指在钢管中填充自密实混凝土的组合结构材料。外部钢管与内部混凝土相互协同，可实现整体优越的抗压强度、延展性能及抗震性能等[1-3]。除力学性能优于钢筋混凝土外，钢管自密实混凝土还具有无须支模、无须配筋及无须振捣等特点。因此，钢管自密实混凝土广泛应用于高层建筑及大跨度桥梁建设工程中[4-5]。钢管与自密实混凝土协同作用的实现，需保证自密实混凝土在钢管中填充密实，且保证两者间紧密黏结，要求钢管自密实混凝土具有良好的工作性能、保持性能及微膨胀性能。

钢管自密实混凝土通常采用河砂配制，近年来，由于河砂匮乏，机制砂逐渐应用于钢管自密实混凝土配制中[2,6-8]。机制砂相比河砂，颗粒多棱角、表面粗糙、石粉含量高，因此需针对机制砂特性采取相应技术措施，以实现自密实混凝土配制[9-12]。

1 工程概况

乌梅河特大桥位于贵州省黔南自治州福泉市，属于贵阳至黄平高速公路项目TJ12标段，为贵黄高速公路重点控制性工程。该桥由主桥和引桥构成，全长660m，主桥为计算跨径300m、矢高60m的上承式钢管混凝土变截面拱桥。该桥拱肋钢管内采用C55自密实微膨胀混凝土，从两端底部一次泵送至拱顶。根据工程经验及施工条件，提出C55自密实微膨胀混凝土的性能要求，即初始坍落度≥260mm，坍落扩展度≥650mm，5h后坍落度≥200mm、坍落扩展度≥500mm；初凝时间≥12h、终凝时间≤24h，倒坍落度筒流出时间≤8s，含气量≤2.5%，3d抗压强度≥40MPa，7d抗压强度≥50MPa，28d抗压强度≥65MPa，混凝土28d自由膨胀率≥2.0×10-4。根据施工要求，通过优化胶凝材料体系、骨料级配、配合比等方式，配制出C55钢管拱机制砂微膨胀自密实混凝土，并成功应用于乌梅河特大桥。

2 试验

2.1 原材料

采用P·Ⅱ 52.5水泥，表观密度3 158kg/m3。Ⅰ级粉煤灰烧失量为3.84%，表观密度2 150kg/m3。硅灰表观密度为2 150kg/m3。采用国标二型膨胀剂。使用本地产藻灰岩质机制砂、石，机制砂细度模数为2.76。基于最紧密堆积试验，粗集料以5～10mm、10～20mm两级碎石按照4∶6比例搭配而成，堆积密度为1 514kg/m3。所采用外加剂包括8号高性能减水剂(固含量40%)，10号保坍剂(固含量40%)、引气剂、缓凝剂。工程应用外加剂为复配的含固量为20%的混合外加剂。机制砂级配如表1所示，粗集料级配如表2所示。

表1 机制砂级配

表2 粗集料级配

2.2 基准配合比

基于最紧密堆积理论，经过大量试验，得到基准配合比，其中水泥、粉煤灰、硅灰、膨胀剂、水、砂、碎石、外加剂的用量分别为355，16,26.5,42.5,157,878,878,9.8kg/m3。

2.3 试验方法

1)工作性能 采用坍落度、坍落扩展度评价混凝土流动性能，采用流动度达50cm的时间T50、倒置坍落度筒排空时间Td评价混凝土黏聚性，使用U形箱高度差评价混凝土自填充性，试验参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》及 JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》。

2)力学性能 采用边长150mm的立方体试件，参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，测试混凝土3，7，28d抗压强度。

3)膨胀性能 采用100mm×100mm×515mm棱柱体试件，参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，测试混凝土28d膨胀率。

3 结果与讨论

3.1 配合比参数优化

3.1.1水胶比

采用减水剂调控混凝土坍落度、扩展度，当水胶比W/B在0.29～0.32范围变化时，混凝土黏聚性良好，无离析泌水现象，且混凝土抗压强度均满足设计要求(见表3、图1)。在保证混凝土初始坍落度、扩展度的情况下，水胶比提高使外加剂掺量显著降低。T50及Td均随水胶比提高而降低，表明水胶比提高可降低混凝土黏度，提高流动性。当水胶比降至0.29时，混凝土3d抗压强度显著提升，且试件28d抗压强度较其余组变化不明显。当水胶比为0.30～0.32时，混凝土抗压强度变化较小。综合来看，水胶比宜控制在0.31～0.32。

