俞 英

(福州東南繞城高速公路有限公司，福州 350008)

1 研究目的

當(dāng)今工程結(jié)構(gòu)向著高聳、 大跨度發(fā)展， 對材料的強(qiáng)度、耐久性等要求越來越高。由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有承載力高、 受壓延性好、 抗震性能佳及經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點，符合工程結(jié)構(gòu)發(fā)展要求，在土木工程行業(yè)具有良好的應(yīng)用前景[1-2]。 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是由混凝土內(nèi)填入鋼管而組成的一種組合結(jié)構(gòu)， 當(dāng)沿鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施加軸向荷載時， 鋼管和混凝土同時受荷， 核心混凝土受到鋼管約束，處于三向受力狀態(tài)，使材料充分發(fā)揮各自優(yōu)勢。 由于受到混凝土材料強(qiáng)度較低的限制， 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的尺寸往往也做得很大，不利于結(jié)構(gòu)的抗震。 在高層建筑中，由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的截面做得過大， 影響內(nèi)部空間的使用； 在承載力要求高的橋梁中， 則縮小橋梁下方的空間，使通行受到極大限制。 而高性能混凝土具有強(qiáng)度高、耐久性好等優(yōu)勢，將其替代管內(nèi)強(qiáng)度較低的普通混凝土，組合成新的鋼管高性能混凝土結(jié)構(gòu)。 鋼管高性能混凝土結(jié)構(gòu)既能滿足承載力高、抗震性能好等要求，也能在承載力要求不變條件下，減小其截面尺寸，節(jié)省建筑材料的應(yīng)用[3-4]，符合綠色、節(jié)能減排的環(huán)保觀念，使橋梁下方的通行更為順暢、建筑內(nèi)部使用空間更靈活。 目前，一些大型橋梁中已采用鋼管高性能混凝土結(jié)構(gòu)來建造橋墩和拱肋等受力部位， 表1 為應(yīng)用鋼管高性能混凝土結(jié)構(gòu)所建造的橋梁統(tǒng)計。

目前高性能混凝土研究較為成熟， 但由于實際施工過程中受工程的建設(shè)地域、 原材料來源及工程建設(shè)要求的不同導(dǎo)致拌制的高性能混凝土性能各有差異。因此，在現(xiàn)場需要進(jìn)行配合比試驗及檢測其和易性等方面性能，評估實際所澆筑的高性能混凝土是否滿足工程要求。 本文基于實際工程進(jìn)行這些方面的研究， 討論配合比試驗過程中的問題和管內(nèi)高性能混凝土實際澆筑過程中的施工技術(shù)指標(biāo)，保證施工過程各項指標(biāo)均達(dá)標(biāo)，為今后采用鋼管高性能混凝土結(jié)構(gòu)的建設(shè)工程施工提供參考。

表1 應(yīng)用鋼管高性能混凝土結(jié)構(gòu)所建造的橋梁統(tǒng)計

2 研究實例

本文以四川某特大橋為工程背景， 進(jìn)行C80 高性能混凝土配合比的選擇和施工過程中混凝土澆筑問題的研究。此橋位于四川省雅安經(jīng)石棉至滬沽高速公路段，全橋長1142 m，設(shè)計車速為80 km/h，主橋?qū)?4.5 m，其主跨為四跨連續(xù)變截面剛構(gòu)橋，主橋長105+2×200+105=610 m。圖1 為大橋建成后的示意圖。 橋墩采用鋼管混凝土疊合柱結(jié)構(gòu)， 鋼管混凝土疊合柱的柱肢為直徑610～1420 mm的鋼管，管內(nèi)灌注C60 或C80 高性能混凝土，鋼管混凝土柱間用型鋼進(jìn)行連接。 鋼管混凝土柱外包層鋼筋混凝土厚度為20 cm，腹板厚度為50 cm 的鋼筋混凝土，都采用C30 混凝土。 本次僅對等級為C80 高性能混凝土進(jìn)行配合比研究，并對其施工過程進(jìn)行闡述。圖2 為大橋墩柱的截面尺寸示意圖。

圖1 某橋建成后

圖2 邊跨墩柱尺寸示意圖(單位：cm)

