钢管拱管内混凝土配合比设计

大跨度钢管砼拱桥管内微膨胀混凝土配合比设计陈军（中港二航局六公司，武汉市）摘要：以浙江淳安南浦大桥钢管拱管内混凝土配合比设计为例，详细介绍高强度微膨胀流态混凝土的配合比设计关键词：钢管混凝土拱桥自密实性自由膨胀率自应力1、引言大跨度钢管混凝土拱桥管内微膨胀混凝土泵送施工一直是困扰施工单位的一个难题，原因是钢管混凝土的配合比设计除要考虑它的高强、早强、良好的可泵性外，还需特别考虑自密实性和收缩性，以确保泵送钢管混凝土的质量，而目前微膨胀理论与实际施工尚有差距。

2、微膨胀混凝土配合比设计2.1 工程概况及钢管混凝土技术性能要求浙江淳安南浦大桥是连接千岛湖南北两岸的交通枢纽工程。

该桥为净跨308米的中承式钢管混凝土拱桥，截面由4根φ850mm钢管组成格构柱，各管中线按平行于全截面中线设置，4个弦管构成矩形断面，管内灌C50微膨胀混凝土，约1486m3，,采用泵送顶升浇灌法施工。

该桥具有跨度大，拱顶高，钢管内有内法兰，混凝土泵送高度高，距离长，阻力大等特点，管内混凝土泵送施工难度大、技术性能要求高。

具体性能指标如下：(1) 有良好的可泵性，即坍落度大、和易性好、不泌水、不离析、自密实，坍落度经时损失小，3小时坍落度损失小于3cm。

相对湿度60±5%温度28℃温度35℃新样砼坍落度值≥22cm≥22cm扩展度≥60cm≥60cm坍落度经时损失90min损失≤1cm90min损失≤3cm180min损失≤3cm180min损失≤6cm 初凝时间≥16h≥14h终凝时间≥19h≥16h(2)钢管混凝土设计强度为50MPa，施工配制强度fcu,o≥58.3MPa1，混凝土的3天抗压强度≥设计强度的70%，即混凝土的3天抗压强度≥35MPa。

（3）具有补偿收缩性，其自由膨胀率为0.02%~0.04%。

，自应力值为0.4~0.8MPa。

2.2 技术路线根据南浦大桥钢管混凝土的工作性能指标，采取如下技术路线：(1) 掺加高效减水剂配制高强混凝土，水灰比是控制混凝土强度的重要参数。

即水灰比愈小配出的混凝土强度愈高。

但随之而来的水灰比愈小施工愈加困难。

为了达到降低水灰比又满足施工和易性的目的，掺加高效减水剂是一个简便可行的办法，高效减水剂掺量大小与强度增长率有关，掺量愈大，减水效果愈好。

但由于减水剂都是表面活性剂，故由表面活性剂的共性可知，当掺量超过某一极限值时，强度增长率会由于减水剂过量而降低，而且超量容易造成混凝土离析泌水，另外也不经济。

本研究中将主要选用质量较稳定的萘系减水剂，其掺量通过试验来确定。

(2) 掺加磨细掺合料根据设计要求该桥采用C50泵送混凝土，采用的矿物掺合料主要为Ⅰ级粉煤灰。

这种掺合料除了提高混凝土强度之外，还有利于改善泵送混凝土的工作性和降低水化热。

（3）掺加保塑剂由于掺加高效减水剂和膨胀剂的高强混凝土坍落度损失快，控制坍落度的经时损失问题，是保证混凝土工作性的关键，我们在研究中将不同种类的保塑剂复合高效减水剂共同使用，以达到减水保塑的目的。

（4）控制强度和膨胀之间的协调发展目前膨胀混凝土主要是采用掺加膨胀剂的方法使之具有一定的膨胀率，膨胀率的大小主要取决于膨胀剂的掺量。

已有研究表明，随着膨胀剂掺量的增大，混凝土的限制膨胀率增大，但混凝土的自由强度也随之下降，这就要求我们选择适当的膨胀剂和掺量，既达到设计要求的膨胀值，又不显著影响混凝土的自由强度，并且在限制条件下，提高混凝土的强度。

