鋼—混凝土組合橋梁自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土 配制技術(shù)及應(yīng)用

沈玉，王旺寧

（中交二公局第三工程有限公司，陜西 西安 710016）

0 前言

隨著大跨徑鋼拱橋、鋼—混凝土組合橋梁的迅速發(fā)展，自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用越來越廣泛，自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土的開發(fā)和在鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁上應(yīng)用，簡化了施工工序，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，消除振搗噪音，改善作業(yè)環(huán)境，加快施工進(jìn)度，提高施工效果和管理水平。推廣應(yīng)用自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土，降低混凝土結(jié)構(gòu)開裂敏感性，提高工程質(zhì)量，杜絕橋梁伸縮縫常見病害，大幅度減少施工期表面塑性開裂、運(yùn)營期橫橋向斷裂、局部發(fā)生網(wǎng)裂的風(fēng)險(xiǎn)，提升鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁混凝土耐久性，降低全壽命周期成本。

在高性能自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土的配制過程中，存在著新拌混凝土大流動(dòng)性與抗離析性的矛盾，高強(qiáng)混凝土低水灰比與大流動(dòng)性之間的矛盾，高膠凝材料用量與坍落度經(jīng)時(shí)損失大的矛盾等。需要解決的主要問題：（1）高流動(dòng)性和坍落度保持：保證拌合物擴(kuò)展度在 600～700mm，J 環(huán)現(xiàn)實(shí)的鋼筋通過率符合自密實(shí)混凝土相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，且坍落度損失得到有效控制。（2）高勻質(zhì)性問題：保證混凝土質(zhì)量均勻，即不泌水、不離析，澆筑后不出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。（3）原材料波動(dòng)對混凝土性能的影響，確定關(guān)鍵原材料技術(shù)指標(biāo)質(zhì)量控制的閾值。（4）配合比設(shè)計(jì)的技術(shù)原則和關(guān)鍵參數(shù)的確定方法，思路是遵循用水量—性能的控制路線。

1 工程簡介

本文依托陜西省平鎮(zhèn)高速公路，研究鋼—混凝土組合橋梁自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土的配制技術(shù)及應(yīng)用，該項(xiàng)目為陜西省重大關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目。平鎮(zhèn)高速公路 LJ2 標(biāo)四方石溝大橋橋址位于陜西省安康市平利縣廣佛鎮(zhèn)附近，路線沿秋河右岸山坡設(shè)線，橋梁為路線跨越秋河支流四方石溝而設(shè)。該溝溝道較為狹窄，兩岸山坡陡峻。上部結(jié)構(gòu)左線采用 4×35 米鋼—混組合梁（鋼板梁），全橋共 1 聯(lián)；右線 28+2×35+28 米鋼—混組合梁（剛板梁），全橋共 1 聯(lián)。圖紙?jiān)O(shè)計(jì)單位為陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院創(chuàng)新設(shè)計(jì)研發(fā)中心，其中鋼—混凝土組合橋梁為陜西省重大關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目，現(xiàn)澆伸縮縫及剪力槽采用 C55 高性能自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土。

2 設(shè)計(jì)指標(biāo)要求

高性能自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土性能指標(biāo)見表1。

表1 高性能自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土性能指標(biāo)

3 技術(shù)路線

3.1 骨料全級(jí)配研究

級(jí)配選擇優(yōu)化，提出級(jí)配模型。在機(jī)制砂正迅速成為主力砂源的新時(shí)期，研究全骨料級(jí)配體系，充分利用石粉，開發(fā)機(jī)制砂自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土技術(shù)。目的是達(dá)到骨料級(jí)配良好、摩擦阻力小、高密實(shí)，有效降低漿骨比，與此同時(shí)合理利用石粉以控制和降低水泥、粉煤灰、礦渣等膠凝材料用量。

