C50自密实补偿收缩混凝土配合比在钢管混凝土拱桥中的设计及优化

董向前　杨雄杰　张鹏勃

[摘要]本文综述了自密实补偿收缩混凝土的工作原理、配合比的设计以及在钢管混凝土中的的优化，并以石门水库特大桥为实例，利用当地原材料。综合考虑粉煤灰掺量、水胶比微动、膨脹剂类型及掺量等方面因素进行对新拌C50自密实补偿收缩混凝土的工作性及其强度、体积变形性能等方面进行了试验研究。以便对以后类似工程项目提供借鉴和参考意义。

[关键词]自密实补偿收缩混凝土；混凝土配合比设计；配合比优化

前言

自密实混凝土（Self Compactmg Concrete简称SCC）是指混凝土拌合物具有高流动性、不离析、均匀性和稳定性，浇筑时依靠其自重流动，易于施工，无需振捣而达到密实的混凝土。为克服其自身的部分收缩，在自密实的基础上加入定量膨胀剂使混凝土产生微膨胀效果，以达到对收缩的补偿，继而形成自密实补偿收缩混凝土，使钢管与混凝土得到良好的粘结，充分发挥“套箍作用”，很大程度上提高了钢拱桥的承载能力及耐久性。但其设计方法和普通混凝土配合比设计有所不同，而且与运用于钢管拱桥中的混凝土又有一些差异，所以有必要对其相关方法进行学习，并以石门水库特大桥工程实例，进行混凝土配合比的设计和优化。

1.工程概况

石门水库特大桥为该项目的重点、难点及控制性工程，该桥左、右线主桥均采用跨径262m的中承式有推力钢管混凝土拱桥结构，计算跨径248m，主拱拱肋采用直径95cm钢管，全桥共32根主拱肋，该桥造型优美，型式独特，在同类桥梁中具有“西北第一跨”的美誉。

2自密实补偿收缩混凝土的工作机理

自密实混凝土具有高工作性、抗离析性、间隙通过性和填充性。按照流变学理论，新拌混凝土属于宾汉姆流体，其流变方程为：τ=τ0+η×γ（t为剪切应力；τ0为屈服剪切应力；η为塑性粘度；γ为剪切速度）。其中τ0是阻碍塑性变形的最大应力，在τ≥τ0时混凝土产生流动；η是拌合物内部组织其流动的一种性能，其越小则在相同外力作用下流速越快，因此τ0和η是反应流动性的主要流变参数。自密实混凝土的配制就是通过各材料的比例组成使所得混凝土的屈服剪切应力τ0减小到适宜范围同时又具有足够的塑性粘度η，使集料悬浮于水泥浆中，不出现离析和泌水且能自动流平填充，形成密实且均匀的结构，对于混凝土本身会存在一定的收缩，所以通过加入一定量的膨胀剂来补偿混凝土自身的收缩，形成自密实补偿收缩混凝土。

3.配合比的设计

3.1设计要求

钢管拱内灌注的自密实补偿收缩混凝土配合比指标严格按照现行国标《钢管混凝土拱桥技术规范》（GB50 23-2013）、《自密实混凝土应用技术规程》（JGJ/T 283-2012）及设计文件要求进行设计。

设计强度等级为C50，施工工艺为泵送顶升压注法施工，3d压注下一根拱肋；体积稳定性能：密闭环境下混凝土自由膨胀率稳定收敛期应小于60d，其值应控制在（2.0～6.0）x10^-4；工作性能：满足表1中设计要求，依据项目实际情况，6h内便能完成混凝土的泵送。

3.2所用原材料情况

水泥：汉中勉县尧柏生产的P.0525。

骨料：采用汉台区的天然砂，表观密度：pa=26.38kg/m³，细度模数2.76，各指标均符合Ⅱ区中砂要求；碎石采用南郑县大龙石料厂的碎石，5-10mm和10-20mm掺配所得级配良好的5-20mm碎石，表观密度pa=2812kg/m³，针片状含量2.6%，压碎值16.8%（注：试验方法采用《公路工程集料试验规程》（JTGE42-2005）。

