C50钢管混凝土配合比设计与性能试验研究报告.docx

C50钢管混凝土配合比设计与性能试验研究报告.docx

《C50钢管混凝土配合比设计与性能试验研究报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《C50钢管混凝土配合比设计与性能试验研究报告.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

C50钢管混凝土配合比设计与性能试验研究报告

山西阳翼高速北深沟大桥

高性能微膨胀钢管混凝土配合比设计与性能试验

研究报告

武汉理工大学

武汉工大交通工程有限责任公司

中铁大桥局股份有限公司阳翼高速公路L12A合同段项目部

二○○九年八月

目录

1工程概况1

2C50微膨胀高性能混凝土配合比设计1

2.1水泥用量2

2.2用水量及水灰比2

2.3矿物掺合料用量2

2.4砂率2

2.5高效减水剂3

2.6膨胀剂3

3微膨胀缓凝混凝土设计方案3

3.1试验原材料3

3.1.1水泥3

3.1.2矿渣粉4

3.1.3碎石4

3.1.4细集料4

3.1.5高效减水剂4

3.1.6膨胀剂4

3.1.7拌合水5

3.2试验方法5

4试验配比与结果7

4.1混凝土试验配比7

4.2混凝土工作性能试验结果7

4.3混凝土强度试验结果8

4.4混凝土限制膨胀率试验结果9

4.5混凝土自生体积变形试验结果10

5主要研究结论11

1工程概况

阳翼高速公路是山西省高速公路网规划"人字骨架，两纵十一横十一环"最南一横的重要组成部分，是"十一五"期间全省的重点工程，也是晋城市"大十字"高速公路主骨架未建成的最后一部分。

阳翼高速公路东起晋阳高速公路北音立交桥，途经阳城、沁水两县，终点为沁水、翼城交界处的云台山隧道，全长64.8公里，设计标准为山岭重丘双向四车道，概算投资41.66亿元，建设工期三年，计划2010年11月竣工通车。

阳翼高速公路沿线山大沟深，地形险峻，地质条件复杂，施工条件恶劣，全线共设计大中型桥梁32座，隧道13座，互通立交5处，总投资额在晋城市高速公路建设历史上遥遥领先。

建成后将使晋侯高速公路全线贯通，结束沁水县没有高速公路的历史，使晋城市西出口畅通无阻，是该市连接晋南、陕西的交通大动脉。

位于沁水县城东南约3.5公里处的北深沟特大桥是全线控制性工程，桥长683米，主桥为260米，是中承式钢管混凝土拱桥，为山西省高等级公路建设史上首次采用，也是华北地区跨度最大的钢管拱桥。

本工程主拱采用C50缓凝型微膨胀钢管混凝土，混凝土单次灌注量较大，单次连续施工时间长，对混凝土工作性能要求较高。

设计目标坍落度200mm以上，3h后坍落度仍保持180mm以上，不离析、不泌水，粘聚性能好，确保施工的连续进行和混凝土质量。

2C50微膨胀高性能混凝土配合比设计

钢管混凝土拱桥的设计充分发挥了钢管对核心混凝土的套箍作用，提高了钢管的承载能力和构件的稳定性。

为了保证钢管和混凝土的协同工作，钢管中灌注的高性能混凝土通常要求具有体积微膨胀的特性。

同时，为了保证结构施工阶段的安全性和施工进度，对混凝土多提出了一定的早强要求。

并且，本工程钢管混凝土采用顶升法施工，对混凝土的流动、密实能力和凝结时间提出了较高的要求。

配制满足本工程结构要求混凝土的关键是混凝土的强度和膨胀能力。

其中，钢管混凝土事实上为微应力混凝土。

三向应力混凝土的主要特性是强度高，变形性好.在外荷载作用下，由于钢管约束其内部核心混凝土的横向变形，使在三向应力作用下的核心混凝土的强度比普通浇注的混凝土提高了2～3倍。