3.2 多元膠凝體系組成研究

多元膠凝組分+二元膨脹組分+減縮組分+內(nèi)養(yǎng)護(hù)組分。目的達(dá)到多元膠凝體系需水量低、合理匹配石膏、控制高活性組分。采用二元膨脹組分的雙膨脹源技術(shù)，即鈣系和鎂系二元膨脹體系。采用不同的減縮體系，分別研究膨脹體系、減縮體系、膨脹體系+減縮體系。材料的選擇很重要，通過對膨脹時(shí)機(jī)的把握、減縮劑限制內(nèi)部干燥收縮、內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑對水的遷移，對比不同的材料性能。檢測膨脹劑的膨脹率、減縮劑的減縮率、內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑勢差的擴(kuò)散（溫度差、濃度差、壓力差等），研究選定膨脹劑的種類，或采用多膨脹源的設(shè)計(jì)思路，確定膨脹組分的最佳摻量，確保膨脹體系具備良好的膨脹規(guī)律，能產(chǎn)生較大的初期膨脹且后期膨脹穩(wěn)定；研究減縮劑限制內(nèi)部干燥收縮的減縮率、研究內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑勢差產(chǎn)生的水遷移在水泥水化程度、自收縮與強(qiáng)度之間的平衡點(diǎn)，確定減縮劑、內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑的最佳摻量，確保有效抑制補(bǔ)償混凝土的自收縮和干燥收縮。

3.3 自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土配合比研究

膠凝材料用量限制、用水量限制、機(jī)制砂中石粉等參數(shù)的確定、各組成成分的確定。研究自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土中各組分材料組成、性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，利用最緊密堆積原理、流變學(xué)，系統(tǒng)研究砂率、集料級(jí)配、石粉含量、用水量、礦物摻合料量、水泥漿量等因素對混凝土性能的影響，配制出優(yōu)良耐久的自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土。

3.4 自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土性能研究

在上述理論基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土的工作性能、物理力學(xué)性能，及抗凍、抗?jié)B、抗氯離子滲透、抗硫酸鹽侵蝕、抗裂性等耐久性能。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 多元膠凝體系的優(yōu)化與變形規(guī)律的研究

自由狀態(tài)和限制條件下的變形，確定約束條件下混凝土補(bǔ)償收縮的控制范圍，解決混凝土的變形與鋼—混凝土組合橋梁混凝土徐變的匹配與協(xié)同。膠凝材料顯著影響摻有自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土的收縮特性，影響程度與各組分的組合匹配有關(guān)，研究的主要方向是減縮，確定 C50 以上自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土專用多元膠凝材料是本課題的關(guān)鍵技術(shù)。

4.2 混凝土流變學(xué)的研究

解決低水膠比下高膠凝材料用量與坍落度經(jīng)時(shí)損失大的矛盾、新拌混凝土大流動(dòng)性與抗離析性的矛盾，調(diào)整配合比各相關(guān)參數(shù)，達(dá)到材料性能最優(yōu)的效果。坍損控制和塑性粘度合理范圍的確定是關(guān)鍵點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)，以獲得自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土拌合物的坍落擴(kuò)展度、J 環(huán)擴(kuò)展度、T500、離析率及 1h 經(jīng)時(shí)損失等參數(shù)的控制效果。

4.3 自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土配合比設(shè)計(jì)和性能關(guān)鍵參數(shù)確定

建立自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土配合比設(shè)計(jì)模型，自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土材料組成、結(jié)構(gòu)、性能關(guān)系的理論模型，充實(shí)和發(fā)展混凝土科學(xué)理論領(lǐng)域。

5 原材料

原材料選擇見表2。

6 混凝土原材料技術(shù)指標(biāo)

（1）碎石：連續(xù)級(jí)配碎石（4.75～9.5mm : 9.5～ 19mm = 3:7），其技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 碎石質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)

（2）砂：采用機(jī)制砂，其技術(shù)指標(biāo)經(jīng)測試，結(jié)果見表4。

表4 機(jī)制砂的質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)

（3）水泥：采用 P·O52.5 普通硅酸鹽水泥。其技術(shù)指標(biāo)經(jīng)測試，結(jié)果見表5。

表5 水泥的質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)

（4）粉煤灰：采用 F 類粉煤灰（Ⅱ級(jí)）。其技術(shù)指標(biāo)經(jīng)測試，結(jié)果見表6。

表6 粉煤灰質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（5）高爐礦渣粉：采用 S95 級(jí)。其技術(shù)指標(biāo)經(jīng)試驗(yàn)，結(jié)果見表7。

表7 礦渣粉質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（6）膨脹劑：其技術(shù)指標(biāo)經(jīng)測試，結(jié)果見表8。

表8 膨脹劑質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

表9 聚羧酸減水劑質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（8）水：其技術(shù)指標(biāo)經(jīng)試驗(yàn)，結(jié)果見表10。

