无收缩混凝土配合比设计及施工控制

无收缩混凝土配合比设计及施工控制——武广客运专线东湖特大桥 112m提篮拱桥陈昌杰 李 波[摘 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112m，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=×104MPa。配合比设计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。原材料的选择水泥表1 水泥性能指标试验项目标准规定值试验结果试验项目比表面积m2/kg≥300342C3A含量%SO3含量%≤凝结时间（min）CL-含量%≤抗压强度（Mpa）总碱含量%≤抗折强度Na2O+（Mpa）

标准规定值试验结果≤8初凝≥45125终凝≤6002003d≥28d≥3d≥28d≥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2砂性能指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%≤8轻物质含量%≤硫酸盐及硫化物≤云母含量%≤含量%CL-含量%≤有机物含量颜色应不深于标准色比标准色浅吸水率%≤2细度模数/含泥量%≤泥块含量%≤0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3碎石性能指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%≤5表观密度kg/m3/2710SO3含≤紧密密度kg/m3/1670量%CL-含≤紧密空隙率≤4038量%%吸水率%≤2针、片状含量%≤5含泥量%≤压碎指标值%≤10泥块含≤0岩石抗压强度MPa/106量%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..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Ⅰ级原状粉煤灰。表4粉煤灰性能指标试验项目标准规定值试验结果试验项目试验结标准规定值果细度%≤12碱含量%/SO3含量%≤游离CaO含量%≤CL-含CaO含量%≤10≤量%烧失量%≤含水率%≤需水量9028天抗压强度比%≥7093≤100比%膨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-ⅢC低碱型混凝土膨胀剂。表5膨胀剂性能指标试验项目标准试验标准试验规定值试验项目规定值结果结果细度≤12MgO含量%≤凝结时间初凝≥45140SO3含量%≤(min)终凝≤600216CL-含量%≤抗压强度7d≥20(Mpa)28d≥40总碱含量%≤抗折强度7d≥Na2O+(Mpa)28d≥限制膨胀率7d≥空气中21d≥(水中)28d≤外加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6外加剂性能指标试验项目标准规定值试验试验项目结果减水率≥20含气量%Na2SO4含量%≤10坍落度保留值(mm)CL-含量% ≤抗压强度比%总碱含量%10Na2O+应说明对钢筋相对耐久性指标对钢筋锈蚀无锈蚀无锈蚀（200次）PCA缓凝高效减水剂的相容性试验结果水泥净浆流动度/mmJM-PCA掺量%静置30min30min流动度损失初始260253726926452882835304305-1306298830528817

标准规定值试验结果≥30min≥18018560min≥1501653d≥1301427d ≥125 15528d ≥120 133%≥80 92静置60min60min流动度损失2431725613279929862871928025由表7试验结果可知,该减水剂与水泥相容性良好 ,掺量在%以上时水泥净浆的流动性能已趋于稳定,掺量%时流动度损失最小,为最佳掺量。水试验采用饮用水。配合比优化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。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8试验按三水平因素正交试验安排水胶粉煤膨外砂率胀水碎试验比灰砂粉煤灰膨胀剂水加p剂泥石组号W/CS%kgkgkgkg剂B%kgkgACkgD1#38158413659107580431502#4020103756901035107541503#422512338721995134641504#3820123406681090100601505#402583357001051125401506#421510375741102375501507#3825103056771105117471508#401512343718107670561509#4220833775010359438150表9新拌混凝土拌合物作性能测试结果试验密度含气坍落度mm初凝终凝初组号Kg/m3量%30min60min90min120min2h损失h:minh:min始1#24202001951851801802011：14：40302#24152102051951901803010：13：50503#24052202102001951804011：14：55304#24102102001951851704010：13：20505#24032152102052001952011：14：30506#24172001951851751703010：13：35307#24062051951851801703510：14：50008#24122102001901801654511：14：00 4011： 14：9# 2408 210 205 200 190 185 2520 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10正交试验混凝土的学性能和耐久性指标试验抗压强度MPa弹性模量（×104MPa）电通量/C组号3d7d14d28d56d3d7d14d28d7d56d1#18615172#16394823#19824134#15694245#20593966#16384207#21303938#14944679#1672440试验结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 38C和38C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38C是最好的组合：即W/C=,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11改变膨剂掺量试验结果序水泥砂碎石粉煤灰膨胀水外加坍落度抗压强度MPa号剂剂mm7d28d56d138566010777540150210237566010777550150215336566010777560150210表12自由膨率试验结果序坍落度初凝自由膨胀率(×10-4)水中养护空气中养护号mmh:min13714286037142860121011:15221510:40321011:30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:每m3混凝土氯离子含量为：0.228kg/m3(＜500×%=0.30kg/m3);总碱含量为：2.565kg/m3(＜3kg/m3) 均符合高性能混凝土要求。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80m3/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%。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180～200mm，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;施工现场≤180mm），不能用于泵送顶升，应废弃。混凝土泵送顶升采用4台三一HBT60C砼输送泵，从4个拱脚同时泵送，由于运距较近（2.5km），每台输送泵由3台7m3的输送罐车供料，保证4个部位同时泵料，拱内砼上升速度保持一致，防止钢管拱受力不均。混凝土的泵送顺序是先下管，再上管，最后是腹板。混凝土抗压试件留置了60组，弹性模量试件留置了 12组，膨胀率试件留置了6组，都分别留了标养与同条件试件。根据施工要求，测试了标养 7天抗压强度为、同养7天为MPa，同条件养护10天抗压强度为 MPa、弹性模量为×104MPa，达到了设计要求的90%以上强度可以张拉的条件。经试验测试标养28天强度为 MPa，同条件养护28天强度为 MPa均达到了设计强度。28天标养膨胀率为%，空气中养护膨胀率为%，并且都趋于稳定。试验体会水胶比、粉煤灰和膨胀剂掺量是钢管混凝土的关键和重要因素，在采用低水胶比，满足无