设置微应力，可提高构件的承载力及改变普通灌注法造成混凝土和钢管间有间隙的现象。

综上所述，配制满足本工程要求的微膨胀缓凝型高性能混凝土的关键是一方面混凝土工作性能必须良好，凝结时间足够长，可以保证泵送过程顺利，无大气泡存在；另一方面混凝土具有满足设计要求的强度和膨胀率。

2.1水泥用量

配制C50以上混凝土宜选用强度等级42.5以上的水泥，由于目前水泥品种繁多，同一种等级的水泥强度差别较大，因此水泥用量通常在450~600kg/m3范围内波动，水泥用量如果再高，则会带来诸多不利的影响，如水化热过高、收缩增大等负面效应。

另外，当水泥用量超过一定值后，混凝土的强度基本不再增加，所以本项目应控制水泥的用量在450~600kg/m3范围内。

2.2用水量及水灰比

水灰比是控制混凝土强度最为重要的一个参数，在满足施工和易性的前提下，应尽量降低水灰比以获得高强度。

配制C50混凝土适宜水灰比在0.30~0.38之间。

2.3矿物掺合料用量

用于配制高强混凝土的矿物掺合料应该具有较高的活性和良好的均匀性，一般掺量为水泥重量的5%~10%。

2.4砂率

泵送混凝土砂率可以适当高于普通混凝土，以防止混凝土离析。

另外，砂率也应根据胶凝材料量的不同，而做适当的调整，如果胶凝材料量较多，则要适当的降低砂率，以减少泵送压力，反之亦然。

 2.5高效减水剂

优良的高效减水剂是能否配制成功钢管混凝土的关键所在。

首先应该选择性能稳定，对用水量不是很敏感的减水剂。

当外加剂分子中有杂环时，不易造成混凝土拌合物的离析。

其次，考虑到施工要求，高效减水剂还应当具有一定缓凝保坍效果。

2.6膨胀剂

膨胀剂的掺加方式一般有内掺法（取代等重量的水泥）和外掺法（在普通混凝土的基础上直接掺加膨胀剂）二种，可采用内掺法，也可采用外掺法。

一般说来内掺法虽然可以节约水泥、降低水化热，但它会明显降低强度。

如何既保证合理的膨胀又不影响强度及工作度是高性能膨胀粉煤灰配合比设计的关键。

如果在基准混凝土配合比的基础上直接外掺膨胀剂，则由于胶凝材料用量增多，而用水量、砂率等其它条件未能相应变化，则会大大降低混凝土的工作度。

3微膨胀缓凝混凝土设计方案

根据钢管混凝土工作性能、力学性能和体积变形要求，针对水泥用量、用水量及水灰比、高效减水剂类型与用量、膨胀剂类型等因素开展混凝土工作性能和力学性能试验。

试验依据：

（1）GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法》

（2）GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》

（3）GBJ82-85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》

3.1试验原材料

3.1.1水泥

本试验采用山西新绛威顿水泥有限公司生产的威顿P·O42.5普通硅酸盐水泥，水泥技术性能指标如表1所示。

表1威顿P·O42.5水泥技术性能指标

序号

技术指标名称

计量单位

标准规定指标

实测技术指标

判定

1

细度

（%）

≤10.0

/

合格

2

标准稠度用水量

（%）

28.2

合格

3

凝结时间

初凝时间

min

≥45

114min

合格

终凝时间

min

≤600

236min

合格

4

安定性

/

合格

合格

合格

5

强度

抗折强度

3天