减水剂：山西佳维建材有限公司生产的JW-608型聚羧酸高性能减水剂，固含量20%，减水率27.5%，并经试验其与水泥适应性良好，分散性好，塌落度损失小，泌水小，具有高耐久性并一定程度上补偿收缩的性能。

粉煤灰：勉县鼎益源建材实业有限公司生产的F类I级粉煤灰，细度4.2%，烧失量1.5%，需水量比82.4%。

膨胀剂：山西佳维建材有限公司生产的水化产物为硫铝酸钙一氧化钙类的EAACⅡ型膨胀剂，其性能稳定，限制膨胀率水中7d为0.027%。

水：汉中褒河镇麻坪寺村饮用水。

3.3C50自密实补偿收缩混凝土基准配合比确定

（1）自密实混凝土配制强度（f_cup）应按照现行行业标准《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）的规定进行计算：f_cup=f_cuk+1645δ

式中：f_cuk-混凝土的强度设计等级值（MPa）；δ-混凝土强度标准差（MPa）；设计强度为C50，故取为6.0MPa

所以可得J_cup为59.9MPa。

（2）骨料质量的计算：

①每方混凝土中粗骨料的体积（Vg）可按表取0.35m³。

②依据骨料表观密度与所占体积乘积得出每方混凝土中的粗骨料和细骨料的质量。

（3）水胶比（m_w/m_b）的确定：

式中：m_b-每方混凝土中胶材的质量（kg）；n_w-每方混凝土中水的质量（kg）；f_ce-水泥的28d实测抗压强度^w（MPa）；γ-胶凝系数；β-质量分数（%）；

按照工程使用的原材料性能和耐久性要求及以往经验，确定本次C50自密实补偿收缩混凝土的水胶比为0.32。

（4）每方胶材的质量依据浆体体积、胶材表观密度、水胶比等计算确定：

（5）依据水胶比及各胶材比例确定每方混凝土中用水量及粉煤灰、膨胀剂用量，并依据掺量确定外加剂用量：

代入参数到相关公式，综上计算所得，初步基准配合比每方（kg/m³）用量为水泥：粉煤灰：膨胀剂：砂：碎石：水：减水剂=404：74：53：720：984：169：6.372。

经试拌，该拌合物稍有粘稠，略显得粗骨料较少，且测得混凝土容重为2395kg/m³。因工程钢管混凝土的灌注方式是有压力的顶升压注，再根据一般C50混凝土配合比要求并结合以往配制钢管拱桥用自密实补偿收缩混凝土的经验，容重宜取2450kg/m³，故在控制水的用量、砂率、水胶比不变的条件下，微调胶材、砂、碎石用量，可得C50自密实补偿收缩混凝土基准配合比每方（kg/m³）用量为水泥：粉煤灰：膨胀剂：砂：碎石：水：减水剂=400：75：53：736：1017：169：6336。

4.对C50自密实补偿收缩混凝土配合比设计的优化

4.1粉煤灰掺量对C50自密实补偿收缩混凝土性能的影响

保证单方混凝土中胶材用量不变时，调整粉煤灰掺量，不同取代量来研究胶材的组成对该混凝土性能的影响规律，具体配合比、工作性能、体积稳定性分别见混凝土配合比汇总表2、工作性能汇总表3、体积稳定性汇总表4中的编号1#、2#、3#所示。

4.2水胶比对C50自密实补偿收缩混凝土性能的影响

保证单方混凝土中用水量不变时，在2#配比基础上增减0.02调整水胶比，研究水胶比对该混凝土性能的影响规律，具体配合比、工作性能、体积稳定性分别见见混凝土配合比汇总表2、工作性能汇总表3、体积稳定胜汇总表4中的编号4#、5#所示。

