无收缩混凝土配合比设计及施工控制

无收无收缩缩混凝土配合比混凝土配合比设计设计及施工控制及施工控制 武广客运武广客运专线东专线东湖特大湖特大桥桥112m提提篮篮拱拱桥桥 陈昌杰 李 波 摘摘 要要 通过客运专线东湖特大桥112m提篮拱钢管混凝土的配合比设计及施工 阐述 了无收缩混凝土的特点和施工过程的控制要点 关关键词键词 客运专线 提篮拱 钢管混凝土 配合比设计 无收缩混凝土 控制要点 1 工程概况工程概况 东湖特大桥位于武汉市洪山区森林公园内 主桥112m提篮拱梁全长116m 计算跨长1 12m 矢跨比为1 5 拱肋平面内矢高22 4m 拱肋采用悬链线线型 提篮拱桥系梁按整体箱 形梁布置 采用单箱三室预应力混凝土箱形截面 桥面宽17 8m 梁高2 5m 提篮拱桥钢管 内采用C55无收缩混凝土填充 混凝土弹性模量Ec 3 60 104MPa 2 配合比配合比设计设计 2 1 前言前言 客运专线混凝土结构的使用年限为100年 混凝土配合比设计理念应以高性能混凝土 的耐久性作为主要指标 重点是在原材料的选配上 高性能混凝土是通过对原材料的优选 和质量控制 配合比优化 生产过程的严格控制 使生产的混凝土拌合物具有良好的工作 性 对于提篮拱钢管拱桥的混凝土而言 其自密实性有较高的要求 另外 还要求混凝土和 钢管应具有良好的粘接 但还不能因为混凝土的膨胀而产生内应力 这就要求混凝土要具 有合适的补偿收缩能力 由于钢管混凝土拱桥的施工加载顺序决定了混凝土应具有较高的 早期强度和刚度 以确保拱肋的线性符合设计要求 结合高性能混凝土的特点 把7 14天 的抗压强度 弹性模量作为试配的前期考核依据 2 2 原材料的原材料的选择选择 2 2 1 水泥水泥 对于高强度的高性能混凝土 要求选用低水化热 低碱水泥 试验选用湖北黄石华新水 泥股份有限公司生产的堡垒牌P O52 5水泥 表表1 水泥性能指水泥性能指标标 试验项目标准规定值试验结果试验项目标准规定值试验结果 比表面积m2 kg 300342C3A含量 87 76 初凝 45125SO3含量 3 52 78凝结时间 min 终凝 600200 3d 23 027 2CL 含量 0 060 02抗压强度 Mpa 28d 52 559 1 3d 4 06 4总碱含量 Na2O 0 658K2O 0 800 54抗折强度 Mpa 28d 7 09 1 2 2 2 砂砂 高性能混凝土要使用中粗砂 砂子以偏粗为好 另外 要严格控制砂中的细颗粒含量 和有害物质含量 选用非碱活性骨料 试验选用湖北巴河河砂 表表2 砂性能指砂性能指标标 试验项目标准规定值试验结果试验项目标准规定值试验结果 坚固性 83 46轻物质含量 0 50 30 硫酸盐及硫化物 含量 0 50 24云母含量 0 50 23 CL 含量 0 020 01 有机物含量 颜色应不深于标准色比标准色浅 吸水率 20 73细度模数 2 8 含泥量 2 00 6泥块含量 0 250 2 2 3 碎石碎石 粗骨料应选用球形粒形 吸水率低 空隙率小 级配合理 质地均匀坚固的洁净碎石 并严格控制针 片状含量 含泥量 泥块含量 选用非碱活性粗骨料 试验选用湖北武穴郭 冲石场5 20mm连续级配碎石 按二级掺配 表表3 碎石性能指碎石性能指标标 试验项目标准规定值试验结果试验项目标准规定值试验结果 坚固性 53 14表观密度kg m3 2710 SO3含量 0 50 26紧密密度kg m3 1670 CL 含量 0 020 046 紧密空隙率 4038 吸水率 20 2针 片状含量 53 5 含泥量 0 50 2压碎指标值 107 1 泥块含量 0 250岩石抗压强度MPa 106 碱活性试验采用岩相法 没有发现骨料含有碱活性的矿物存在 2 2 4 粉煤灰粉煤灰 混凝土中加入粉煤灰 可改善混凝土的工作性能 降低干缩变形和水化热 减小水泥 用量 提高混凝土的耐久性 粉煤灰要选产量稳定 性能稳定的电收尘原状灰 试验选用湖北科能环保有限公司生产的 级原状粉煤灰 表表4 粉煤灰性能指粉煤灰性能指标标 试验项目标准规定值试验结果试验项目标准规定值试验结果 细度 124 8碱含量 1 07 SO3含量 3 00 87游离CaO含量 1 00 26 CL 含量 0 020 01CaO含量 103 84 烧失量 3 02 8含水率 1 00 30 需水量比 1009028天抗压强度比 7093 2 2 5 膨膨胀剂胀剂 膨胀剂应作为细掺料等量取代部分水泥 在高性能混凝土中掺入适量膨胀剂 可在约 束条件下有膨胀而产生一定的自应力 以补偿水泥的干缩和由于低水胶比造成的 自生收 缩 并在限制条件下增长强度 试验选用江苏博特新材料有限公司生产的JM C低碱型 混凝土膨胀剂 表表5 膨膨胀剂胀剂性能指性能指标标 试 验 项 目 标 准 规定值 试验 结果 试验项目 标 准 规定值 试 验 结 果 细 度 12 6 7MgO含量 5 02 4 初凝 45140 SO3含量 3 52 78 凝结时间 min 终凝 600216 7d 2031 3 CL 含量 0 050 05 抗压强度 Mpa 28d 4044 6 7d 