MPa

≥3.5

5.5

合格

28天

MPa

≥5.5

8.7

合格

抗压强度

3天

MPa

≥17.0

24.6

合格

28天

MPa

≥42.5

49.3

合格

3.1.2矿渣粉

本试验采用山西曲沃旭东建材有限公司生产的S95型矿渣粉。

3.1.3碎石

试验用碎石采用的是龙港镇石料场生产的4.75-9.5mm和9.5-19.0mm碎石。

4.75-9.5mm和9.5-19.0mm级配碎石按照质量百分比例15：

85配制得到连续级配碎石。

其中，4.75-9.5mm粒径碎石技术指标见表2；9.5-19.0mm粒径碎石技术指标见表3。

表24.75-9.5mm碎石技术指标

针片状颗粒总含量

4.6%

含泥量

0.6%

压碎指标

/

表观密度

2690kg/m3

堆积密度

1500kg/m3

空隙率

44.2%

泥块含量

0.3%

粗集料定名

4.75-9.5mm碎石

表39.5-19.0mm碎石检验结果

针片状颗粒总含量

3.5%

含泥量

0.5%

压碎指标

9.3%

表观密度

2680kg/m3

堆积密度

1480kg/m3

空隙率

44.8%

泥块含量

0.2%

粗集料定名

9.5-19.0mm碎石

注：

碎石压碎值按照阳翼高速公路建设管理处《阳翼安字[2008]181号文》执行，其计算公式为y=0.4804x-1.595。

3.1.4细集料

本试验细集料采用河南南阳河砂。

3.1.5高效减水剂

分别采用山西桑穆斯FDN-1高效缓凝减水剂和武汉浩源化工有限公司FDN-9000A萘系高效减水剂。

3.1.6膨胀剂

分别采用山西桑穆斯EA-L复合膨胀剂和武汉浩源化工有限公司生产的UEA-H复合膨胀剂。

3.1.7拌合水

清洁自来水

3.2试验方法

混凝土拌合物坍落度、扩展度测试按照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行。

混凝土强度试验按照GB/T50081-2002普通混凝土力学性能试验方法进行。

对于掺膨胀剂混凝土的膨胀率测量方法，有关标准中进行了详细规定,要求膨胀试件脱模后放入水中养护14d,此后再转入空气中养护。

这一规定与钢管混凝土所处的实际环境大不相同——混凝土处于钢管密封条件下,与外界基本上没有湿度交换。

因而测得的混凝土膨胀率并不能真空反映钢管混凝土中核心混凝土的膨胀情况。

为此,采用钢管混凝土限制膨胀率测试方法，实验装置见图1。

混凝土灌注之前,在钢管内壁涂油,并铺设一层塑料薄膜,混凝土灌注之后用薄膜将混凝土包裹密封,使之与外界无湿度交换。

混凝土灌注之后放置玻璃片,以便于千分表测头的安放。

混凝土硬化后,顶部涂刷一层凡士林,并安装磁性表座及千分表,以后按龄期读取千分表数值,由测试结果得到混凝土在钢管约束条件下各龄期的膨胀率。

除开展限制膨胀率试验外，为了模拟绝湿条件下混凝土的体积变化，同期开展了混凝土自生体积收缩变形测试。

试验方法参考（GBJ82-85）《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行（图2）。

试件尺寸100mm×100mm×515mm,试件两端预埋铜测头，成型后48h后脱模，先用潮湿的棉布包裹3层，然后再用塑料薄膜包裹密封好，只露出铜测头，试件置于相对湿度（95±5）%、温度（20±3）℃的养护室中养护至测试龄期。

