,，，

(長沙市公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410205)

清水混凝土在橋梁墩柱施工的應(yīng)用

鐘幟旗,李湘鋒，湯紹陽，趙龍

(長沙市公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410205)

通過試驗，研究配制高性能清水混凝土應(yīng)用于橋梁大體積墩柱施工中，實現(xiàn)橋梁墩柱混凝土達(dá)到高性能混凝土的技術(shù)要求，而且澆筑出來的混凝土結(jié)構(gòu)物能達(dá)到清水混凝土的外觀效果。

橋梁橔柱；清水混凝土；礦物摻合料；強度影響系數(shù)；配合比設(shè)計

0 前言

清水混凝土，在國外叫做Architectural Concrete(建筑藝術(shù)混凝土)，Exposed Concrete(暴露表面混凝土)或稱作Fair Faced Concrete(整形表面混凝土)。清水混凝土由于技術(shù)難度大，造價高，目前少量應(yīng)用于大樓、高鐵車站等有特殊要求的大型工程，在高速公路方面較少有應(yīng)用案例。隨著公路行業(yè)的發(fā)展，施工人員對混凝土工作性能要求越來越高，建設(shè)方對橋梁混凝土構(gòu)件的外觀要求越來越高。而清水混凝土的技術(shù)特點和外觀表現(xiàn)特征，可以很好地滿足這些要求。將清水混凝土理念應(yīng)用于橋梁等混凝土結(jié)構(gòu)，采用普通常規(guī)的建筑材料，通過試驗方法，反復(fù)試配及調(diào)整，在橋梁混凝土施工中實現(xiàn)清水混凝土的工作性能和外觀效果。

1 工程概況

某沿海高架橋，橋梁寬度 25.5 m，設(shè)計汽車荷載為公路-I級。墩柱混凝土施工主要技術(shù)難點如下：

1)在城市主干道上建設(shè)高架橋，采用花瓶墩，要求墩柱外表美觀、基本無缺陷。要求混凝土和易性好，氣泡少，不離析不泌水。

2)墩柱最小截面尺寸為2.0 m×2.2 m，墩高10～15 m，混凝土方量為150～210 m3，一次澆筑成型，要求混凝土緩凝時間長，水化熱低。

3)墩柱鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼絞線密集，鋼筋間距小，混凝土振搗施工空間狹小，難以振搗密實，要求混凝土流動性大，易于振搗密實。

4)工程處于沿海地帶，受來自海上潮濕空氣侵蝕影響較大，要求混凝土致密性好，抗?jié)B和抗侵蝕能力強。

2 確定混凝土配合比設(shè)計目標(biāo)參數(shù)及設(shè)計理念

針對工程要求，確定墩柱C40混凝土配合比設(shè)計目標(biāo)技術(shù)要求如下：

1)新拌混凝土性能要求：和易性良好、不離析、不泌水。坍落度：18～22 cm，擴展度：≥550 mm，1 h塌落損失：<20 mm。

2)混凝土結(jié)構(gòu)外觀質(zhì)量要求：顏色基本一致、無明顯色差，無修補。最大直徑不大于8 mm，深度不大于2 mm，每1 m2氣泡面積不大于20 cm2。無漏漿、流淌及沖刷痕跡，無油跡及銹斑，無粉化物。

顯然采用常規(guī)的混凝土配合比生產(chǎn)的混凝土很難滿足工程技術(shù)要求，通過研究相關(guān)資料和應(yīng)用實例，決定采用配合比設(shè)計新理念，配置高性能清水混凝土進(jìn)行橋梁墩柱施工，以滿足施工技術(shù)要求。

3 混凝土配合比設(shè)計

3.1 配合比各原材料確定及性能試驗

通過各種建筑材料性能比選，結(jié)合工程實際情況，選用混凝土配合比用原材料及各項指標(biāo)檢測如下：

1)海螺P.042.5水泥，試驗得技術(shù)指標(biāo)如表1。

表1 海螺P0425水泥技術(shù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)稠度/%密度/(g·cm-3)比表面積/(m2·kg-1)初凝時間/min終凝時間/min28d強度/MPa274305350158255463

2)F類II級粉煤灰，試驗得技術(shù)指標(biāo)如表2。

表2 F類II級粉煤灰技術(shù)指標(biāo)細(xì)度/%燒失量/%需水比/%密度/(g·cm-3)游離氧化鈣/%218429319011

3)S95級磨細(xì)礦渣粉，試驗得技術(shù)指標(biāo)如表3。

表3 S95級磨細(xì)礦渣粉技術(shù)指標(biāo)密度/(g·cm-3)比表面積/(m2·kg-1)流動比/%28d活性指數(shù)/%291412102107

