鋼管拱內(nèi)注微膨脹混凝土配合比設(shè)計方法

王明耀

（中鐵三局三公司，山西 太原 030006）

鋼管拱橋結(jié)構(gòu)受力合理，施工工藝復(fù)雜，結(jié)構(gòu)外形美觀，能夠最大程度發(fā)揮材料的各項性能，而且在施工期間不會影響下部通行，在我國現(xiàn)代橋梁建設(shè)中廣受親睞。

1 鋼管混凝土的特性

鋼管拱內(nèi)要求灌注微膨脹混凝土，該混凝土一般采用泵送頂升法施工。管內(nèi)的泵送混凝土除了滿足強度要求外，應(yīng)具有低氣泡、高流動性、微膨脹補償收縮、低水化熱、緩凝和早強等工作性能，同時為了滿足泵送要求，混凝土坍落度要大、和易性要好，且不泌水、不離析，保證鋼管混凝土符合設(shè)計施工的各項要求。

上面提到的混凝土中的諸多指標中，有些指標構(gòu)成矛盾。比如坍落度高、和易性好，一般通過增大用水量來保證，但用水量增大以后，強度下降、易離析、混凝土收縮量加大。文獻《混凝土外加劑》中提到：摻膨脹劑的混凝土的膨脹值和自應(yīng)力值隨著水泥用量的增加而增大，標準還規(guī)定水泥的最低用量為300 kg/m3，以保證膨脹率的最低限值；文章《配制高性能鋼管微膨脹混凝土應(yīng)注意的幾個問題》中指出：混凝土中水泥用量過多會導致水化熱過大、混凝土收縮過大，以致產(chǎn)生裂縫及孔隙，并建議設(shè)計高性能鋼管微膨脹混凝土的水泥用量不宜過大?？梢姡渲聘咝阅芪⑴蛎浕炷恋倪^程就是克服以上矛盾，使管內(nèi)混凝土具有早期強度高、高流態(tài)、緩凝、自密實及可泵性好等性能，能夠同時滿足設(shè)計和施工的要求，其中又以鋼管混凝土的微應(yīng)力控制最為關(guān)鍵。

鋼管內(nèi)部混凝土質(zhì)量對工程結(jié)構(gòu)安全影響很大，稍有不慎，就會出現(xiàn)質(zhì)量事故，造成泵送困難，出現(xiàn)內(nèi)有空氣、不飽滿、混凝土和鋼管間有收縮空隙及承載能力下降等現(xiàn)象。

2 鋼管混凝土材料要求

2.1 水泥

選擇 525R早強型水泥。應(yīng)對水泥的品種、細度、化學組成含量以及礦物組成進行嚴格的控制，控制C3S在40%～50%，C2S和C3S占水泥成分的70%～74%，C3A在5%～9%為宜。

2.2 細骨料

配置高性能微膨脹混凝土要求使用干凈的河砂。使用時必須考慮到砂中云母含量、硫化物含量、含泥量和壓碎指標值，4種指標對混凝土強度和對鋼管的腐蝕性影響都非常大。因此，要嚴格按高標準控制砂中的云母含量、硫化物含量、含泥量和壓碎指標值，選用細度模數(shù)2.6～3.1的中砂為宜。不宜選用砂巖類山砂、機制砂、海砂，此類砂對混凝土的膨脹率影響非常大。

2.3 粗骨料

骨料的品質(zhì)對高性能微膨脹混凝土有很大影響，主要體現(xiàn)在骨料—砂漿界面黏結(jié)強度、骨料彈性模量和骨料的強度。為提高混凝土的和易性，可以用碎石和卵石雙摻的方法，也可以增大砂率用碎石單獨作骨料。碎石要求無棱角，減少針片狀顆粒的含量。碎石和卵石的粒徑都控制在小于30 mm。粗骨料中的含泥量以及本身的強度和骨料的彈性模量，再配制時，須引起重視。

2.4 摻和料

混凝土中摻入粉煤灰可降低水化熱，改善和易性。這里主要指出要嚴格控制SO3的含量，控制在0.5%～1.5%。粉煤灰為Ⅰ級或磨細粉煤灰。

2.5 外加劑

配置高性能微膨脹混凝土選用的高效減水劑應(yīng)具有緩凝作用或是高效減水劑與緩凝劑搭配使用，且是非引氣、低氣泡的減水劑。此類高效減水劑的質(zhì)量應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準《混凝土外加劑》的規(guī)定。