2.3原材料的选择⑴水泥和砂石料的选择根据当地水泥的供应情况，水泥选用海螺股份有限公司白马山水泥厂旋窑生产的42.5普通硅酸盐水泥，其化学和矿物组成如表2所示。

表 2 水泥的化学和矿物组成 (%)水泥SiO 2Al 2O 3Fe 2O 3CaOMgOSO 3loss总量C 3AC 4AF海螺 21.5 5.80 4.04 59.6 3.24 2.08 2.44 98.71 8.52 12.28细集料：细集料为中砂，细度模数2.6～3.0，含泥量为1.2%。

粗集料：粒度5~20mm 连续级配碎石，压碎指标值＜10%，针片状指标值＜10%。

⑵减水剂的选择减水剂为萘系高效减水剂湖北建科建材化工有限公司生产的NF-15、武钢浩源外加剂厂生产的FDN-2、FDN-9001,其主要成分均为β萘磺酸盐甲醛缩合物，但由于其复合了不同的组分，因而具有不同的特点：FDN 是FDN-2和FDN-9001的母体，FDN-2是FDN 复合木钙，具有一定的缓凝作用；NF-15复合某种保塑剂，其主要特点是能够延缓混凝土的坍落度损失。

采用水泥净浆流动度法、胶砂跳桌流动度法和混凝土坍落度损失试验等三种方法来检验水泥一高效减水剂相容性。

100120 140 160 180 200 220 240 0.50.7 0.9 1.1 1.3Addition (%)F l o w (m m )图1 四种减水剂对净浆流动度的影响a 、图1为四种不同的高效减水剂与海螺白马山42.5普硅水泥相容性实验结果，由图1可以看出，四种不同的减水剂在掺量较小时（0.5%），净浆的扩展度值差别较大，掺量逐步增加时扩展度差别减小，当掺量达到一定值时，扩展度趋于稳定，最终稳定值均在200mm 以上。

但四种减水剂的减水率还是有所差别的，在减水剂掺量相同时（>0.7%），复合了木钙的FDN-2的减水率最低，而FDN 的减水率最高，其它二种介于中间，其主要原因是由于四种减水剂中β-萘磺酸盐甲醛缩合物的净含量不同所致。

b 、在净浆扩展度实验的基础上，我们又进行了胶砂跳桌流动度实验，结果见图2。

实验中所采用的水泥仍为白马山(旋窑)42.5普硅水泥，比较图1和图2可以发现，不同品种的减水剂对胶砂流动度和净浆扩展度的影响规律基本相同，但胶砂流动度实验结果有自己的特点：在减水剂掺量较低时（0.5%）流动度值差别不大；随着减水剂掺量增大，流动度随之增大，当掺量达到一定程度后再增大，流动度却继续增加，也就是饱和点不明显。

造成上述现象的原因正如前言所述，主要是由于实验条件对实验结果影响较大，因此跳桌流动度试验用于判断水泥一高效减水剂的相容性时误差较大，这种方法一般只用来参考。

60 80 100 120 140 160 1800.50.7 0.91.11.3addition （%）B o u n c e t a b l e f l o w （m m ）图2 四种减水剂对胶砂跳桌流动度的影响c 、坍落度是混凝土拌合物和易性的一种指标，其大小关系到混凝土的运输、浇灌、密实等作业，因此要求混凝土具有良好的流动性和聚粘性。

混凝土的坍落度经时损失是受许多因素影响的，其中外加剂的品种及其与水泥的相容性好坏是很重要的影响因素。

如何控制坍落度经时损失以保证达到施工要求的性能，这是制备高性能混凝土的关键。

我们选用上述四种减水剂，对海螺水泥作了混凝土坍落度经时损失试验，混凝土的配合比及试验结果见表3。

表3 不同种类的减水剂对混凝土坍落度的影响混凝土配合比 （kg/m 3）减水剂坍落度（cm ）初始1小时 3小时5小时水泥粉煤灰水砂碎石468 52 182 700 1050 FDN-9000 23 21 16 0NF-15 23 23 22 15FDN 23 17 0 0FDN-2 21 18 9 0表中四种减水剂的掺量均为1.1%，可以看出利用NF-15配置的混凝土3小时内没有坍落度损失，而用FDN-9001配置的混凝土仅损失7cm ，仍能满足泵送的要求。