3 研究內(nèi)容

根據(jù)文獻(xiàn)《混凝土配合比設(shè)計規(guī)范》(CJGJ 55-2011)、《普通混凝土混合物的性能測試標(biāo)準(zhǔn)》(CGB / T 50080-2002)、《普通混凝土力學(xué)性能測試方法標(biāo)準(zhǔn)》(CGB /T50081-2002)、《常規(guī)混凝土的長期性能和耐久性的測試方法》(CGBJ 82-85)[5-8]的相關(guān)要求，對C80 高性能混凝土的成分進(jìn)行測量和分析研究。

3.1 水泥

本配合比擬采用的普通硅酸鹽水泥質(zhì)量必須符合《通用硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)》(GB175)[9]， 施工要求還規(guī)定對于C40 以上標(biāo)號的混凝土要求采用當(dāng)?shù)卮髲S生產(chǎn)的水泥，以保證品質(zhì)。 所以水泥采用福建煉石牌水泥， 其中，P.O 42.5R 水泥化學(xué)成分如表2 所示，P.O 42.5R 水泥性能指標(biāo)如表3 所示。

表2 P.O 42.5R 水泥化學(xué)成分

表3 P.O 42.5R 水泥性能指標(biāo)

3.2 骨料

施工要求粗骨料必須采用軋制碎石， 細(xì)骨料為中粗砂，不得采用細(xì)砂。 配合比所用碎石由卵石破碎而成，5～20 mm 連續(xù)級配，壓碎值10.8%，針片狀含量10.5%。測得其粗骨料的飽和面干密度為2720 kg/m3， 吸水率為0.70%。中粗砂采用河砂，細(xì)度模數(shù)為2.78，測得其飽和面密度為2670 kg/m3，飽和面干吸水率1.45%，含泥量0.3%。

3.3 粉煤灰、硅灰

粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，需水量比為92%，其品質(zhì)指標(biāo)檢測結(jié)果如表4 所示。

表4 粉煤灰品質(zhì)檢測指標(biāo)

硅灰采用武漢鋼鐵公司生產(chǎn)的硅灰，其中SiO2含量達(dá)94.6%，比表面積為20000 m2/kg。

3.4 外加劑

本配合比所需外加劑為高效減水劑， 減水劑是深圳市蒼銳實業(yè)有限公司聚羧酸系高效減水劑， 減水率為30%。 加入高效減水劑可以降低混凝土中的堿含量和膠凝材料，保持混凝土良好的流動性。

4 結(jié)果與討論

4.1 核心高性能混凝土配合比

根據(jù)上節(jié)對高性能混凝土原材料的選取，結(jié)合《混凝土配合比設(shè)計規(guī)范》(CJGJ 55-2011)[5]，得出高性能混凝土配合比及相關(guān)檢測結(jié)果。 核心高性能混凝土等級為C80的配合比如表5 所示。

4.2 高性能混凝土測試性能

本試驗試件采用上述不同水膠比的C80 高性能混凝土配合比， 制作兩組試件試驗， 兩組試件的養(yǎng)護(hù)環(huán)境相同，養(yǎng)護(hù)完成后對試件分別進(jìn)行物理力學(xué)性能、新拌工作性能和體積變形性能的測試，測試結(jié)果如表6～8 所示。

表5 C80 核心高性能混凝土配合比

表6 C80 核心高性能混凝土物理力學(xué)性能測試結(jié)果

表7 C80 核心高性能混凝土新拌工作性能測試結(jié)果

表8 C80 核心高性能混凝土體積變形性能

由測試結(jié)果可以得出， 配合比中水膠比為0.26 時，C80 核心高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度較大， 齡期在28 d時，達(dá)到97.6 MPa 的強(qiáng)度， 大于水膠比為0.3 測試組的高性能混凝土抗壓強(qiáng)度，另外兩組試件的彈性模量差別不大。C80 高性能混凝土的新拌工作性能從坍落度和擴(kuò)展度兩個指標(biāo)體現(xiàn)， 水膠比為0.26 的測試組兩項指標(biāo)較為穩(wěn)定，0 h 和1 h 測得結(jié)果相差不大，而水膠比為0.30 的測試組波動稍大。 從C80 核心高性能混凝土體積變形性能分析，1～28 d 的齡期范圍內(nèi)，水膠比為0.26 的限制膨脹率少稍小于水膠比為0.30 的限制膨脹率， 兩者差別不顯著。綜上測試結(jié)果分析，選定水膠比為0.26 的配合比作為管內(nèi)C80 核心高性能混凝土的配合比較為合適， 更能滿足實際施工中對于高性能混凝土強(qiáng)度和流動性的要求。

