配制高性能鋼管微膨脹混凝土應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題

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最近幾年，我國(guó)在鋼管拱橋應(yīng)用技術(shù)方面發(fā)展很快，在許多大跨度的橋梁設(shè)計(jì)中都采用鋼管拱橋施工技術(shù)。該橋型是目前國(guó)內(nèi)風(fēng)行的一種新型結(jié)構(gòu)，其橋梁結(jié)構(gòu)形態(tài)優(yōu)美，工藝復(fù)雜，跨度大，既省材料又省時(shí)間，且在施工期間不影響下部正常的通行，發(fā)展前景十分廣闊。該橋梁在設(shè)計(jì)中為了充分發(fā)揮鋼管套箍作用，內(nèi)灌注高性能微膨脹混凝土，以提高鋼管的承載能力，提高構(gòu)件的穩(wěn)定性。在鋼管中灌注的一般是C40～C50的高性能微膨脹混凝土。該混凝土施工要求早期強(qiáng)度高，高流態(tài)，緩凝，自密實(shí)及可泵性非常好，最為關(guān)鍵性問(wèn)題是，該鋼管混凝土為微應(yīng)力混凝土。因三向應(yīng)力混凝土的主要特性是強(qiáng)度高，變形性好，在外荷載作用下，由于鋼管約束其內(nèi)部核心混凝土的橫向變形，使在三向應(yīng)力作用下的核心混凝土的強(qiáng)度比普通澆注的混凝土提高了2～3倍。普通混凝土受壓的壓縮應(yīng)變≥0.002時(shí)，出現(xiàn)縱向裂縫而破壞。三向應(yīng)力作用下的混凝土可看作彈塑性材料，當(dāng)壓縮應(yīng)變達(dá)0.002時(shí)，不但仍有承載能力，而且表面不發(fā)生裂縫，它是一種很好的抗震材料。所以設(shè)置微應(yīng)力，可提高構(gòu)件的承載力及改變普通灌注法造成混凝土和鋼管間有間隙的現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)中確定微膨脹率和如何設(shè)計(jì)該種配合比是關(guān)鍵因素。鋼管內(nèi)部混凝土質(zhì)量對(duì)工程結(jié)構(gòu)安全影響很大，稍有不慎，就會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量事故，造成泵送困難，內(nèi)有空氣，不飽滿，混凝土和鋼管間有收縮空隙及承重能力下降等現(xiàn)象。作者成功地主持了本單位兩座鋼管拱橋鋼管微膨脹高性能混凝土的設(shè)計(jì)工作，根據(jù)已成功的經(jīng)驗(yàn)對(duì)配制過(guò)程中需注意的事項(xiàng)進(jìn)行分析說(shuō)明。

    1、材料
    1.1　水　泥     水泥是混凝土中的膠凝材料，可為混凝土提供活性?；炷林械乃嘤昧窟^(guò)多會(huì)產(chǎn)生不良后果：如水化熱過(guò)大，混凝土收縮過(guò)大產(chǎn)生裂縫及空隙。因此，設(shè)計(jì)高性能微膨脹混凝土的水泥用量不宜過(guò)大，選擇水泥時(shí)應(yīng)選擇525R早強(qiáng)型水泥為主體。該種混凝土在施工時(shí)，一般都要求高早強(qiáng)、緩凝及摻加外加劑、外摻料。所以，設(shè)計(jì)中對(duì)水泥的品種、細(xì)度、化學(xué)組成含量以及礦物組成，都有比較高的要求。水泥礦物組成中C₃A和C₃S對(duì)水化速度和強(qiáng)度發(fā)揮起決定作用。C₃S與水反應(yīng)快，凝結(jié)硬化也快，早、后期強(qiáng)度都高。因此，控制C₃S在40％～50％為宜；C₂S與水反應(yīng)慢，硬化也慢，早強(qiáng)低，但后期強(qiáng)度高，產(chǎn)生水化熱低，C₂S和C₃S占水泥成分的70％～74％；C₃A與水反非?？欤療嵋哺?，但強(qiáng)度不高，所控制C₃A在5%～9％；當(dāng)減水劑加到水泥—水系統(tǒng)中，首先被吸附C₃A，C₃A含量高，吸附的就多，使C₃S和C₂S吸附的就少。因此，C₃A含量高的，減水效果就差。而水泥中堿含量過(guò)高，使水泥凝結(jié)時(shí)間縮短，早強(qiáng)及流動(dòng)性降低。水泥細(xì)度大，有利于減水劑增強(qiáng)效果。所以配制高性能微膨脹混凝土選擇水泥時(shí)，應(yīng)全面考慮，稍有不慎，會(huì)造成性能降低，膨脹值過(guò)大或過(guò)小，造成混凝土收縮，鋼管內(nèi)不飽滿。