表10 水質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

7 配合比設(shè)計(jì)過程

7.1 初步配合比設(shè)計(jì)（以 A 組中的 A-1 為例）

（1）填充性指標(biāo)為 SF1，計(jì)算粗骨料用量（取 Vg為 0.33）：

（2）計(jì)算砂漿體積：Vm=1 - Vg= 1-0.33 = 0.67(m3)

（3）計(jì)算砂的體積（取砂的體積含量為 0.44）：

（4）計(jì)算砂子的用量：

（5）計(jì)算漿體體積：

（6）設(shè)定膠凝材料中粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù) β1為 0.20（粉煤灰密度取 2200kg/m3），礦渣粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù) β2為 0.10（礦渣粉密度取 2820kg/m3），計(jì)算膠凝材料的表觀密度：

恒山景區(qū)對外營銷和宣傳力度較弱，宣傳渠道少，沒有做到精準(zhǔn)營銷。目前恒山景區(qū)并沒有根據(jù)各目標(biāo)區(qū)域市場的差異開展精準(zhǔn)營銷策略，營銷投資力度也較低。另外缺乏精心策劃文化活動(dòng)和設(shè)計(jì)營銷方案來進(jìn)行景區(qū)文化的展示。景區(qū)間合作較少。恒山周圍有著大量的風(fēng)景名勝和古遺跡遺址，有湯頭溫泉、神溪濕地、應(yīng)縣木塔等。一方面通過景區(qū)之間的互通交流，強(qiáng)化景區(qū)合作，開通景區(qū)間旅游直通車服務(wù)，使景區(qū)間相連成線，實(shí)現(xiàn)資源互補(bǔ)共享。另一方面通過景區(qū)之間的聯(lián)合營銷進(jìn)行旅游推薦活動(dòng)，共謀發(fā)展。

（7）由混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)，混凝土試配強(qiáng)度：

σ 根據(jù)混凝土強(qiáng)度等級(jí) σ 取 6.0。

（8）確定水膠比 Mw/Mb：

符合規(guī)范中混凝土最大水膠比的要求。

（9）計(jì)算每立方米自密實(shí)混凝土中膠凝材料的質(zhì)量：

Va為每立方混凝土中引入空氣體積，這里取 15L。

（10）單位用水量：

（11）計(jì)算水泥用量 Mc、粉煤灰用量 Mf、礦渣粉用量 Mk和膨脹劑用量 MP：

（12）計(jì)算外加劑的用量：

由此可計(jì)算出配合比組成材料用量，列入表11。

表11 混凝土計(jì)算配合比 kg/m3

7.2 確定基準(zhǔn)配合比

經(jīng)試拌調(diào)整校核拌和物工作性滿足設(shè)計(jì)要求，故確定基準(zhǔn)配合比為：水泥 : 粉煤灰 : 礦渣粉 : 砂 : 碎石 : 水: 減水劑 = 375:107:54:791:953:172:7.504，檢驗(yàn)強(qiáng)度，確定試驗(yàn)室配合比，見表12。

表12 混凝土試驗(yàn)室配合比

8 配合比選擇方案

（1）A 組為不同的粉煤灰摻量+不同的高爐礦渣粉摻量，根據(jù)工作性能（坍落度、坍落擴(kuò)展度、J 環(huán)擴(kuò)展度、T500、離析率及 2h 經(jīng)時(shí)損失）與強(qiáng)度，選擇 A 組配合比為基準(zhǔn)配合比（粉煤灰、礦渣粉摻量分別為 15%、10%）。

（2）B 組以選定的 A 組配合比為基準(zhǔn)，不同的膨脹劑摻量，根據(jù)工作性能（坍落度、坍落擴(kuò)展度、J 環(huán)擴(kuò)展度、T500、離析率及 2h 經(jīng)時(shí)損失）與強(qiáng)度，并制作限制膨脹大骨架試件檢測限制膨脹率（水中 7d、空氣中 28d），優(yōu)選出符合要求的 B 組配合比。

（3）C 組以選定的 A 組配合比為基準(zhǔn)，不同的減縮劑摻量，根據(jù)工作性能（坍落擴(kuò)展度、J 環(huán)擴(kuò)展度、T500、離析率及 2h 經(jīng)時(shí)損失）與強(qiáng)度，并制作限制膨脹大骨架試件檢測限制膨脹率（水中 7d、空氣中 28d），優(yōu)選出符合要求的 C 組配合比。