5 實際工程應(yīng)用

上節(jié)選用的C80 高性能混凝土配合比可以作為在實際施工中所采用的高性能混凝土配合比。 由于此橋為特大橋，主跨橋長達(dá)610 m，為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，墩柱截面尺寸較大，橋墩最高達(dá)180 m，施工復(fù)雜，技術(shù)要求高，尤其對高性能混凝土各項指標(biāo)的檢測，如彈性模量、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度，還有高性能混凝土收縮性和水化熱等方面，以此為施工控制依據(jù)，進(jìn)行施工監(jiān)測。 故施工前需要在現(xiàn)場進(jìn)行配合比試驗， 確保施工過程和投入使用后保持正常。對于澆筑過程，高性能混凝土是否充滿整個鋼管內(nèi)部，其均勻和密實的狀態(tài)，都將影響鋼管高性能混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓能力，影響到整座橋的安全使用。因此鋼管內(nèi)灌注高性能混凝土是該橋關(guān)鍵技術(shù)， 必須配制一種流動性好、易于澆筑的高性能混凝土，即滿足設(shè)計要求，其強(qiáng)度等級達(dá)到C80 及以上能夠自流密實， 緩凝(初凝時間8～12 h)，高性能混凝土內(nèi)部的空氣含量低，早強(qiáng)(3 d 達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的80%)，并且有補(bǔ)償收縮性。 對于硬化過程，鋼管高性能混凝土結(jié)構(gòu)中的高性能混凝土水化階段的水化熱都是先持續(xù)上升達(dá)到峰值， 接著急劇下降直至趨于室內(nèi)大氣溫度， 與普通混凝土構(gòu)件水化階段的水化熱過程具有類似的變化規(guī)律。

鋼管混凝土疊合柱橋墩所有的鋼構(gòu)件都采用工廠加工完畢、在現(xiàn)場預(yù)組拼裝而成。完成后方可進(jìn)行澆筑高性能混凝土工作。 在正式澆筑前，需做1 次澆筑模擬試驗，主要以流動性和強(qiáng)度作為指標(biāo)評估高性能混凝土的性能，以保證澆筑時的各項指標(biāo)值正常。將擬采用的高性能混凝土配合比進(jìn)行高性能混凝土的制作， 并將制作好的高性能混凝土分別在15 m、8 m 高度處通過圓柱形料斗快速灌入鋼管內(nèi)成型。 在灌入過程中由于高性能混凝土的自重和沖擊力存在，使得高性能混凝土在一定程度上被壓實， 在已灌入鋼管內(nèi)的高性能混凝土加以低頻振搗。 現(xiàn)場在同一批次制作的高性能混凝土中，取出部分高性能混凝土來測量其相關(guān)性能，其中，坍落度的數(shù)值為260 mm(＞200 mm)，擴(kuò)散度的數(shù)值為680 mm，擴(kuò)散時間為8 s；同時，測得環(huán)境溫度為29℃、含氣量1.1%，各項指標(biāo)均較為正常。高性能混凝土澆筑完成后，其未出現(xiàn)離析、大面積蜂窩等現(xiàn)象；在其初凝后，進(jìn)行現(xiàn)場鉆芯取樣，并檢測高性能混凝土試塊的各項力學(xué)性能指標(biāo)， 所對應(yīng)的試件抗壓強(qiáng)度達(dá)到94.5 MPa，滿足力學(xué)性能要求。另外還有一些重要指標(biāo)要求，本文不再一一列舉。

6 結(jié)語

鋼管高性能混凝土結(jié)構(gòu)在軸向力作用下， 高性能混凝土和鋼管同時受力，共同發(fā)揮各自的材料優(yōu)勢。 因此，使用高性能混凝土替代管內(nèi)普通混凝土可有效解決工程中承載力高、截面過大的問題，而實際工程中，由于工程的結(jié)構(gòu)承載力要求過高，以至于結(jié)構(gòu)體積大、組合程度復(fù)雜，對高性能混凝土的配合比及其施工工藝有一定要求[10-11]。 在實際施工過程中，要現(xiàn)場進(jìn)行配合比試驗及高性能混凝土的各項施工指標(biāo)檢測，保證施工質(zhì)量，減少高性能混凝土澆筑后出現(xiàn)各種缺陷。同時，建立有效的施工監(jiān)控體系、方法，來完善鋼管高性能混凝土結(jié)構(gòu)的施工流程和工藝。