3 56 2 总碱含量 Na2O 0 658K2O 0 750 67 抗折强度 Mpa 28d 5 58 7 7d 0 0250 030 限制膨胀率 水中 28d 0 100 07 空气中21d 0 020 0 010 2 2 6 外加外加剂剂 外加剂应选用与水泥相容性好 减水率高 高增强 低收缩 坍落度损失小 适量引气 能提高混凝土的自密性 能明显改善或提高混凝土耐久性并且性能稳定的产品 试验选用江苏博特新材料有限公司生产的JM PCA缓凝高效减水剂 表表6 外加外加剂剂性能指性能指标标 试验项目标准规定值 试验 结果 试验项目标准规定值试验结果 减水率 2025 7含气量 3 03 2 30min 180185 Na2SO4含量 100 73 坍落度保留值 m m 60min 150165 3d 130142 CL 含量 0 200 02 7d 125155 总碱含量 Na2O 0 658K2O 101 64 抗压强度比 28d 120133 对钢筋锈蚀 应说明对钢筋 无锈蚀 无锈蚀 相对耐久性指标 200次 8092 表表7 华华新新P O52 5水泥与江水泥与江苏苏博特博特JM PCA缓缓凝高效减水凝高效减水剂剂的相容性的相容性试验结试验结果果 水泥净浆流动度 mm JM PCA掺量 初始静置30min30min流动度损失静置60min60min流动度损失 0 7260253724317 0 8269264525613 0 928828352799 1 0304305 12986 1 1306298828719 1 23052881728025 由表7试验结果可知 该减水剂与水泥相容性良好 掺量在1 0 以上时水泥净浆的流动 性能已趋于稳定 掺量1 0 时流动度损失最小 为最佳掺量 2 2 6 水水 试验采用饮用水 2 3 配合比配合比优优化化 2 3 1 混凝土的拌合物性能按 普通混凝土拌合物性能试验方法标准 GB T50080 2002 进 行 混凝土的力学性能按 普通混凝土力学性能试验方法标准 GB T50081 2002 进行 混 凝土耐久性按 铁路混凝土工程施工质量验收补充标准 铁建设 2005 160号进行 其力学 性能和耐久性试验均采用标准试件 混凝土试拌所用原材料在使用前24h放入成型室内 室内温度控制在 20 2 相对湿 度控制在70 90 考虑混凝土施工是采取泵送顶升工艺 拌合物坍落度设计为180 220mm 混凝土的 配制强度为64 9MPa 2 3 2 配合比试配采用L9 34 正交试验进行 即三水平四因素正交试验 选定水胶比W C A 砂率Sp B 粉煤灰掺量 C 膨胀剂掺量 D 作为四个考察因素 每因素取3个试验水平 表表8 试验试验按三水平因素正交按三水平因素正交试验试验安排安排 试验 组号 水胶 比 W C A 砂率 Sp B 粉煤 灰 C 膨 胀 剂 D 水 泥 kg 砂 kg 碎 石 kg 粉煤灰 kg 膨胀剂 kg 水 kg 外 加 剂 kg 1 0 2838158413659107580431505 36 2 0 284020103756901035107541505 36 3 0 28422512338721995134641505 36 4 0 303820123406681090100601505 00 5 0 30402583357001051125401505 00 6 0 30421510375741102375501505 00 7 0 323825103056771105117471504 69 8 0 32401512343718107670561504 69 9 0 3242208337750103594381504 69 表表9 新拌混凝土拌合物作性能新拌混凝土拌合物作性能测试结测试结果果 坍落度mm初凝终凝 试验 组号 密度 Kg m3 含气 量 初 始 30min60min90min120min2h损失h minh min 1 24203 42001951851801802011 4014 30 2 24153 32102051951901803010 5013 50 3 24053 12202102001951804011 5514 30 4 24103 52102001951851704010 2013 50 5 24033 42152102052001952011 3014 50 6 24173 42001951851751703010 3513 30 7 24063 32051951851801703510 5014 00 8 24123 22102001901801654511 0014 40 9 24083 32102052001901852511 2014 30 试验条件 温度 20 2 湿度 90 从表9可以看出 新拌混凝土拌合物的坍落度损失与膨胀剂的掺量有关系 掺量越大 坍落度损失越大 而混凝土的凝结时间受粉煤灰 膨胀剂的掺量的影响不大 都能满足施 工的要求 表表10 正交正交试验试验混凝土的学性能和耐久性指混凝土的学性能和耐久性指标标 抗压强度MPa弹性模量 104MPa 