董向前　楊雄杰　張鵬勃

[摘要]本文綜述了自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土的工作原理、配合比的設(shè)計(jì)以及在鋼管混凝土中的的優(yōu)化，并以石門水庫特大橋?yàn)閷?shí)例，利用當(dāng)?shù)卦牧?。綜合考慮粉煤灰摻量、水膠比微動(dòng)、膨脹劑類型及摻量等方面因素進(jìn)行對(duì)新拌C50自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土的工作性及其強(qiáng)度、體積變形性能等方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究。以便對(duì)以后類似工程項(xiàng)目提供借鑒和參考意義。

[關(guān)鍵詞]自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土；混凝土配合比設(shè)計(jì)；配合比優(yōu)化

前言

自密實(shí)混凝土（Self Compactmg Concrete簡稱SCC）是指混凝土拌合物具有高流動(dòng)性、不離析、均勻性和穩(wěn)定性，澆筑時(shí)依靠其自重流動(dòng)，易于施工，無需振搗而達(dá)到密實(shí)的混凝土。為克服其自身的部分收縮，在自密實(shí)的基礎(chǔ)上加入定量膨脹劑使混凝土產(chǎn)生微膨脹效果，以達(dá)到對(duì)收縮的補(bǔ)償，繼而形成自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土，使鋼管與混凝土得到良好的粘結(jié)，充分發(fā)揮“套箍作用”，很大程度上提高了鋼拱橋的承載能力及耐久性。但其設(shè)計(jì)方法和普通混凝土配合比設(shè)計(jì)有所不同，而且與運(yùn)用于鋼管拱橋中的混凝土又有一些差異，所以有必要對(duì)其相關(guān)方法進(jìn)行學(xué)習(xí)，并以石門水庫特大橋工程實(shí)例，進(jìn)行混凝土配合比的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

1.工程概況

石門水庫特大橋?yàn)樵擁?xiàng)目的重點(diǎn)、難點(diǎn)及控制性工程，該橋左、右線主橋均采用跨徑262m的中承式有推力鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)，計(jì)算跨徑248m，主拱拱肋采用直徑95cm鋼管，全橋共32根主拱肋，該橋造型優(yōu)美，型式獨(dú)特，在同類橋梁中具有“西北第一跨”的美譽(yù)。

2自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土的工作機(jī)理

自密實(shí)混凝土具有高工作性、抗離析性、間隙通過性和填充性。按照流變學(xué)理論，新拌混凝土屬于賓漢姆流體，其流變方程為：τ=τ0+η×γ（t為剪切應(yīng)力；τ0為屈服剪切應(yīng)力；η為塑性粘度；γ為剪切速度）。其中τ0是阻礙塑性變形的最大應(yīng)力，在τ≥τ0時(shí)混凝土產(chǎn)生流動(dòng)；η是拌合物內(nèi)部組織其流動(dòng)的一種性能，其越小則在相同外力作用下流速越快，因此τ0和η是反應(yīng)流動(dòng)性的主要流變參數(shù)。自密實(shí)混凝土的配制就是通過各材料的比例組成使所得混凝土的屈服剪切應(yīng)力τ0減小到適宜范圍同時(shí)又具有足夠的塑性粘度η，使集料懸浮于水泥漿中，不出現(xiàn)離析和泌水且能自動(dòng)流平填充，形成密實(shí)且均勻的結(jié)構(gòu)，對(duì)于混凝土本身會(huì)存在一定的收縮，所以通過加入一定量的膨脹劑來補(bǔ)償混凝土自身的收縮，形成自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土。

3.配合比的設(shè)計(jì)

3.1設(shè)計(jì)要求

鋼管拱內(nèi)灌注的自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土配合比指標(biāo)嚴(yán)格按照現(xiàn)行國標(biāo)《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》（GB50 23-2013）、《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 283-2012）及設(shè)計(jì)文件要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C50，施工工藝為泵送頂升壓注法施工，3d壓注下一根拱肋；體積穩(wěn)定性能：密閉環(huán)境下混凝土自由膨脹率穩(wěn)定收斂期應(yīng)小于60d，其值應(yīng)控制在（2.0～6.0）x10^-4；工作性能：滿足表1中設(shè)計(jì)要求，依據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，6h內(nèi)便能完成混凝土的泵送。

3.2所用原材料情況

水泥：漢中勉縣堯柏生產(chǎn)的P.0525。

骨料：采用漢臺(tái)區(qū)的天然砂，表觀密度：pa=26.38kg/m³，細(xì)度模數(shù)2.76，各指標(biāo)均符合Ⅱ區(qū)中砂要求；碎石采用南鄭縣大龍石料廠的碎石，5-10mm和10-20mm摻配所得級(jí)配良好的5-20mm碎石，表觀密度pa=2812kg/m³，針片狀含量2.6%，壓碎值16.8%（注：試驗(yàn)方法采用《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE42-2005）。