图1 不同水胶比下机制砂自密实混凝土工作性能

表3 水胶比对机制砂自密实混凝土性能的影响

3.1.2砂率

当砂率为45%时，骨料级配较差，导致混凝土扩展度较低。当砂率48%的混凝土中减水剂掺量提高至0.21%，虽显著提高混凝土扩展度，但其出现轻微离析泌水(见图2b)。提高砂率至55%时，相同减水剂掺量下，混凝土具有良好扩展度、坍落度，且黏聚性良好，即表明提高砂率有助于提高混凝土减水剂饱和掺量。从而可通过提高减水剂掺量提高混凝土流动性(见表4、图2)。这是由于砂率较高时，石粉含量较高，提高了混凝土的需水量，降低对外加剂的敏感性。此外，砂率提高似乎对混凝土黏度无不利影响，这可由T50与Td测试结果证明。除砂率为48%的试验组离析泌水，导致28d抗压强度较低外，其余各组混凝土试件各龄期的抗压强度均满足设计要求。综合来看，砂率宜控制在50%以上。

表4 砂率对机制砂自密实混凝土性能的影响

图2 不同砂率下机制砂自密实混凝土的工作性能

3.1.3胶凝材料用量

减水剂掺量相同时，增加胶凝材料用量可显著增大混凝土的坍落度及扩展度，即显著提高混凝土流动性及自密实性(见表5及图3)。此外，增大胶凝材料用量还使混凝土的T50及Td呈下降趋势，表明增大胶凝材料用量可降低混凝土黏度，这是由于水胶比相同时，胶凝材料用量增大意味着用水量增大。水胶比不变时，胶凝材料用量从500kg/m3增至560kg/m3，混凝土各龄期的抗压强度均满足设计要求。此外，胶凝材料用量对抗压强度影响较小。综合成本及混凝土性能，胶凝材料用量宜为530kg/m3。

表5 胶凝材料用量对机制砂自密实混凝土性能的影响

图3 不同胶凝材料用量下机制砂自密实混凝土的工作性能

3.2 矿物掺和料复配改性

采用硅灰(SF)与Ⅰ级粉煤灰(FA)复配，优化混凝土性能，当提高粉煤灰掺量时，若使混凝土达到相近坍落度、扩展度，则所需减水剂掺量降低(见表6、图4)。表明粉煤灰能提高混凝土的流动性，降低需水量。此外，随着粉煤灰掺量增加，混凝土黏度呈降低趋势，混凝土3，7d龄期抗压强度显著降低。当粉煤灰掺量增至30%时，混凝土3d抗压强度不足40MPa。综合来看，粉煤灰掺量宜为20%。

表6 硅灰及粉煤灰掺量对机制砂自密实混凝土性能的影响

图4 不同硅灰及粉煤灰掺量下机制砂自密实混凝土的工作性能

随着硅灰掺量的增加，硅灰引气效应及吸水效应相互协同，使混凝土坍落度先增大后降低，即拌合物流动性及自密实性先增大后降低。当硅灰掺量≤7.5%时，硅灰引气效应占主导，有利于拌合物流动性。当硅灰掺量增至10%时，混凝土需水量大幅上升，不利于混凝土流动。硅灰掺量增大使混凝土抗压强度呈上升趋势。综合来看，硅灰掺量宜为7.5%。

3.3 集料优化

3.3.1粗集料最大粒径

保持减水剂掺量基本一致，使粗集料最大粒径从20mm减小到16mm后，混凝土扩展度略有降低(见图5、表7)。这是由于最大粒径减小使粗集料比表面积增大，进而提高需水量。粗集料最大粒径16mm的混凝土试件3，7d抗压强度较高，但是28d强度明显低于最大粒径20mm的试件，且不满足设计要求。综合来看，粗集料最大粒径宜为20mm。