2.6 膨脹劑

膨脹劑的性能要符合《中華人民共和國建材行業(yè)標準混凝土膨脹劑》中的各項指標。選擇膨脹劑時要多試驗幾個品種，膨脹劑應(yīng)對混凝土后期強度及質(zhì)量無損害，與所用水泥適應(yīng)性好。主要膨脹劑有U型膨脹劑、復(fù)合膨脹劑及明礬石膨脹劑等。

3 鋼管混凝土配合比設(shè)計

在進行微膨脹混凝土配合比設(shè)計時，除應(yīng)遵守普通混凝土關(guān)于原材料、配合比設(shè)計（普通混凝土配合比設(shè)計請參考有關(guān)資料）等方面的要求外，尚應(yīng)針對微膨脹混凝土的特點，注意下列事項：

（1）微膨脹混凝土的需水量較大，所以拌和水應(yīng)比相同坍落度的普通混凝土多10%～15%，但是增加水量會增大水灰比，使膨脹率減少，干縮增加，所以應(yīng)在操作條件允許的前提下盡量減少用水量，或摻加減水劑以減少水的用量。

（2）減水劑能加快鈣釩石的生成，將會減少膨脹率。但在明礬石膨脹水泥混凝土中，摻加水泥質(zhì)量0.5%的MF減水劑，可以降低水灰比10%，而且可以改善和易性，增加早期強度和稍增加限制膨脹率，所以是可以摻用的。

（3）普通混凝土的水灰比法同樣適用于微膨脹混凝土。我國常用的明礬石膨脹水泥混凝土，當水灰比為 0.52，水泥用量為350 kg/m3時，28 d抗壓強度大于30 MPa，后期強度還有較大增長，6個月的強度為28 d強度的150%，在限制條件下強度還能增加約10%。

（4）進行微膨脹混凝土的配合比設(shè)計時，可以采用試配法。即首先通過3～4個水灰比找出強度和水灰比的關(guān)系曲線，再根據(jù)要求的強度來選定水灰比；按選定的水泥用量來計算加水量，再根據(jù)選定的砂率（可略低于普通混凝土），來計算試配用的混凝土配合比。

進行試配時，要核對坍落度，并制作強度試件、自由膨脹率試件和限制膨脹率試件。當強度和膨脹率均符合設(shè)計要求時，再經(jīng)過現(xiàn)場試拌進行調(diào)整，便可確定工程采用的配合比。

在進行膨脹混凝土配合比設(shè)計時，還應(yīng)考慮膨脹效果的影響因素。一般來說，不論是補償收縮作用還是自應(yīng)力作用，膨脹劑的膨脹效應(yīng)都可以由膨脹能的大小表示。但是，膨脹能的測定及有效膨脹能的計算等重要問題迄今尚不能很好解決，因此，有必要了解影響膨脹效應(yīng)各種因素。①膨脹能。膨脹能的大小與膨脹劑種類和細度有關(guān)；②水泥用量。摻膨脹劑的混凝土的膨脹值和自應(yīng)力值隨著水泥用量的增加而增大，我國有關(guān)標準規(guī)定水泥用量不應(yīng)低于300 kg/m3，以保證膨脹率的最低限值；③水灰比。水灰比對混凝土強度的影響很大，而摻膨脹劑混凝土的強度又與混凝土膨脹之間有著密切的關(guān)系。

4 鋼管微膨脹混凝土質(zhì)量要求

最終配制完成的鋼管微膨脹混凝土在設(shè)計和現(xiàn)場施工中應(yīng)同時滿足以下要求：管內(nèi)混凝土不能出現(xiàn)斷縫、空洞；管內(nèi)混凝土不能與管壁分離；管內(nèi)混凝土的強度應(yīng)比設(shè)計強度高10%～15%；新灌如入鋼管的混凝土，3 d內(nèi)承載力不宜高于30%設(shè)計強度，7 d內(nèi)承載力不得高于80%設(shè)計強度；一根鋼管混凝土的灌注完成時間，不超過第一盤入管混凝土的初凝時間；一根鋼管的混凝土必須連續(xù)灌注，一氣呵成。

5 結(jié)束語

基于以上討論，給出以下混凝土配合比設(shè)計要點：①水灰比要小于0.4，坍落度在12～18 cm之間，以16 cm最佳。②摻入減水劑，F(xiàn)DN最好，也可選用M型、YJ－2、UNF2型減水劑，摻量 0.9%～1.2%。③摻微膨脹劑，可選用鈣釩石、UEA等，摻量 10%～20%。④為了增加混凝土的和易性，降低水化熱，可以加入5%的一級粉煤灰。⑤加入緩凝劑延長初凝時間，初凝時間控制在12 h左右，終凝時間在14 h左右。⑥配料強度應(yīng)大于1.1～1.15倍設(shè)計強度。