自密實(shí)鋼管混凝土的研究與應(yīng)用

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摘要：采用自密實(shí)混凝土作為鋼管核心混凝土，針對(duì)鋼管混凝土的受力特點(diǎn)和施工工藝，進(jìn)行自密實(shí)混凝土材料的選擇和配合比優(yōu)化。為了確保自密實(shí)鋼管混凝土的順利施工和硬化后良好的力學(xué)、變形性能，進(jìn)行了自密實(shí)鋼管混凝土與普通泵送鋼管混凝土拱的現(xiàn)場(chǎng)模擬施工對(duì)比試驗(yàn)，以及鋼管混凝土短柱的軸心受壓對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，自密實(shí)混凝土作為鋼管核心混凝土，其施工性能明顯優(yōu)于普通泵送混凝土，在施工過(guò)程中不泌水、不離析，硬化的混凝土能在各截面上均勻分布；自密實(shí)鋼管混凝土短柱的組合彈性模量、極限承載力和延性以及后期承載能力方面均與普通泵送混凝土短柱相似。在此基礎(chǔ)上，成功地將自密實(shí)混凝土應(yīng)用于莆田市一鋼管混凝土拱橋工程，應(yīng)用結(jié)果表明，采用自密實(shí)混凝土技術(shù)，鋼管混凝土拱橋施工順利、快捷，且更好地保證了工程質(zhì)量，同時(shí)混凝土材料造價(jià)與普通泵送混凝土基本持平。

關(guān)鍵詞：自密實(shí)混凝土； 鋼管混凝土；配合比優(yōu)化；力學(xué)性能；鋼管混凝土拱橋；工程應(yīng)用

0 引言

近年來(lái)鋼管混凝土的發(fā)展在我國(guó)取得了令人矚目的成就，在高層、大跨結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用逐年增多，然而無(wú)論是高層建筑物的鋼管混凝土柱，還是鋼管混凝土拱橋，都存在著鋼管核心混凝土在施工中振搗困難，甚至無(wú)法振搗的問(wèn)題。眾所周知，鋼管與其核心混凝土間的協(xié)同互補(bǔ)作用是鋼管混凝土具有一系列突出優(yōu)點(diǎn)的根本所在，混凝土澆筑質(zhì)量直接影響到構(gòu)件的承載力和鋼管混凝土的復(fù)合彈性模量，從而影響到構(gòu)件的安全性和能否正常工作，因此鋼管核心混凝土的質(zhì)量應(yīng)該引起足夠的重視[1 ] 。

本文采用自密實(shí)混凝土(SCC) 作為鋼管核心混凝土，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)泵送模擬施工試驗(yàn)、鋼管混凝土短柱的軸心受壓試驗(yàn)以及實(shí)際工程應(yīng)用證明，鋼管內(nèi)填自密實(shí)混凝土既能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)所要求的強(qiáng)度、彈性模量等指標(biāo)，又具有良好施工性能，混凝土不僅可以在鋼管內(nèi)密實(shí)成型，而且混凝土材料在施工中始終保持均勻。

1 自密實(shí)混凝土配合比優(yōu)化

1.1 自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

自密實(shí)混凝土是無(wú)需振搗，依靠自重在模板內(nèi)密實(shí)成型的混凝土。配制自密實(shí)混凝土的難點(diǎn)在于：混凝土在新拌階段不離析、不板結(jié)，在入模前始終具有工程需要的填充性、穿越性和均勻性；硬化后具有良好的體積穩(wěn)定性，符合工程和環(huán)境對(duì)其力學(xué)性能、變形性能和耐久性能的要求。

然而為了獲得高流動(dòng)性，在自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)上常常存在一些誤區(qū)，如不恰當(dāng)?shù)卦龃笥盟俊⒛z凝材料總量或者采用過(guò)大的砂率等，導(dǎo)致混凝土在新拌階段缺乏穩(wěn)定性，嚴(yán)重離析、泌水；在硬化后均勻性差，容重低于正?；炷羀2 ] ，彈性模量低，體積穩(wěn)定性不好等等。這樣的混凝土帶來(lái)工程質(zhì)量的隱患是必然的。

為了發(fā)揮自密實(shí)混凝土的優(yōu)勢(shì)，確保工程質(zhì)量，同時(shí)盡可能降低工程材料造價(jià)，必須優(yōu)化自密實(shí)混凝土的配合比。應(yīng)根據(jù)不同工程的實(shí)際需要，對(duì)新拌自密實(shí)混凝土的工作性，硬化后的力學(xué)性能(強(qiáng)度、彈性模量) 、變形性能(抗裂性、體積穩(wěn)定性等) ，以及長(zhǎng)期使用中的耐久性提出明確的指標(biāo)，通過(guò)選擇合適的原材料，優(yōu)化配合比等來(lái)保證自密實(shí)混凝土的高質(zhì)量與良好的經(jīng)濟(jì)性。