減水劑：山西佳維建材有限公司生產(chǎn)的JW-608型聚羧酸高性能減水劑，固含量20%，減水率27.5%，并經(jīng)試驗(yàn)其與水泥適應(yīng)性良好，分散性好，塌落度損失小，泌水小，具有高耐久性并一定程度上補(bǔ)償收縮的性能。

粉煤灰：勉縣鼎益源建材實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的F類I級(jí)粉煤灰，細(xì)度4.2%，燒失量1.5%，需水量比82.4%。

膨脹劑：山西佳維建材有限公司生產(chǎn)的水化產(chǎn)物為硫鋁酸鈣一氧化鈣類的EAACⅡ型膨脹劑，其性能穩(wěn)定，限制膨脹率水中7d為0.027%。

水：漢中褒河鎮(zhèn)麻坪寺村飲用水。

3.3C50自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土基準(zhǔn)配合比確定

（1）自密實(shí)混凝土配制強(qiáng)度（f_cup）應(yīng)按照現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ55-2011）的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算：f_cup=f_cuk+1645δ

式中：f_cuk-混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)值（MPa）；δ-混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差（MPa）；設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C50，故取為6.0MPa

所以可得J_cup為59.9MPa。

（2）骨料質(zhì)量的計(jì)算：

①每方混凝土中粗骨料的體積（Vg）可按表取0.35m³。

②依據(jù)骨料表觀密度與所占體積乘積得出每方混凝土中的粗骨料和細(xì)骨料的質(zhì)量。

（3）水膠比（m_w/m_b）的確定：

式中：m_b-每方混凝土中膠材的質(zhì)量（kg）；n_w-每方混凝土中水的質(zhì)量（kg）；f_ce-水泥的28d實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度^w（MPa）；γ-膠凝系數(shù)；β-質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）；

按照工程使用的原材料性能和耐久性要求及以往經(jīng)驗(yàn)，確定本次C50自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土的水膠比為0.32。

（4）每方膠材的質(zhì)量依據(jù)漿體體積、膠材表觀密度、水膠比等計(jì)算確定：

（5）依據(jù)水膠比及各膠材比例確定每方混凝土中用水量及粉煤灰、膨脹劑用量，并依據(jù)摻量確定外加劑用量：

代入?yún)?shù)到相關(guān)公式，綜上計(jì)算所得，初步基準(zhǔn)配合比每方（kg/m³）用量為水泥：粉煤灰：膨脹劑：砂：碎石：水：減水劑=404：74：53：720：984：169：6.372。

經(jīng)試拌，該拌合物稍有粘稠，略顯得粗骨料較少，且測(cè)得混凝土容重為2395kg/m³。因工程鋼管混凝土的灌注方式是有壓力的頂升壓注，再根據(jù)一般C50混凝土配合比要求并結(jié)合以往配制鋼管拱橋用自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土的經(jīng)驗(yàn)，容重宜取2450kg/m³，故在控制水的用量、砂率、水膠比不變的條件下，微調(diào)膠材、砂、碎石用量，可得C50自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土基準(zhǔn)配合比每方（kg/m³）用量為水泥：粉煤灰：膨脹劑：砂：碎石：水：減水劑=400：75：53：736：1017：169：6336。

4.對(duì)C50自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土配合比設(shè)計(jì)的優(yōu)化

4.1粉煤灰摻量對(duì)C50自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土性能的影響

保證單方混凝土中膠材用量不變時(shí)，調(diào)整粉煤灰摻量，不同取代量來研究膠材的組成對(duì)該混凝土性能的影響規(guī)律，具體配合比、工作性能、體積穩(wěn)定性分別見混凝土配合比匯總表2、工作性能匯總表3、體積穩(wěn)定性匯總表4中的編號(hào)1#、2#、3#所示。

4.2水膠比對(duì)C50自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土性能的影響

保證單方混凝土中用水量不變時(shí)，在2#配比基礎(chǔ)上增減0.02調(diào)整水膠比，研究水膠比對(duì)該混凝土性能的影響規(guī)律，具體配合比、工作性能、體積穩(wěn)定性分別見見混凝土配合比匯總表2、工作性能匯總表3、體積穩(wěn)定勝匯總表4中的編號(hào)4#、5#所示。

4.3膨脹劑種類及摻量對(duì)C50自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土.勝能的影響

保證膠材、水膠比、砂率不變時(shí)，研究膨脹劑類型及摻量對(duì)該混凝土性能的影響規(guī)律，具體配合比、工作性能、體積穩(wěn)定性分別見混凝土配合比匯總表2、工作性能匯總表3、體積穩(wěn)定性匯總表4中的編號(hào)6#、7#、8#所示。

