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无收缩混凝土配合比设计及施工控制

RevisedbyHanlinon10January2021

无收缩混凝土配合比设计及施工控制

——武广客运专线东湖特大桥112m提篮拱桥

陈昌杰李波

[摘要]通过客运专线东湖特大桥112m提篮拱钢管混凝土的配合比设计及施工，阐述了无收缩混凝土的特点和施工过程的控制要点

[关键词]客运专线提篮拱钢管混凝土配合比设计无收缩混凝土控制要点

1工程概况

东湖特大桥位于武汉市洪山区森林公园内，主桥112m提篮拱梁全长116m，计算跨长112m，矢跨比为1:

5，拱肋平面内矢高22.4m，拱肋采用悬链线线型。

提篮拱桥系梁按整体箱形梁布置，采用单箱三室预应力混凝土箱形截面，桥面宽17.8m，梁高2.5m。

提篮拱桥钢管内采用C55无收缩混凝土填充，混凝土弹性模量Ec=3.60×104MPa。

2配合比设计

2.1前言

客运专线混凝土结构的使用年限为100年，混凝土配合比设计理念应以高性能混凝土的耐久性作为主要指标，重点是在原材料的选配上。

高性能混凝土是通过对原材料的优选和质量控制、配合比优化、生产过程的严格控制，使生产的混凝土拌合物具有良好的工作性，对于提篮拱钢管拱桥的混凝土而言，其自密实性有较高的要求；另外，还要求混凝土和钢管应具有良好的粘接，但还不能因为混凝土的膨胀而产生内应力，这就要求混凝土要具有合适的补偿收缩能力。

由于钢管混凝土拱桥的施工加载顺序决定了混凝土应具有较高的早期强度和刚度，以确保拱肋的线性符合设计要求，结合高性能混凝土的特点，把7～14天的抗压强度、弹性模量作为试配的前期考核依据。