用千分表在各测试龄期测试试件的自由膨胀值，精度为0.001mm。

4试验配比与结果

4.1混凝土试验配比

考虑到本工程原材料碎石压碎值指标、母岩强度等因素，选用了较大用量的胶凝材料（580kg/m3、600kg/m3）配制混凝土。

选择了三个不同水灰比（0.29、0.30、0.31）配制混凝土，砂率为0.38。

矿渣粉等量替代重量比10%的水泥，膨胀剂等量取代10%的水泥。

减水剂用量为胶凝材料总量的1.3%。

表2混凝土试验配合比

序号

材料用量（kg/m3）

水胶比

备注

水

水泥

砂

碎石

矿渣粉

减水剂

膨胀剂

A1

180

465

642

1047

58

7.55

58

0.31

总胶材580kg/m3

B1

174

480

637

1039

60

7.8

60

0.29

总胶材600kg/m3

C1

180

480

635

1035

60

7.8

60

0.30

总胶材600kg/m3

D1

186

480

632

1032

60

7.8

60

0.31

总胶材600kg/m3

E2

180

480

635

1035

60

7.8

60

0.30

总胶材600kg/m3

注1：

山西桑穆斯FDN-1高效缓凝减水剂和EA-L复合膨胀剂；

注2：

武汉浩源化工有限公司FDN-9000A萘系高效减水剂和武汉浩源化工有限公司的UEA-H复合膨胀剂。

4.2混凝土工作性能试验结果

各配合比混凝土工作性能试验结果见表3。

由表可知，各配比混凝土出机坍落度和扩展度均较大，流动性良好，可以满足泵送要求。

其中配比A、C、D、E出机混凝土坍落度和16h后坍落度相当，表明混凝土凝结时间符合施工需求。

配比B由于水灰比较小，单方用水量少，因此16h后混凝土有明显坍落度损失，且扩展度小，混凝土流动性、密实能力不足。

在相同水灰比条件下（0.30，配比C、E），采用武汉浩源FDN-9000A萘系高效减水剂配制的混凝土初始坍落度和流动度均大于采用山西桑穆斯FDN-1高效缓凝减水剂配制的混凝土，且16h后坍落度损失小，表明武汉浩源FDN-9000A减水剂具有更好的减水、缓凝效果和保坍能力。

表3混凝土工作性能试验结果

配合比

0h

16h

和易性

坍落度（mm）

扩展度（mm）

坍落度（mm）

扩展度（mm）

A

250

620

240

450

良好

B

200

480

160

400

干硬

C

230

570

220

420

良好

D

250

600

240

430

良好

E

250

620

240

450

良好

注：

h（小时）表示混凝土浇注时间

4.3混凝土强度试验结果

各配比混凝土5d、7d、28d强度试验结果见表4。

由表可知，对于使用相同类型原材料及胶凝材料用量的混凝土（配比B、C、D），随着水灰比的增加，混凝土强度相应降低，表明水灰比对混凝土强度有十分显著的影响。

但若水灰比采用较小值时，混凝土单方用水量减小，造成混凝土工作性能下降。

因此，为了配制满足工程需求的混凝土，建议水灰比宜为0.30。

减小胶凝材料用量，同样也会造成混凝土强度降低（配比A）。

总体看来，各配比混凝土7天强度均可以达到设计强度的100%，28天强度均可满足设计要求。

表4混凝土强度试验结果（MPa）

配合比

5天

7天

28天

A

43.2

51.3

59.3

B

47.8

53.1

68.9

C

44.7

53.1

69.2

D

43.4

52.2

62.4

E

42.3

50.7

69.4

4.4混凝土限制膨胀率试验结果

根据混凝土工作性能和强度试验结果，初步确定配比C、E为实际工程建议配比值。

为了保证混凝土合理的膨胀性能，根据配比C、E配制混凝土进行了限制膨胀率和自生体积变形试验。

试样方法和标准见3.2小节。

混凝土各龄期限制膨胀率试验结果见表5和图3。

试验结果表明：

配比C、E混凝土在各龄期均有一定的体积膨胀，且膨胀率稳定增长。

配比C（采用山西桑穆斯FDN-1高效缓凝减水剂和EA-L复合膨胀剂）早期膨胀率较配比E（采用武汉浩源FDN-9000A萘系高效减水剂和武汉浩源化工有限公司的UEA-H复合膨胀剂）略高，这极可能与配比E混凝土凝结时间更长（表3）、胶凝材料早期水化程度略低有关。

在混凝土形成明显强度后，配比E混凝土限制膨胀率显著增加，超过配比C混凝土，并且在后期（56d）仍有稳定增长，说明膨胀势能持续增加，膨胀稳定，且56d和28d膨胀率比例为110%，说明膨胀势控制较好，未出现过度体积增加。