4)SM高性能聚羧酸減水劑，試驗得技術(shù)指標(biāo)如表4。

表4 SM高性能聚羧酸減水劑技術(shù)指標(biāo)減水率/%含氣量/%泌水率比/%7d抗壓強度比/%28d抗壓強度比/%2651503138112

5)5～31.5 mm連續(xù)級配碎石，試驗得技術(shù)指標(biāo)如表5。

表5 5～315mm連續(xù)級配碎石技術(shù)指標(biāo)表觀密度/(t·m-3)振實密度/(t·m-3)堆積密度/(t·m-3)針片狀含量/%含泥量/%壓碎值/%空隙率/%吸水率/%260217514630051584418

6)天然河砂，II區(qū)中砂，試驗得技術(shù)指標(biāo)如表6。

表6 天然河砂II區(qū)中砂技術(shù)指標(biāo)表觀密度/(t·m-3)振實密度/(t·m-3)堆積密度/(t·m-3)細(xì)度模數(shù)含泥量/%飽和面干含水率/%空隙率/%2618172152268103542

3.2 各組分膠凝材料摻量確定

理論上多種膠凝材料組合共同作用，可以量化的指標(biāo)是膠砂強度，可以采用水泥膠砂強度的試驗方法，確定各種外摻料對膠砂強度的影響程度，即摻入外摻料的膠凝材料的膠砂強度與純水泥膠砂強度的比值，定義為強度影響系數(shù)。通過不同膠凝材料的強度影響系數(shù)，可以計算得到多組分膠凝材料中各膠凝材料的占比。

本工程配合比所用膠凝材料為3種，水泥、粉煤灰和礦粉，外摻料總摻量為40%，通過膠砂強度試驗，得到粉煤灰和礦粉的膠砂強度以及強度影響系數(shù)，試驗結(jié)果如表7。

表7 試驗結(jié)果膠凝材料組成28d膠砂強度/MPa強度影響系數(shù)水泥100%46310水泥60%+粉煤灰40%386083水泥60%+礦粉40%503109

根據(jù)上表數(shù)據(jù)，計算本工程C40墩柱配合比各組分膠凝材料摻量。

根據(jù)配合比設(shè)計規(guī)程取設(shè)計強度富裕系數(shù)為1.08，強度影響系數(shù)=42.5 MPa×1.08/46.3 MPa=0.99。

設(shè)粉煤灰摻量為X，礦粉摻量為Y,建立聯(lián)立方程：

解方程得：X=18%,Y=22%。

該配合比中各膠凝材料占比為 ：水泥 ∶粉煤灰 ∶礦粉=60%∶18%∶22%。

3.3 外加劑摻量確定

用計算確定的膠凝材料摻配比例，用水泥凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度用水試驗方法，試驗所得多組分膠凝材料標(biāo)準(zhǔn)稠度為28.6%，取標(biāo)準(zhǔn)稠度為水膠比W/B=0.286，取0.286水膠比對外加劑進(jìn)行最佳摻量試驗結(jié)果如表8。

表8 外加劑最佳摻量試驗結(jié)果摻量/%凈漿流動度/mm102001222014250

根據(jù)相關(guān)研究資料，用標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量測定的凈漿流動度數(shù)值跟拌制的混凝土坍落度有較好的關(guān)聯(lián)性，墩柱配合比混凝土設(shè)計坍落度在220 mm左右，取表中凈漿流動度為220 mm時的外加劑摻量為混凝土配合比的外加劑摻量。

3.4 砂子用量的確定

根據(jù)填充理論，混凝土中的砂子完全填充于碎石的空隙中，使得混凝土達(dá)到最密實狀態(tài)，性能最佳。每立方米混凝土中砂子的準(zhǔn)確用量為砂子的緊密堆積密度βs=1 720 kg/m3乘以碎石的孔隙率44%，則砂子用量為：S=1 720 kg/m3×44%=757 kg/m3。

3.5 膠凝材料用量確定

根據(jù)朱效榮多組分混凝土設(shè)計理論，計算配合比膠凝材料用量為398 kg/m3，通過前面確定的各膠凝占比，計算出各膠凝材料用量：水泥=398 kg/m3×0.6=238 kg/m3，礦粉=398 kg/m3×0.22=88 kg/m3，粉煤灰398 kg/m3×0.18=72 kg/m3。

3.6 碎石用量確定

根據(jù)朱效榮多組分混凝土設(shè)計理論，用碎石的堆積密度扣除膠凝材料的體積以及膠凝材料水化用水的體積對應(yīng)的碎石，即可求每1 m3混凝土碎石的用量，通過計算碎石用量為1 069 kg/m3。