2.2原材料的选择

2.2.1水泥

表1水泥性能指标

试验项目

标准规定值

试验结果

试验项目

标准规定值

试验结果

比表面积m2/kg

≥300

342

C3A含量%

≤8

7.76

SO3含量%

≤3.5

2.78

凝结时间

（min）

初凝

≥45

125

终凝

≤600

200

CL-含量%

≤0.06

0.02

抗压强度

（Mpa）

≥23.0

27.2

28d

≥52.5

59.1

总碱含量%

Na2O+0.658K2O

≤0.80

0.54

抗折强度

（Mpa）

≥4.0

6.4

28d

≥7.0

9.1

2.2.2砂

高性能混凝土要使用中粗砂，砂子以偏粗为好，另外，要严格控制砂中的细颗粒含量和有害物质含量，选用非碱活性骨料，试验选用湖北巴河河砂。

表2砂性能指标

试验项目

标准规定值

试验结果

试验项目

标准规定值

试验结果

坚固性%

≤8

3.46

轻物质含量%

≤0.5

0.30

硫酸盐及硫化物

含量%

≤0.5

0.24

云母含量%

≤0.5

0.23

CL-含量%

≤0.02

0.01

有机物含量

颜色应不深于标准色

比标准色浅

吸水率%

≤2

0.73

细度模数

2.8

含泥量%

≤2.0

0.6

泥块含量%

≤0.25

2.2.3碎石

粗骨料应选用球形粒形、吸水率低、空隙率小、级配合理、质地均匀坚固的洁净碎石，并严格控制针、片状含量、含泥量、泥块含量，选用非碱活性粗骨料。

试验选用湖北武穴郭冲石场5-20mm连续级配碎石，按二级掺配。

表3碎石性能指标

试验项目

标准规定值

试验结果

试验项目

标准规定值

试验结果

坚固性%

≤5

3.14

表观密度kg/m3

2710

SO3含量%

≤0.5

0.26

紧密密度kg/m3

1670

CL-含量%

≤0.02

0.046

紧密空隙率

≤40

吸水率%

≤2

0.2

针、片状含量%

≤5

3.5

含泥量%

≤0.5

0.2

压碎指标值%

≤10

7.1

泥块含量%

≤0.25

岩石抗压强度MPa

106

碱活性

试验采用岩相法，没有发现骨料含有碱活性的矿物存在

2..2.4粉煤灰

混凝土中加入粉煤灰，可改善混凝土的工作性能，降低干缩变形和水化热，减小水泥用量，提高混凝土的耐久性。

粉煤灰要选产量稳定、性能稳定的电收尘原状灰。

试验选用湖北科能环保有限公司生产的Ⅰ级原状粉煤灰。

表4粉煤灰性能指标

试验项目

标准规定值

试验结果

试验项目

标准规定值

试验结果

细度%

≤12

4.8

碱含量%

1.07

SO3含量%

≤3.0

0.87

游离CaO含量%

≤1.0

0.26

CL-含量%

≤0.02

0.01

CaO含量%

≤10

3.84

烧失量%

≤3.0

2.8

含水率%

≤1.0

0.30

需水量比%

≤100

28天抗压强度比%

≥70

2.2.5膨胀剂

膨胀剂应作为细掺料等量取代部分水泥，在高性能混凝土中掺入适量膨胀剂，可在约束条件下有膨胀而产生一定的自应力，以补偿水泥的干缩和由于低水胶比造成的“自生收缩”，并在限制条件下增长强度。

试验选用江苏博特新材料有限公司生产的JM-ⅢC低碱型混凝土膨胀剂。

表5膨胀剂性能指标

试验项目

标准

规定值

试验

结果

试验项目

标准

规定值

试验

结果

细度

≤12

6.7

MgO含量%

≤5.0

2.4

SO3含量%

≤3.5

2.78

凝结时间

（min）

初凝

≥45

140

终凝

≤600

216

CL-含量%

≤0.05

0.05

抗压强度

（Mpa）

≥20

31.3

28d

≥40

44.6

总碱含量%

Na2O+0.658K2O

≤0.75

0.67

抗折强度

（Mpa）

≥3.5

6.2

28d

≥5.5

8.7

限制膨胀率

（水中）

≥0.025

0.030

空气中

21d

≥-0.020

-0.010

28d

≤0.10

0.07

2.2.6外加剂

外加剂应选用与水泥相容性好,减水率高、高增强、低收缩，坍落度损失小，适量引气，能提高混凝土的自密性，能明显改善或提高混凝土耐久性并且性能稳定的产品。

试验选用江苏博特新材料有限公司生产的JM-PCA缓凝高效减水剂。

表6外加剂性能指标

试验项目

标准规定值

试验

结果

试验项目

标准规定值

试验结果

减水率

≥20

25.7

含气量%

≥3.0

3.2

Na2SO4含量%

≤10

0.73

坍落度保留值（mm）

30min

≥180

185

60min

≥150

165

CL-含量%

≤0.20

0.02

抗压强度比%

≥130

142

≥125

155

总碱含量%

Na2O+0.658K2O

≤10

1.64

28d

≥120

133

对钢筋锈蚀

应说明对钢筋无锈蚀

无锈蚀

相对耐久性指标%

（200次）

≥80

PCA缓凝高效减水剂的相容性试验结果

JM-PCA掺量%

水泥净浆流动度/mm

初始

静置30min

30min流动度损失

静置60min

60min流动度损失

0.7

260

253

243

0.8

269

264

256

0.9

288

283

279

1.0

304

305

-1

298

1.1

306

298

287

1.2

305

288

280

由表7试验结果可知,该减水剂与水泥相容性良好,掺量在1.0%以上时水泥净浆的流动性能已趋于稳定,掺量1.0%时流动度损失最小,为最佳掺量。

2.2.6水

试验采用饮用水。

2.3配合比优化

2.3.1

混凝土的拌合物性能按《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T50080-2002）进行，混凝土的力学性能按《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）进行，混凝土耐久性按《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》铁建设[2005]160号进行。

其力学性能和耐久性试验均采用标准试件。

混凝土试拌所用原材料在使用前24h放入成型室内，室内温度控制在（20±2）℃,相对湿度控制在70%-90%。

考虑混凝土施工是采取泵送顶升工艺，拌合物坍落度设计为180～220mm，混凝土的配制强度为64.9MPa。

2.3.2

配合比试配采用L9（34）正交试验进行，即三水平四因素正交试验，选定水胶比W/C（A），砂率Sp（B），粉煤灰掺量（C），膨胀剂掺量（D）作为四个考察因素，每因素取3个试验水平。