    1.2　細(xì)骨料     配制高性能微膨脹混凝土要求使用干凈的河砂。使用時(shí)，必須考慮到砂中的云母含量、硫化物含量、含泥量和壓碎指標(biāo)值，該四種指標(biāo)對(duì)混凝土強(qiáng)度和對(duì)鋼筋的腐蝕性影響都非常大。因而，對(duì)該種河砂專門供應(yīng)。對(duì)砂進(jìn)行上述三種指標(biāo)值的測(cè)定，嚴(yán)格按高標(biāo)準(zhǔn)控制砂中云母含量、硫化物含量、含泥量及壓碎指標(biāo)值，并且，此種混凝土對(duì)細(xì)度模數(shù)也有較高要求，細(xì)度模數(shù)選用2.6～3.1的中砂為宜。不宜選用砂巖類山砂、機(jī)制砂、海砂，此類砂對(duì)膨脹混凝土的膨脹率影響非常大。
    1.3　粗骨料     骨料的品質(zhì)對(duì)高性能微膨脹混凝土有很大的影響，主要體現(xiàn)在骨料—砂漿界面粘結(jié)強(qiáng)度、骨料彈性模量和骨料的強(qiáng)度。在考慮該種混凝土的可泵性的同時(shí)，要考慮混凝土的早強(qiáng)性和后期強(qiáng)度。卵石混凝土的可泵性很好，但混凝土中砂漿和卵石的界面粘結(jié)力較差，強(qiáng)度較低，造成水泥用量過(guò)高。碎石混凝土的可泵性較差，但早期和后期強(qiáng)度較高。有的碎石采用含硅質(zhì)的巖石，在此類巖石中由于SiO₂對(duì)混凝土影響很大，所在設(shè)計(jì)中全面考慮影 響因素，一般不用此類碎石。為提高混凝土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(dú)作粗骨料。使用碎石需經(jīng)過(guò)二次破碎，使碎石基本無(wú)棱角，并減少針片狀顆粒的含量。碎石和卵石的粒徑都控制在小于30mm。粗骨料中的含泥量以及本身的強(qiáng)度和骨料的彈性模量，在配制時(shí)，需引起重視。
    1.4　摻合料     在我國(guó)高性能混凝土使用粉煤灰已相當(dāng)普遍。該材料來(lái)源廣泛，價(jià)格便宜，可減少環(huán)境污染，是值得推廣的外摻料。粉煤灰主要的四種化學(xué)成分，摻入混凝土內(nèi)在水泥水化過(guò)程中，能與分解出來(lái)的Ca(OH)₂起化學(xué)反應(yīng)，生成具有膠凝性的水化產(chǎn)物。這些水化產(chǎn)物，能在空氣中硬化，逐漸具有水硬性，所以也稱“二次水化反應(yīng)”。該新生凝膠封住了毛細(xì)管路，增強(qiáng)了混凝土的密實(shí)性。因此，粉煤灰能取代部份水泥，從而節(jié)約水泥，降低水化熱，使混凝土升溫降低15%～35%。二次水化反應(yīng)主要取決于粉煤灰中的硅酸鹽和鋁硅酸鹽微細(xì)顆粒的含量，同時(shí)也取決于粉煤灰的細(xì)度。細(xì)度越大，水化觸及面越大，二次水化反應(yīng)越充分，且“二次反應(yīng)”產(chǎn)生的凝膠封堵了毛細(xì)管路，增強(qiáng)了密實(shí)性，提高了混凝土的耐久性。這種“二次水化反應(yīng)”只有Ⅰ級(jí)粉煤灰和磨細(xì)粉煤灰可以徹底完成。所以摻加Ⅰ級(jí)或磨細(xì)粉煤灰是很有必要的。     但使用粉煤灰時(shí)，還應(yīng)嚴(yán)格控制SO₃的含量。因硫酸鹽與硅酸鹽發(fā)生反應(yīng)后，生成鈣礬石。如SO₃含量過(guò)大，生成的鈣礬石過(guò)多，則會(huì)引起混凝土的體積的不穩(wěn)定性，降低混凝土耐久性。這種現(xiàn)象在學(xué)術(shù)上稱為“水泥桿菌”。所以，配制高性能微膨脹混凝土?xí)r，粉煤灰中SO₃含量應(yīng)控制在0.5%～1.5%左右。并且在配制高等級(jí)高性能的微膨脹混凝土?xí)r，摻用粉煤灰，它可以起到減少水泥用量的作用，也可以起到增加混凝土的和易性、可泵性、提高混凝土的強(qiáng)度的作用，并可降低混凝土中的水化熱，提高新拌及硬化混凝土性能。配制C50及以上的高性能微膨脹混凝土必須摻用外摻料，并應(yīng)摻加Ⅰ級(jí)或磨細(xì)粉煤灰。如摻Ⅱ級(jí)及以下的粉煤灰，會(huì)造成強(qiáng)度降低，混凝土干縮增大。粉煤灰的技術(shù)指標(biāo)，應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的規(guī)定。