（4）D 組以選定的 A 組配合比為基準(zhǔn)，不同的膨脹劑摻量＋不同的減縮劑摻量，根據(jù)工作性能（坍落擴(kuò)展度、J 環(huán)擴(kuò)展度、T500、離析率及 1h 經(jīng)時(shí)損失）與強(qiáng)度，并制作限制膨脹大骨架試件檢測限制膨脹率（水中 7d、空氣中 28d），優(yōu)選出符合要求的 D 組配合比。

（5）分別檢測優(yōu)選出的 B 組、C 組、D 組配合比混凝土各項(xiàng)工作性能及成本價(jià)格，選擇性價(jià)比最高者作為設(shè)計(jì)配合比。

9 配合比試驗(yàn)結(jié)果匯總

各組混凝土選定配合比見表13。工作性能及強(qiáng)度檢測結(jié)果見表14。

表13 C55 自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土配合比 kg/m3

表14 工作性能及強(qiáng)度檢測結(jié)果

10 施工工藝及質(zhì)量控制

10.1 施工準(zhǔn)備工作

（1）濕接縫澆筑前，應(yīng)對安裝過程中變形的連接鋼筋予以校正和調(diào)直，對損傷的連接件予以修補(bǔ)。

（2）濕接縫鋼筋焊接時(shí)應(yīng)對橫向束波紋管進(jìn)行覆蓋，避免對波紋管造成破壞。

（3）連接鋼筋應(yīng)焊接，并應(yīng)通過墊塊保證連接鋼筋的保護(hù)層厚度。

10.2 施工過程質(zhì)量控制

（1）采用一次性購置同批次的砂石等地材拌制混凝土，減小自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土對原材料敏感度。

（2）采用坍落度擴(kuò)展度、倒坍落度筒等試驗(yàn)原理進(jìn)行試驗(yàn)，改進(jìn)自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土工作性能評價(jià)方法，保障準(zhǔn)確的施工配合比。

（3）在運(yùn)輸過程中，運(yùn)輸車內(nèi)不得殘留其他品種的混凝土，運(yùn)輸車每天使用完后應(yīng)清洗干凈。

（4）混凝土澆筑前注意應(yīng)將相鄰板側(cè)面用水潤濕，以保證新舊混凝土結(jié)合。

（5）混凝土澆筑時(shí)，通過運(yùn)輸罐車快速攪拌的二次攪拌功能提高自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土工作性能，減少自密實(shí)混凝土氣泡和發(fā)泡層的出現(xiàn)。

（6）混凝土采用吊車配合料斗進(jìn)行澆筑，澆筑按照跨為單位。濕接縫澆筑順序嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙要求進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)跨橋面板濕接縫澆筑分三批次完成。

（7）混凝土澆筑時(shí)，按照規(guī)范要求分別留取標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和同條件養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度試塊及限制膨脹率試件。

（8）采用土工布帶蓄水養(yǎng)護(hù)的方式，加強(qiáng)保濕養(yǎng)護(hù)控制，避免干縮離縫、混凝土表面強(qiáng)度不足等質(zhì)量缺陷。

（9）濕接縫混凝土應(yīng)保濕養(yǎng)護(hù)不小于 7d，濕接縫混凝土強(qiáng)度達(dá)到 85% 設(shè)計(jì)強(qiáng)度前，不得在其上進(jìn)行施工作業(yè)。

11 結(jié)語

（1）采用膨脹組分＋減縮組分＋內(nèi)養(yǎng)護(hù)組分的復(fù)配技術(shù)，有效補(bǔ)償收縮，預(yù)防混凝土裂縫的產(chǎn)生，且具有良好的力學(xué)性能和耐久性能。

（2）無縫施工技術(shù)使鋼板和混凝土緊密結(jié)合協(xié)同工作，提高結(jié)構(gòu)整體防水性能，使防水有限年限與結(jié)構(gòu)壽命相同。

（3）施工過程中加強(qiáng)業(yè)務(wù)人員之間的信息傳遞，嚴(yán)格控制各道工序銜接緊湊，保證混凝土施工的連續(xù)性，從而控制自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土的施工質(zhì)量。