配比C混凝土28d和56d体积膨胀率相当，表明后期膨胀基本稳定，增长幅度小。

表5混凝土限制膨胀率试验结果（d：

天）

配合比

限制膨胀率（×10-6）

1d

3d

7d

14d

21d

28d

56d

C

68

126

166

210

243

252

256

E

45

97

189

245

280

302

331

4.5混凝土自生体积变形试验结果

钢管混凝土结构内部混凝土在实际使用阶段处于绝湿状态，因此测试混凝土在完全密封环境下的自生体积收缩变形能够反映真实结构中外部水分完全隔绝条件下的体积变形。

配比C、E混凝土各龄期膨胀率试验结果见表6和图4。

由表可知，与常规混凝土的自生体积变形为收缩趋势不同，微膨胀缓凝型混凝土的自生体积变形为一定的膨胀趋势，其膨胀率变化趋势和限制膨胀率变化趋势相似。

混凝土脱模1d后，各配比混凝土自生体积变形均为一定的膨胀势，说明膨胀剂发挥作用，可以抑制和抵消混凝土硬化伴随的收缩趋势。

在硬化早期（14d前），配比C混凝土自生体积膨胀率较配比E略高，这可能与配比E缓凝时间长、实际硬化时间短、早龄期水泥和膨胀组分水化度低有关。

在硬化后期，配比E混凝土膨胀率超过配比C，并且表现为稳定增长趋势，而同期（56d）配比C混凝土膨胀率增长趋势已停止。

表6混凝土自生体积变形试验结果

配合比

膨胀率（×10-6）

1d

3d

5d

14d

21d

28d

56d

C

53

136

237

300

360

378

375

E

45

110

190

270

378

410

452

5主要研究结论

基于本课题的研究成果，结合实际工程施工要求和相关工程经验，可以得到以下结论：

1.提高胶凝材料用量、减小水灰比可以显著提高混凝土的强度。

胶凝材料用量为600kg/m3时，试验配合比强度全部可以满足设计要求，其7d强度可以达到设计强度的100%。

2.水灰比0.30、0.31时所配制的混凝土坍落度和扩展度均较大，16h坍落度损失小，混凝土和易性良好，说明所采用的减水剂缓凝效果明显，可以满足施工要求。

采用武汉浩源FDN-9000A高效减水剂和UEA-H复合膨胀剂配制的混凝土其16h坍落度损失小，对保证施工泵送、顶升过程的顺利完成有利。

3.无论是采用山西桑穆斯FDN-1高效缓凝减水剂与EA-L复合膨胀剂配制的混凝土（配比C），或者是采用武汉浩源化工有限公司FDN-9000A萘系高效减水剂和UEA-H复合膨胀剂配制的混凝土（配比E），其自生体积变形和限制膨胀变形均为正值，即混凝土都有一定程度膨胀能力，可以补偿混凝土收缩。

4.各龄期混凝土膨胀程度适当，后期增长速率趋缓，表明混凝土膨胀程度完全可控，可以避免结构内部出现有害膨胀。

采用武汉浩源FDN-9000A高效减水剂和UEA-H复合膨胀剂配制的混凝土28d后体积膨胀仍略有增加，表明混凝土膨胀势来源储备丰富，后期混凝土回缩的风险小。

5.配比C混凝土早期膨胀速率较快，后期膨胀率趋于稳定；配比E混凝土后期膨胀势能大于配比C，但早期膨胀率略小。

此变化规律与混凝土的凝结硬化过程有密切的关系。

配比E混凝土凝结时间较长，16h后坍落度无显著降低，表明缓凝效果强，在硬化早期水泥和膨胀剂反应程度低，因此早龄期膨胀率亦较小。

在硬化后期，缓凝作用对水泥和膨胀剂反应基本无抑制作用，因此，硬化后期配比E的膨胀率超过配比C。