    1.5　外加劑     高效減水劑能使水泥起到分散作用，以改善混凝土的和易性并相對(duì)地釋放出一部分水，在維持W/C不變時(shí)，可以減少立方用水量，減少由于多余的水分蒸發(fā)而留下的毛細(xì)孔體積，且孔徑變細(xì)，結(jié)構(gòu)致密，同時(shí)水化使生成物分布均勻，這對(duì)于減少混凝土的收縮，提高混凝土的密實(shí)性是很有好處的。W/C不變，立方水泥用量可以減少，從而對(duì)于減少水化熱、降低混凝土溫度也起到很好的效果。有的減水劑摻有緩凝成份，能抑制水泥初期水化作用，這就有可能使溫升速度緩慢，可改善混凝土的密實(shí)性、粘度等。所以，高效減水劑是配制高性能混凝土的主要成份。國(guó)內(nèi)這種減水劑主要是萘系高效減水劑及密胺樹脂類高效水劑。由于鋼管混凝土在整個(gè)灌注期間，混凝土是蠕動(dòng)性的，需一定的運(yùn)輸和泵送時(shí)間，且鋼管混凝土在灌注后無(wú)法排出氣泡及養(yǎng)護(hù)。所以對(duì)外加劑的選擇尤為重要，因外加劑摻在不同膨脹劑的混凝土中產(chǎn)生的效果不同，選擇外加劑一定要多次試驗(yàn)后方可使用。根據(jù)試驗(yàn)，緩凝型減水劑會(huì)降低混凝土膨脹率，所以，摻加緩凝型減水劑時(shí)應(yīng)多次試驗(yàn)，認(rèn)為混凝土膨脹率合適才可使用。配制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和緩凝劑搭配使用，且是非引氣型、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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土外加劑》規(guī)定。
    1.6　膨脹劑     混凝土中摻加膨脹劑，在水泥硬化過(guò)程中，形成大量的體積增大的結(jié)晶體—水化硫鋁酸鈣C₃A·3CaSO₄·32H₂O(又名鈣礬石)。它能產(chǎn)生一定的膨脹能，在有鋼管約束條件下，在結(jié)構(gòu)中建立0.2～0.3MPa預(yù)應(yīng)力，可抵消混凝土在硬化過(guò)程中產(chǎn)生的收縮應(yīng)力，從而能使混凝土中的孔隙減小，毛細(xì)孔徑減小，提高混凝土的密實(shí)性，混凝土的抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度也成倍地增長(zhǎng)，這時(shí)膨脹能轉(zhuǎn)變?yōu)樽詰?yīng)力，使混凝土處于受壓狀態(tài)，從而提高抗裂能力。所以微膨脹混凝土在有應(yīng)力情況下，自身的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值，其強(qiáng)度保證率大于97％。     選擇膨脹劑一定要多試驗(yàn)幾個(gè)品種，膨脹劑應(yīng)對(duì)混凝土后期強(qiáng)度及質(zhì)量無(wú)損害，與所用水泥適應(yīng)性好。在我國(guó)主要是使用U型膨脹劑、復(fù)合膨脹劑及明礬石膨脹劑。     2、設(shè)計(jì)高性能膨脹混凝土的幾個(gè)問(wèn)題
    2.1　試配強(qiáng)度     混凝土的施工配制強(qiáng)度應(yīng)高于設(shè)計(jì)要求的標(biāo)準(zhǔn)值，以滿足強(qiáng)度保證率的需要。標(biāo)準(zhǔn)差的確定，可按一般高性能混凝土的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行配制強(qiáng)度的計(jì)算，不需要計(jì)算后按高一級(jí)強(qiáng)度等級(jí)的強(qiáng)度值作為施工配制強(qiáng)度，主要一點(diǎn)在于進(jìn)行施工配合比的驗(yàn)證工作。