通过水泥—高效减水剂相容性实验，我们认为海螺42.5普硅水泥与NF-15有很好的相容性。

因此在进行高强膨胀钢管混凝土的配制时将主要选用海螺42.5普通硅酸盐水泥和湖北建科建材化工有限公司生产的高效减水保塑剂NF-15。

表4、表5的实验结果表明：三种膨胀剂均达到JC476-1992的技术性能指标要求。

但应用UEA （低碱）配制高强微膨胀混凝土，比应用UEA-GV 和EA配制混凝土坍落度损失略大。

因此在配制的南浦大桥C50钢管混凝土时，可应用浙江华威建材厂生产的低碱UEA 膨胀剂或武汉三源特种建材厂生产的UEA-GV 或荆门外加剂厂生产的EA 。

⑶膨胀剂的选择 作为对比，试验中采用三种膨胀剂：（1）浙江华威生产的低碱UEA 膨胀剂；（2）武汉三源特种建材厂生产的UEA-GV ；（3）荆门外加剂厂生产的EA 膨胀剂。

实验依据JC476-1992《混凝土膨胀剂》进行，试验结果见表4、表5：3、钢管混凝土力学性能试验 利用上述原材料，通过正交试验并根据以往大量的工程经验，优化设计出六组C50钢管混凝土配合比（见表6）来进行钢管混凝土力学性能试验。

3.1力学试验的目的⑴检测钢管高强膨胀混凝土的自应力；⑵观察钢管高强膨胀混凝土轴压短柱在竖向荷载作用下的破坏形态，研究其受力性能的变化规律。

力学试验所用钢管尺寸为Ф180×3×630（mm）( 外径×壁厚×高度)，材料为3号钢。

共18根钢管，分为六组，每组3个。

3.2力学试验的主要内容（1）用YJ－25静态数字电阻应变仪观察钢管膨胀混凝土试件产生自应力情况；（2）在500T压力机上对钢管混凝土试件分级轴心加压，测得试件1／2处钢管外壁环纵向应变值，竖向变形值、屈服荷载、极限荷载，观察钢管混凝土试件在受轴压过程中的变形情况。

应变值用DH-3815自动采集仪测定，竖向变形用百分表测得。

3.3自应力的检测核心混凝土在膨胀过程中由于受到钢管的约束作用，混凝土中会存在约束应力，而钢管则由于混凝土的膨胀而产生拉应力，这就是通常所说的钢管膨胀混凝土的自应力，也称预应力。

由于自应力的存在使得混凝土处于三向受压状态，改善了混凝土的内部微观结构和受力性能，有利于钢管混凝土综合力学性能的改善。

为此，我们对钢及混凝土的自应力的产生及发展进行了观测，并对自应力的观测结果进行分析。

⑴钢管外壁中部的应变试验结果表明，配置的钢管混凝土能够在钢管及混凝土内产生一定的膨胀应力，但数值较小，混凝土与钢管壁接触密实。

表7 钢管外壁中部28d的应变值(με)试样 1 2 3 4 5 6环向应变66 50 48 51 53 46纵向应变15 18 12 12 11 8⑵核心混凝土的自应力值在膨胀达到平衡且无外荷载作用的条件下，设钢管纵向应力为σ1、环向应力为σ2、径向应力为σ3。

钢管处于弹性阶段，径向应力远小于环向应力，忽略径向应力即σ3=0。

在此阶段中钢管的泊松比为μ=0.283，由弹性理论可知：σ2=Es×(ε2+με1) / (1-μ2)；ε1、ε2为钢管纵、环向应变，Es为钢的弹性模量。

核心混凝土的自应力P=ρ·σ2/2，ρ为含钢率。

将表11中各组的纵、环向应变值带入上述公式中，得到表8的结果。