表7 粗集料最大粒径对机制砂自密实混凝土性能的影响

图5 不同最大粒径粗集料制备的机制砂自密实混凝土工作性能

3.3.2石粉含量

石粉含量为6%时，混凝土出现轻微离析泌水现象(见图6a)。当石粉含量为8%时，混凝土黏聚性一般，有露石现象(见图6b)。当石粉含量为6%，8%时，混凝土坍落度、扩展度均显著低于石粉含量>10%的混凝土(见表8)。石粉含量为6%的混凝土在减水剂掺量仅0.18%时便离析泌水，表明减水剂饱和掺量较低。相较而言，石粉含量>10%时，混凝土外加剂饱和掺量增加，坍落度、扩展度大幅提升，且T50及Td均有减小趋势。意味着石粉含量>10%时，有利于提高混凝土的流动性并降低黏度。因为石粉含量增加意味着混凝土中的砂浆体积增加，即可减小混凝土内部摩擦，从而改善混凝土工作性能。随着石粉含量增加，混凝土7，28d抗压强度先增大后减小。当石粉含量为15%时，虽然混凝土3d抗压强度较高，但7，28d抗压强度显著低于其他试验组。综合来看，机制砂石粉含量宜控制到10%～15%。

表8 石粉含量对机制砂自密实混凝土性能的影响

图6 不同石粉含量下机制砂自密实混凝土的工作性能

3.4 外加剂复配优化

由于钢管自密实混凝土施工时间较长，且施工时难以观测混凝土的填充情况，因此良好的工作性能及保持性能是钢管混凝土成功施工的关键。为实现混凝土高工作性能及保持性能，应复配优化外加剂。当提高减水剂与保坍剂复配比例时，混凝土初始坍落度、扩展度逐渐增大，而坍落度、扩展度的经时损失却有增大趋势(见表9)。当减水剂与保坍剂比例为7∶10时，混凝土初始扩展度较低，但3,5h的扩展度反而高于初始扩展度。当保持减水剂与保坍剂复配比例一致，增大缓凝剂掺量时，混凝土工作性能经时损失降低，尤其是5h的经时损失。缓凝剂掺量为0.08%的混凝土5h扩展度较0h时降低237%。而在相同减水剂、保坍剂复配比例下，提高缓凝剂掺量至0.10%时，混凝土的5h扩展度仅比0h降低140.7%。当缓凝剂掺量为0.15%时，混凝土5h扩展度较0h几乎无损失。此外，该缓凝剂掺量下的混凝土黏度显著高于其余组。综合来看，减水剂与保坍剂复配比例宜为1∶1，而缓凝剂掺量宜为0.10%～0.15%。

表9 石粉含量对机制砂自密实混凝土性能的影响

4 工程应用

经系统优化试验，确定了工程应用配合比，即水泥、粉煤灰、硅灰、膨胀剂、水、砂、碎石、外加剂分别为341.5，106,40,42.5,159,878,878,7.95kg/m3。C55钢管拱机制砂微膨胀自密实混凝土坍落扩展度为650mm，坍落度为280mm，U形箱流平、无高度差(见图7)。此外，混凝土28d自由膨胀率为2.2×10-4，即具有微膨胀性能，且抗压强度满足C55设计要求。

图7 工程应用C55钢管拱机制砂微膨胀自密实混凝土的工作性能

为验证混凝土施工性能及效果，进行模拟试验。采用内径1m(施工钢管拱直径的2/3)的空心钢管，钢管壁厚10mm，总长10m，水平倾角为45°。将混凝土一次泵送到顶，7d后在距顶部1.5m处，切割边长40cm的正方形观察窗口，查看混凝土填充情况，并采用回弹仪进行强度测试。试验结果表明，自密实混凝土在泵送过程中可密实填充钢管，且无离析现象。此外，回弹测试结果表明混凝土抗压强度满足设计要求。模拟验证后，C55钢管拱机制砂微膨胀自密实混凝土成功应用于乌梅河特大桥。

5 结语

1)通过混凝土配合比参数优化、矿物掺和料复配优化、集料粒径及掺量优化、外加剂复配优化，成功配制初始坍落度、扩展度分别为650，280mm，5h几乎无经时损失的C55钢管拱机制砂微膨胀自密实混凝土。

2)基于大型模拟试验，证明优化制备的C55机制砂微膨胀自密实混凝土具有良好的填充性能、力学性能，能够满足混凝土施工要求。并且，验证后的混凝土配合比，成功应用于乌梅河特大桥。