电通量 C试验 组号3d7d14d28d56d3d7d14d28d7d56d 1 45 453 157 662 068 43 343 583 824 271861517 2 42 150 455 860 965 63 313 463 744 171639482 3 41 848 653 157 762 33 273 323 704 151982413 4 40 747 752 959 263 13 513 693 914 351569424 5 43 150 856 360 465 73 503 703 944 422059396 6 41 549 253 358 864 63 423 543 824 361638420 7 40 446 849 752 259 83 283 353 684 162130393 8 38 943 447 150 956 43 113 243 514 111494467 9 39 344 148 852 358 13 243 333 594 131672440 2 3 3试验结试验结果分析果分析 水胶比是影响高性能混凝土抗压强度的主要因素 高性能混凝土的弹性模量与胶凝材料用量 粗骨料用量有一定关系 影响因素大的是 粗骨料的用量 在相同水胶比条件下 粗骨料用量大 弹性模量相对较高 在强度相差不大 条件下 胶凝材料用量大 弹性模量稍低 粉煤灰的掺量对混凝土前期强度影响较小 对后期强度影响较为明显 这是因为优质 粉煤灰后期与水泥水化反应析出的Ca OH 2缓慢发生火山灰反应 利于后期强度的增加 高性能混凝土耐久性指标 电通量主要受粉煤灰的掺量影响较大 早龄期粉煤灰仅 起填充作用 从而导致混凝土内部结构不够致密 有大量的微孔和裂隙存在 电通量值偏 大 在后期 由于粉煤灰的火山灰效应和微集料效应 降低了混凝土的内部空隙率 改善了 混凝土的孔结构 提高了混凝土强度和密实性 使得电通量值很小 大大提高了耐久性能 通过对强度和弹性模量采用正交分析是A0 28B38C15和A0 30B38C15均能满足设计要求 但从试验效果 经济效益以及对胶凝材料总用量来考虑 选取A0 30B38C15是最好的组合 即 W C 0 30 砂率Sp 38 粉煤灰掺量15 改变膨胀剂掺量 8 10 12 进行试验 表表11 改改变变膨膨剂掺剂掺量量试验结试验结果果 抗压强度MPa 序 号 水泥砂碎石粉煤灰膨胀剂水 外加 剂 坍落度 mm 7d28d56d 1385660107775401505 0021051 860 165 9 2375660107775501505 0021549 758 263 1 3365660107775601505 0021047 555 461 3 表表12 自由膨率自由膨率试验结试验结果果 自由膨胀率 10 4 水中养护空气中养护 序 号 坍落 度 mm 初凝 h min 13714286037142860 121011 151 462 042 452 482 502 071 982 122 342 201 40 221510 401 732 262 893 082 922 482 062 202 392 301 54 321011 302 122 733 203 523 342 762 092 282 432 561 68 从表11 12可知 随膨胀剂掺量增加 膨胀率增加 而强度有所降低 膨胀大部分发生 在14d以前 以后只有微小的膨胀 28天趋于稳定 水中养护膨胀较空气中养护的大 终上试配可以得出 东湖特大桥提篮拱C55无收缩混凝土采用了序号1的配合比 即 水泥 砂 碎石 粉煤灰 膨胀剂 水 外加剂 385 660 1077 75 40 150 5 00 每m3混凝土氯离子含量为 0 228 kg m3 500 0 06 0 30 kg m3 总碱含量为 2 565k g m3 3 kg m3 均符合高性能混凝土要求 3 混凝土施工控制混凝土施工控制 原材料准备 各种原材料要准备充分 东湖特大桥提篮拱C55无收缩混凝土设计方量 是606m3 实际准备按620m3准备原材料 原材料经试验检测 质量情况都在配合比设计要求的可控制范围以内 拌合采用2台HZS120L搅拌机 混凝土生产量80 m3 h 拌合站各种衡器都已检定合格 每次使用前进行零点校核 并进行首盘复核 控制每盘称量偏差 混凝土拌制前 对砂 碎 石 粉煤灰含水量测试 并据测试结果出具施工配合比 拌合的投料顺序为 砂 碎石 水泥 掺合料搅拌30s 加水 再加外加剂搅拌120s 卸料 检查试拌混凝土 工作性能良好 坍落 度测试210mm 含气量3 3 考虑混凝土的运输时间在10 20分钟内 外界温度19 23 湿 度大于70 这与设计试配配合比的环境条件基本一致 因此到达现场的坍落度能满足施 工的要求 在混凝土的拌制及浇注过程中 在拌合站和施工现场分别安排2名试验员 对每车混 凝土的坍落度进行测试监控 混凝土的泵送垂直高度40米 泵送坍落度控制在180 200m m 因此在拌合站控制坍落度在200 220mm 现场泵送 180mm 对于测试不能满足要求 的 拌合站 190mm或 220mm