表8试验按三水平因素正交试验安排

试验

组号

水胶

比

W/C

砂率

粉煤

灰

膨

胀

剂

水

泥

砂

碎

石

粉煤灰

膨胀剂

水

外

加

剂

0.28

413

659

1075

150

5.36

0.28

375

690

1035

107

150

5.36

0.28

338

721

995

134

150

5.36

0.30

340

668

1090

100

150

5.00

0.30

335

700

1051

125

150

5.00

0.30

375

741

1023

150

5.00

0.32

305

677

1105

117

150

4.69

0.32

343

718

1076

150

4.69

0.32

337

750

1035

150

4.69

表9新拌混凝土拌合物作性能测试结果

试验

组号

密度

Kg/m3

含气

量%

坍落度mm

初凝

终凝

初

始

30min

60min

90min

120min

2h损失

min

2420

3.4

200

195

185

180

11：

14：

2415

3.3

210

205

195

190

180

10：

13：

2405

3.1

220

210

200

195

180

11：

14：

2410

3.5

210

200

195

185

170

10：

13：

2403

3.4

215

210

205

200

195

11：

14：

2417

3.4

200

195

185

175

170

10：

13：

2406

3.3

205

195

185

180

170

10：

14：

2412

3.2

210

200

190

180

165

11：

14：

2408

3.3

210

205

200

190

185

11：

14：

试验条件：

温度（20±2）℃,湿度＞90%。

从表9可以看出，新拌混凝土拌合物的坍落度损失与膨胀剂的掺量有关系，掺量越大，坍落度损失越大。

而混凝土的凝结时间受粉煤灰、膨胀剂的掺量的影响不大，都能满足施工的要求。

表10正交试验混凝土的学性能和耐久性指标

试验

组号

抗压强度MPa

弹性模量（×104MPa）

电通量/C

14d

28d

56d

14d

28d

56d

45.4

53.1

57.6

62.0

68.4

3.34

3.58

3.82

4.27

1861

517

42.1

50.4

55.8

60.9

65.6

3.31

3.46

3.74

4.17

1639

482

41.8

48.6

53.1

57.7

62.3

3.27

3.32

3.70

4.15

1982

413

40.7

47.7

52.9

59.2

63.1

3.51

3.69

3.91

4.35

1569

424

43.1

50.8

56.3

60.4

65.7

3.50

3.70

3.94

4.42

2059

396

41.5

49.2

53.3

58.8

64.6

3.42

3.54

3.82

4.36

1638

420

40.4

46.8

49.7

52.2

59.8

3.28

3.35

3.68

4.16

2130

393

38.9

43.4

47.1

50.9

56.4

3.11

3.24

3.51

4.11

1494

467

39.3

44.1

48.8

52.3

58.1

3.24

3.33

3.59

4.13

1672

440

2.3.3试验结果分析

水胶比是影响高性能混凝土抗压强度的主要因素。

高性能混凝土的弹性模量与胶凝材料用量、粗骨料用量有一定关系，影响因素大的是粗骨料的用量。

在相同水胶比条件下，粗骨料用量大，弹性模量相对较高；在强度相差不大条件下，胶凝材料用量大，弹性模量稍低。

粉煤灰的掺量对混凝土前期强度影响较小，对后期强度影响较为明显，这是因为优质粉煤灰后期与水泥水化反应析出的Ca（OH）2缓慢发生火山灰反应，利于后期强度的增加。

高性能混凝土耐久性指标——电通量主要受粉煤灰的掺量影响较大，早龄期粉煤灰仅起填充作用，从而导致混凝土内部结构不够致密，有大量的微孔和裂隙存在，电通量值偏大；在后期，由于粉煤灰的火山灰效应和微集料效应，降低了混凝土的内部空隙率，改善了混凝土的孔结构，提高了混凝土强度和密实性，使得电通量值很小，大大提高了耐久性能。

通过对强度和弹性模量采用正交分析是A0.28B38C15和A0.30B38C15均能满足设计要求，但从试验效果、经济效益以及对胶凝材料总用量来考虑，选取A0.30B38C15是最好的组合：

即W/C=0.30,砂率Sp=38%,粉煤灰掺量15%。

改变膨胀剂掺量（8%、10%、12%）进行试验。

表11改变膨剂掺量试验结果

序号

水泥

砂

碎石

粉煤灰

膨胀剂

水

外加剂

坍落度mm

抗压强度MPa

28d

56d

385

660

1077

150

5.00

210

51.8

60.1

65.9

375

660

1077

150

5.00

215

49.7

58.2

63.1

365

660

1077

150

5.00

210

47.5

55.4

61.3

表12自由膨率试验结果

序

号

坍落度

初凝

min

自由膨胀率（×10-4）

水中养护

空气中养护

210

11:

1.46

2.04

2.45

2.48

2.50

2.07

1.98

2.12

2.34

2.20

1.40

215

10:

1.73

2.26

2.89

3.08

2.92

2.48

2.06

2.20

2.39

2.30

1.54

210

11:

2.12

2.73

3.20

3.52

3.34

2.76

2.09

2.28

2.43

2.56

1.68

从表11、12可知，随膨胀剂掺量增加，膨胀率增加，而强度有所降低。

膨胀大部分发生在14d以前，以后只有微小的膨胀，28天趋于稳定。

水中养护膨胀较空气中养护的大。

终上试配可以得出，东湖特大桥提篮拱C55无收缩混凝土采用了序号1的配合比，即：

水泥:

砂:

碎石:

粉煤灰:

膨胀剂:

水:

外加剂=385:

660:

1077:

75:

40:

150:

5.00

每m3混凝土氯离子含量为：

0.228kg/m3（＜500×0.06%=0.30kg/m3）;总碱含量为：

2.565kg/m3（＜3kg/m3）均符合高性能混凝土要求。

3混凝土施工控制

原材料准备：

各种原材料要准备充分。

东湖特大桥提篮拱C55无收缩混凝土设计方量是606m3,实际准备按620m3准备原材料。

原材料经试验检测，质量情况都在配合比设计要求的可控制范围以内。

拌合采用2台HZS120L搅拌机，混凝土生产量80m3/h,拌合站各种衡器都已检定合格，每次使用前进行零点校核，并进行首盘复核，控制每盘称量偏差。

混凝土拌制前，对砂、碎石、粉煤灰含水量测试，并据测试结果出具施工配合比。

拌合的投料顺序为：

砂+碎石+水泥+掺合料搅拌30s，加水，再加外加剂搅拌120s，卸料。

检查试拌混凝土：

工作性能良好，坍落度测试210mm,含气量3.3%。

考虑混凝土的运输时间在10-20分钟内，外界温度19-23℃，湿度大于70%，这与设计试配配合比的环境条件基本一致，因此到达现场的坍落度能满足施工的要求。

在混凝土的拌制及浇注过程中，在拌合站和施工现场分别安排2名试验员，对每车混凝土的坍落度进行测试监控，混凝土的泵送垂直高度40米，泵送坍落度控制在180～200mm，因此在拌合站控制坍落度在200～220mm，现场泵送≥180mm。

对于测试不能满足要求的（拌合站≤190mm或≥220mm;施工现场≤180mm），不能用于泵送顶升，应废弃。

混凝土泵送顶升采用4台三一HBT60C砼输送泵，从4个拱脚同时泵送，由于运距较近（2.5km），每台输送泵由3台7m3的输送罐车供料，保证4个部位同时泵料，拱内砼上升速度保持一致，防止钢管拱受力不均。

混凝土的泵送顺序是先下管，再上管，最后是腹板。

混凝土抗压试件留置了60组，弹性模量试件留置了12组，膨胀率试件留置了6组，都分别留了标养与同条件试件。

根据施工要求，测试了标养7天抗压强度为51.5MPa、同养7天为50.4MPa，同条件养护10天抗压强度为52.6MPa、弹性模量为3.97×104MPa，达到了设计要求的90%以上强度可以张拉的条件。

经试验测试标养28天强度为59.8MPa，同条件养护28天强度为57.4MPa均达到了设计强度。

28天标养膨胀率为2.41%，空气中养护膨胀率为2.02%，并且都趋于稳定。

4试验体会

水胶比、粉煤灰和膨胀剂掺量是钢管混凝土的关键和重要因素，在采用低水胶比，满足无收缩条件下，应加大粉煤灰的掺量，从而降低水泥用量，提高混凝土的耐久性指标。

客运专线钢管混凝土作为高性能混凝土，其发展、应用前景很好，要严格控制原材料质量，抓好施工过程控制，保证施工产品使用年限达到100年以上。

参考文献:

[1]《钢管混凝土拱桥》（第二版）.陈宝春.人民交通出版社

[2]《大型钢管混凝土拱桥泵送混凝土配合比设计》.王远锋.陈来发.水利水电快报（2002）

[3]《高性能混凝土》吴中伟.廉惠珍.中国铁道出版社.

作者简介：

陈昌杰（1970—），男，工程师，1995年毕业于西南交通大学

作者简介：

李波（1974—），男，工程师，1998年毕业于西南交通大学

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