2.所用膨脹劑均為同一廠家生產(chǎn)的。

對(duì)上述配合比進(jìn)行試拌，工作性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，匯總結(jié)果如表3所示：

對(duì)混凝土的力學(xué)性能及體積穩(wěn)定性的測(cè)定，匯總結(jié)果如表4所示：

對(duì)粉煤灰摻量對(duì)強(qiáng)度影響，以齡期為橫坐標(biāo)，強(qiáng)度值為縱坐標(biāo)進(jìn)行繪圖如圖1所示：

綜合表3、4及圖1分析得到：粉煤灰摻量14%的1#配比中混凝土的工作性能、強(qiáng)度、含氣量及膨脹率均滿足設(shè)計(jì)要求，但1#配合比中混凝土3d抗壓強(qiáng)度低于40MPa，按照GB50923-2013《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》規(guī)定“同一拱肋中下一條鋼管的管內(nèi)混凝土澆注應(yīng)在前一條鋼管的管內(nèi)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后進(jìn)行”，因此，1#配比影響施工進(jìn)度；粉煤灰摻量8%的2#配比3d強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)的886%，28d強(qiáng)度達(dá)到試配強(qiáng)度的106.5%，混凝土工作性能、力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性能均滿足設(shè)計(jì)要求；粉煤灰摻量5%的3#配比混凝土的力學(xué)性能、工作性能及膨脹性能雖滿足設(shè)計(jì)要求，但混凝土粘度大，坍落度損失大，不利于夏季施工，同時(shí)導(dǎo)致成本增加，也難以發(fā)揮粉煤灰的“滾珠效應(yīng)”。因此，C50自密實(shí)補(bǔ)償收縮鋼管混凝土宜選用2#配合比的粉煤灰摻量適宜。

對(duì)水膠比對(duì)強(qiáng)度影響，以齡期為橫坐標(biāo)，強(qiáng)度值為縱坐標(biāo)進(jìn)行繪圖如圖2所示：

綜合表3、4及圖2中所示，隨著水膠比增加，混凝土的坍落度、坍落擴(kuò)展度增加，間隙通過性提高，抗離析性能降低，其中4#配合比混凝土的力學(xué)性能和膨脹性能雖能滿足設(shè)計(jì)要求，但其工作性能較差，坍落度損失較大，影響鋼管混凝土的頂升泵送施工；5#配合比塌落度較大，故而混凝土抗離析能力降低，合氣量較大，頂升泵送灌注施工時(shí)易在拱頂處的混凝土與鋼管壁之間形成氣膜，易導(dǎo)致拱頂處混凝土與鋼管壁脫空，且28d抗壓強(qiáng)度不能夠滿足試配要求。因此，宜選用2#配合比的水膠比0.32。

綜合表3、4中所示，同等摻量的2#和6#配合比，6#摻加EAACI型膨脹劑的混凝土在鋼管密閉環(huán)境下膨脹率較低，不能滿足鋼管密閉環(huán)境下56d自由膨脹率（2.0-6.0）x10^-4設(shè)計(jì)要求，而2#采用EAACⅡ型膨脹劑時(shí)，鋼管密閉環(huán)境下56d自由膨脹率達(dá)3.8×10^-4，且56d趨于穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。因此，選擇EAACⅡ型膨脹劑。7#配合比摻量8%，混凝土的膨脹率較小，不能滿足設(shè)計(jì)要求；而8#配合比摻量12%，坍落度和擴(kuò)展度損失增大，不利于夏季施工，且混凝土的3d抗壓強(qiáng)度略有降低，因此，C50自密實(shí)補(bǔ)償收縮鋼管混凝土宜選用EAACⅡ型膨脹劑，且摻量為10%，對(duì)混凝土能起到補(bǔ)償收縮的作用。

對(duì)2#配比混凝土凝結(jié)時(shí)間的測(cè)定初凝時(shí)間17.2h，終凝19.0h，符合設(shè)計(jì)要求。

5.C50自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土配合比試驗(yàn)結(jié)果

通過上述配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定該鋼管拱橋內(nèi)灌注C50自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土配合比見下表所示：

6結(jié)語

我國幅員遼闊，各地材料性能有所不同，C50自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土屬于高性能混凝土，對(duì)原材料要求又高，為確保配合比的適應(yīng)性能，有必要在按規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)提出基準(zhǔn)配合比后，以實(shí)際為出發(fā)點(diǎn)，密切結(jié)合當(dāng)?shù)卦牧线M(jìn)行多種試驗(yàn)的對(duì)比，通過試驗(yàn)的手段，得到可靠的數(shù)據(jù)，繼而整理、匯總、分析并進(jìn)行對(duì)配合比進(jìn)行各種優(yōu)化，確保其以優(yōu)良的品質(zhì)服務(wù)于工程的生產(chǎn)。