4.3膨胀剂种类及掺量对C50自密实补偿收缩混凝土.胜能的影响

保证胶材、水胶比、砂率不变时，研究膨胀剂类型及掺量对该混凝土性能的影响规律，具体配合比、工作性能、体积稳定性分别见混凝土配合比汇总表2、工作性能汇总表3、体积稳定性汇总表4中的编号6#、7#、8#所示。

2.所用膨胀剂均为同一厂家生产的。

对上述配合比进行试拌，工作性能指标进行检测，汇总结果如表3所示：

对混凝土的力学性能及体积稳定性的测定，汇总结果如表4所示：

对粉煤灰掺量对强度影响，以龄期为横坐标，强度值为纵坐标进行绘图如图1所示：

综合表3、4及图1分析得到：粉煤灰掺量14%的1#配比中混凝土的工作性能、强度、含气量及膨胀率均满足设计要求，但1#配合比中混凝土3d抗压强度低于40MPa，按照GB50923-2013《钢管混凝土拱桥技术规范》规定“同一拱肋中下一条钢管的管内混凝土浇注应在前一条钢管的管内混凝土强度达到设计强度的80%后进行”，因此，1#配比影响施工进度；粉煤灰掺量8%的2#配比3d强度达到设计的886%，28d强度达到试配强度的106.5%，混凝土工作性能、力学性能和体积稳定性能均满足设计要求；粉煤灰掺量5%的3#配比混凝土的力学性能、工作性能及膨胀性能虽满足设计要求，但混凝土粘度大，坍落度损失大，不利于夏季施工，同时导致成本增加，也难以发挥粉煤灰的“滚珠效应”。因此，C50自密实补偿收缩钢管混凝土宜选用2#配合比的粉煤灰掺量适宜。

对水胶比对强度影响，以龄期为横坐标，强度值为纵坐标进行绘图如图2所示：

综合表3、4及图2中所示，随着水胶比增加，混凝土的坍落度、坍落扩展度增加，间隙通过性提高，抗离析性能降低，其中4#配合比混凝土的力学性能和膨胀性能虽能满足设计要求，但其工作性能较差，坍落度损失较大，影响钢管混凝土的頂升泵送施工；5#配合比塌落度较大，故而混凝土抗离析能力降低，合气量较大，顶升泵送灌注施工时易在拱顶处的混凝土与钢管壁之间形成气膜，易导致拱顶处混凝土与钢管壁脱空，且28d抗压强度不能够满足试配要求。因此，宜选用2#配合比的水胶比0.32。

综合表3、4中所示，同等掺量的2#和6#配合比，6#掺加EAACI型膨胀剂的混凝土在钢管密闭环境下膨胀率较低，不能满足钢管密闭环境下56d自由膨胀率（2.0-6.0）x10^-4设计要求，而2#采用EAACⅡ型膨胀剂时，钢管密闭环境下56d自由膨胀率达3.8×10^-4，且56d趋于稳定，满足设计要求。因此，选择EAACⅡ型膨胀剂。7#配合比掺量8%，混凝土的膨胀率较小，不能满足设计要求；而8#配合比掺量12%，坍落度和扩展度损失增大，不利于夏季施工，且混凝土的3d抗压强度略有降低，因此，C50自密实补偿收缩钢管混凝土宜选用EAACⅡ型膨胀剂，且掺量为10%，对混凝土能起到补偿收缩的作用。

对2#配比混凝土凝结时间的测定初凝时间17.2h，终凝19.0h，符合设计要求。

5.C50自密实补偿收缩混凝土配合比试验结果

通过上述配合比优化设计，确定该钢管拱桥内灌注C50自密实补偿收缩混凝土配合比见下表所示：

6结语

我国幅员辽阔，各地材料性能有所不同，C50自密实补偿收缩混凝土属于高性能混凝土，对原材料要求又高，为确保配合比的适应性能，有必要在按规范进行设计提出基准配合比后，以实际为出发点，密切结合当地原材料进行多种试验的对比，通过试验的手段，得到可靠的数据，继而整理、汇总、分析并进行对配合比进行各种优化，确保其以优良的品质服务于工程的生产。