該種微膨脹混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度一般為C40～C50，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn) 和高性能混凝土的設(shè)計(jì)原則，應(yīng)控制水灰比，把水灰比確定為定值。由于W/C對(duì)鋼管混凝土的膨脹系數(shù)影響很大，W/C小，膨脹時(shí)間延長(zhǎng)，不利于鋼管受力；W/C大，則膨脹發(fā)揮較早，強(qiáng)度下降，對(duì)提高結(jié)構(gòu)受力不利。所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中一定要根據(jù)多次試驗(yàn)，控制好W/C。然后，進(jìn)行各種材料用量的調(diào)整。
    2.2　砂率的確定     由于在高性能混凝土的設(shè)計(jì)中，砂率是根據(jù)測(cè)得砂、石混合最小空隙率(a＝(表觀密度-容重)/表觀密度)計(jì)算而來(lái)，該計(jì)算值為最佳砂率。在配制高等級(jí)高性能混凝土過(guò)程中尤其重要。但鋼管混凝土的灌注過(guò)程和一般高等級(jí)混凝土的灌注過(guò)程是不一樣的，該種混凝土是采用在鋼管中頂升灌注，在頂升的過(guò)程中，混凝土要有極好的和易性。粗骨料在頂升過(guò)程中不會(huì)由于自身的重力作用而下落，否則會(huì)造成頂升壓力過(guò)大而失敗。在設(shè)計(jì)混凝土配合比過(guò)程中混凝土中碎石應(yīng)稍微呈懸浮狀態(tài)，不能下沉。所以該種混凝土的砂率可提高一些。由于提高了砂率，會(huì)造成混凝土的水泥用量比原來(lái)要大些，膨脹率會(huì)小些。但只要能保證灌注的鋼管混凝土后期為無(wú)應(yīng)力或微應(yīng)力即可。     我們所進(jìn)行的兩種配合比的設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果見表1～表3。 　　表1 水灰比
W/C 水泥
kg 水
kg 河砂
kg 卵石
kg 砂率
% 坍落度
cm 膨脹劑
kg ZMA-P減水劑
(水泥用量的) FDN-440緩凝減水劑
(水泥用量的) 0.44 386 170 671 1247 35 20 42.9 15‰ 3‰ 0.44 386 170 767 1151 40 21 42.9 15‰ 3‰ 　　表2 3d強(qiáng)度(MPa) 7d強(qiáng)度(MPa) 28d強(qiáng)度(MPa) 36.1 40.3 49.9 30.4 36.2 46.9 　　表3 養(yǎng)護(hù)方法 限制膨脹率(×10^-4) 3d 7d 14d 21d 28d 60d 空氣中養(yǎng)護(hù)   9.82 10.36 9.76 9.43 9.38   8.13 8.87 7.96 7.03 5.12 水中養(yǎng)護(hù) 18.33 23.21 12.64       15.72 19.83 9.96       　　材料：江油水泥廠產(chǎn)普通硅酸鹽水泥525R 　　綿遠(yuǎn)河河砂　Mk=2.9　p=2.73kg/m³ 　　綿遠(yuǎn)河卵石　Dmax=30mm　p=2.68kg/m³ 　　U型膨脹劑 　　ZMA-P高效減水劑　FDN-440緩凝減水劑       以上說(shuō)明增大砂率會(huì)造成強(qiáng)度下降，膨脹值降低。但Sp為40%的混凝土和易性比Sp為35%的混凝土要好，且混凝土中碎石為懸浮狀。
    2.3　凝結(jié)時(shí)間的確定     由于鋼管混凝土一般都采用頂升灌注法，在頂升的過(guò)程中，不允許混凝土初凝，所以在設(shè)計(jì)中就應(yīng)考慮摻加高效減水劑或緩凝劑，以延緩混凝土的凝結(jié)時(shí)間。但摻加緩凝劑會(huì)減少混凝土的膨脹率，這樣就產(chǎn)生了相互矛盾。為解決此問(wèn)題，在膨脹值不符合設(shè)計(jì)要求的情況下，可摻加礬土水泥或石膏，或在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，在什么膨脹條件下，可保證鋼管混凝土的飽和度，也可在允許的范圍內(nèi)，增大高效減水劑的摻量，使緩凝延長(zhǎng)。但摻用范圍應(yīng)嚴(yán)格控制試驗(yàn)，摻量過(guò)大，會(huì)引起泌水及和易性降低。這樣幾個(gè)方面同時(shí)進(jìn)行多次試驗(yàn)，就可解決緩凝條件下，混凝土的膨脹率問(wèn)題。