3.7 用水量確定

根據(jù)朱效榮多組分混凝土設(shè)計理論，配合比用水量=膠凝材料標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量+河砂潤濕所需水量+碎石潤濕所需水量。計算得到單位用水量為158 kg。水膠比：W/B=0.40，滿足規(guī)范要求。

通過以上配合比各組分用量的計算，C40墩柱基準(zhǔn)配合如表9。

表9 C40墩柱配合比各材料用量表kg水泥粉煤灰礦粉碎石河砂水外加劑23872881069757158478

4 混凝土配合比試拌、調(diào)整及應(yīng)用

應(yīng)用上面基準(zhǔn)配合比進(jìn)行混凝土試拌，通過外加劑復(fù)配調(diào)整，對混凝土性能進(jìn)一步優(yōu)化。摻入引氣劑控制混凝土含氣量，保障混凝土流動性。摻入緩凝劑減小混凝土坍落度損失，摻入消泡劑，排出部分混凝土氣泡，減少混凝土表面氣泡，摻入增稠劑，保證混凝土和易性，不泌水。如圖1，圖2。

圖1 新拌混凝土狀態(tài)

圖2 新拌混凝土坍落度

最終確定混凝土施工配合比，其各項指標(biāo)檢測結(jié)果見表10。

表10 新拌混凝土各項指標(biāo)檢測結(jié)果表容重/(kg·m-3)坍落度/mm1h坍損/mm擴展度/mm泌水率/%含氣量/%初凝時間/min終凝時間/min242022010550035485605

由上表試驗數(shù)據(jù)可知，新拌混凝土各項性能良好，均能滿足施工要求。

對硬化混凝土各項指標(biāo)進(jìn)行檢測，結(jié)果見表11。

表11 硬化后混凝土性能檢測結(jié)果表7d強度/MPa28d強度/MPa28d彈性模量/GPa抗?jié)B電通量/C抗凍等級28d碳化深度/mm405508326W121740F3000

由上表試驗數(shù)據(jù)可知，該混凝土在強度、抗?jié)B、抗侵蝕等方面表現(xiàn)優(yōu)秀，能滿足設(shè)計使用要求。

應(yīng)用此配合比拌制的混凝土流動性好，擴展度大，坍落度損失小，泵送順利，有一定的自密實性能，易振搗，早期水化熱低，利于夏天作業(yè)。在使用模板漆的情況下，其外觀呈仿大理石狀，平整光滑，手感細(xì)膩，有光澤，呈現(xiàn)出鏡面效應(yīng)，可達(dá)到清水混凝土效果。

墩柱拆模后外觀效果見圖3。

圖3 墩柱拆模后外觀效果圖

5 結(jié)論

傳統(tǒng)的配合比設(shè)計，其各組分粗獷式經(jīng)驗參數(shù)計算，其精度難以滿足現(xiàn)代高性能混凝土配合比設(shè)計要求。在引入多種礦物摻合料和復(fù)配聚羧酸高效減水劑后，各種材料作用機理進(jìn)一步復(fù)雜。不同地區(qū)的材料，其各項技術(shù)指標(biāo)差異大，同一配方拌制混凝土體現(xiàn)出來的效果也有著很大的差異，配合比設(shè)計難度和復(fù)雜度進(jìn)一步提高。

選定合適的建筑材料進(jìn)行配合比設(shè)計，通過對材料的性能指標(biāo)進(jìn)行試驗，根據(jù)各材料的性能參數(shù)，通過確定強度影響系數(shù)來計算膠凝材料摻量，應(yīng)用多組分混凝土配合比設(shè)計理論，結(jié)合清水混凝土技術(shù)要求，準(zhǔn)確計算目標(biāo)配合比各組分質(zhì)量。在不增加成本的情況下，實現(xiàn)混凝土配合比設(shè)計精準(zhǔn)化，使配合比中各組分材料的作用充分發(fā)揮，實現(xiàn)混凝土各項性能的突破，明顯優(yōu)于常規(guī)混凝土，達(dá)到高性能混凝土的技術(shù)要求，而澆筑出來的混凝土結(jié)構(gòu)物達(dá)到清水混凝土的外觀效果。

[1] 朱效榮.數(shù)字量化混凝土使用技術(shù)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2016.

[2] 胡紅梅,馬保國.混凝土礦物摻合料[M].北京：中國電力出版社，2016.

[3] 馮乃謙,笠井方夫(日本) ,顧晴霞.清水混凝土[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[4] JGJ55-2011,普通混凝土設(shè)計規(guī)程[S].

1008-844X(2017)03-0171-03

U 445.55

B

2017-08-18

鐘幟旗(1982-)，男，工程師，主要從事路橋建設(shè)。