    2.4　膨脹劑摻量     對(duì)膨脹混凝土來(lái)說(shuō)，膨脹劑的摻量，直接關(guān)系到混凝土膨脹率的問(wèn)題。以下是我部進(jìn)行的試驗(yàn)研究(表4、表5)。 　　表4 UEA摻量
(%) 水中養(yǎng)護(hù)膨脹率 空氣中養(yǎng)護(hù)膨脹率 3d 7d 10d 14d 7d 14d 21d 28d 60d 8 12.40 17.85 11.61 2.08 0.44 0.82 0.46 -0.58 -2.28 10 16.23 21.10 14.43 10.55 8.96 9.39 8.93 8.96 7.09 12 19.00 27.85 16.28 19.50 17.72 17.42 17.02 15.75 14.34 0 -0.19 -0.39 -0.70 -0.74 -0.95 -1.51 -1.84 -2.66 -3.03       可以得知，在保持坍落度、水灰比、減水劑摻量不變的情況下，隨著內(nèi)摻U型膨脹劑的增加，混凝土的限制膨脹率增加，混凝土強(qiáng)度下降，而坍落度損失增大，所以根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，選擇合適的膨脹劑摻量是極其重要的。 　　表5 砂率
(%) 試件抗壓強(qiáng)度(MPa) 坍落度
(cm) 坍落度損失(cm) 3d 7d 28d 30min 60min 42 34.5 42.1 53.9 19.2 2.0 3.0 42 33.2 40.6 49.8 20.0 2.5 3.7 42 32.3 39.1 47.5 20.7 3 5.5   30.8 37.4 44.1 21.0 5.0 103.0

    2.5　膨脹值的確定

    鋼管拱橋混凝土一般都是在限制條件下膨脹，膨脹值小，則鋼管中混凝土?xí)c鋼筋間產(chǎn)生空隙，造成鋼管與混凝土無(wú)法連成整體，受力降低；而膨脹過(guò)大，則在鋼管內(nèi)部形成很大的自應(yīng)力，就會(huì)破壞混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，鋼管本身一直在橫向自應(yīng)力的受力情況下，對(duì)本身結(jié)構(gòu)受力有很大影響。因此，膨脹混凝土應(yīng)有一個(gè)宜于控制的較大的膨脹值范圍。根據(jù)我們施工實(shí)踐認(rèn)為鋼管混凝土設(shè)計(jì)為無(wú)應(yīng)力或微應(yīng)力時(shí)，膨脹混凝土限制膨脹率28天控制在(2～6)×10^-4的膨脹值是合理的。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)超聲波檢測(cè)達(dá)到飽滿、密實(shí)、無(wú)空隙，經(jīng)測(cè)試其動(dòng)靜載試驗(yàn)都達(dá)到設(shè)計(jì)要求。所以根據(jù)成功的事例證明，控制無(wú)應(yīng)力或微應(yīng)力鋼管橋中膨脹混凝土的膨脹值時(shí)?？煽紤]較大范圍，這樣易于控制，不至于因膨脹值微小的變化，造成構(gòu)件結(jié)構(gòu)受力的破壞。     3、結(jié)束語(yǔ)     我國(guó)在鋼管拱橋施工方面有成功的例子，也有失敗的。我認(rèn)為失敗的原因主要是微膨脹混凝土的設(shè)計(jì)失敗造成的鋼管混凝土飽和度很差，引起結(jié)構(gòu)受力下降，當(dāng)然還有鋼管本身結(jié)構(gòu)缺陷造成的受力下降。設(shè)計(jì)工作是非常重要的環(huán)節(jié)，但也不可忽視施工方面的因素。由于膨脹混凝土的特殊性，在拌制混凝土的過(guò)程中，材料計(jì)量很小的誤差，就會(huì)造成混凝土強(qiáng)度波動(dòng)，及膨脹率增大或減小，引起結(jié)構(gòu)受力降低、及鋼管混凝土飽和度下降等破壞事故。因此，在施工前，優(yōu)化設(shè)計(jì)，嚴(yán)格施工控制，是鋼管微膨脹混凝土施工生產(chǎn)中必不可少的兩大重要環(huán)節(jié)。