1.2 自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)與優(yōu)化

1.2.1 配制目標(biāo)的設(shè)定

根據(jù)工程特點(diǎn)和環(huán)境條件，設(shè)定合適的配制目標(biāo)是自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)的第一步。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的澆筑方法一般有高位拋落法和泵送頂升法，在施工過(guò)程中混凝土澆筑線(xiàn)路長(zhǎng)，施工過(guò)程本身對(duì)混凝土的擾動(dòng)大，而鋼管混凝土構(gòu)件又多為垂直構(gòu)件，因此要求新拌混凝土不僅能靠自重填充密實(shí)，而且具有良好的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性[3 ] ，在施工過(guò)程中始終保持均勻，不離析，不泌水；此外，為了保證鋼管與混凝土更好地共同受力，還要求混凝土彈性模量高，收縮量小，與鋼管壁粘結(jié)牢靠。

1.2.2 原材料選擇

選擇合適的原材料是成功配制自密實(shí)混凝土的關(guān)鍵。其中骨料和外加劑起了決定性的作用。我國(guó)大多數(shù)地區(qū)采用顎式破碎機(jī)生產(chǎn)碎石，即使在針片狀含量沒(méi)有超標(biāo)的情況下，碎石的粒形通常也是相當(dāng)扁的。囿于當(dāng)?shù)厮槭?yīng)條件的限制，本文在早期采用一次破碎成型的碎石試配自密實(shí)混凝土。大量的試驗(yàn)結(jié)果表明，即使在膠凝材料用量相當(dāng)高(約600kg/m3) 的情況下也往往無(wú)法保證新拌混凝土的穩(wěn)定性，雖然坍落度和坍落流動(dòng)度看似達(dá)到了自密實(shí)混凝土的要求，然而混凝土拌合物表現(xiàn)出離析、板結(jié)、粘滯，無(wú)法滿(mǎn)足自密實(shí)混凝土對(duì)穿越能力和抗離析能力的要求。為此，通過(guò)與碎石生產(chǎn)商協(xié)商，要求其采用新的夾片并將一次成型的骨料進(jìn)行二次回破，骨料的粒形有了明顯的改善。在此基礎(chǔ)上，為了改善碎石級(jí)配，在配合比中將5mm～10mm 和10mm～25mm 兩種粒徑進(jìn)行混合。

適合泵送混凝土的外加劑并不一定都可以用于自密實(shí)混凝土，為了盡量降低膠凝材料用量并獲得新拌階段良好的流動(dòng)性和穩(wěn)定性，需要選擇減水率較高、不易導(dǎo)致離析的減水劑。合適的引氣量有利于新拌混凝土的抗離析能力，然而過(guò)多的、不穩(wěn)定的氣泡又常常導(dǎo)致混凝土不均勻、濕容重偏低、硬化后彈性模量低、變形大等缺點(diǎn)。在以往自密實(shí)混凝土配制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，考慮經(jīng)濟(jì)與外加劑的供應(yīng)情況，本文采用以萘系為主的復(fù)合高效減水劑，成功地解決了自密實(shí)混凝土新拌階段的穩(wěn)定性問(wèn)題。

此外根據(jù)當(dāng)?shù)氐馁Y源情況，選用三德牌42.5 普通硅酸鹽水泥，華能Ⅱ級(jí)粉煤灰和細(xì)度模數(shù)2.8 的河砂。

1.2.3 配合比參數(shù)的選擇

首先量化鋼管自密實(shí)混凝土的配制目標(biāo)：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，強(qiáng)度等級(jí)為C40 ，考慮到鋼管混凝土內(nèi)部沒(méi)有密集鋼筋，對(duì)自密實(shí)混凝土新拌階段穿越能力的要求可以適當(dāng)放低。設(shè)定坍落度為250mm 左右，坍落流動(dòng)度在500mm～600mm 之間，拌合物目測(cè)穩(wěn)定性指標(biāo)為0 級(jí)[4 ] 。為了保證硬化混凝土的彈性模量正常，本文設(shè)定在摻大量粉煤灰的情況下混凝土的濕容重不低于2350kg/ m3 。

在材料選定的情況下，要達(dá)到既定的配合比設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要綜合考慮并合理選取各種材料的用量與比例。為了滿(mǎn)足鋼管混凝土對(duì)彈性模量和體積穩(wěn)定性的要求并降低造價(jià)，應(yīng)在滿(mǎn)足工作性的基礎(chǔ)上，盡量降低膠結(jié)料用量尤其是膠結(jié)料中的水泥用量，提高骨料中粗骨料的比例；此外，為了保證混凝土與鋼管共同受力，采用膨脹劑產(chǎn)生微膨脹以進(jìn)一步提高與鋼管壁的粘結(jié)性能。

在試驗(yàn)室配合比設(shè)計(jì)中，通過(guò)大量試驗(yàn)試配C40自密實(shí)混凝土。由于現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)的粗骨料粒形比試驗(yàn)室有所改善，為此進(jìn)一步降低了水泥用量，減小了砂率，提高了粗骨料中大粒徑的骨料比例，最終形成了闊口大橋工程中用的配合比SCC40 - A ，各配合比參數(shù)見(jiàn)表1 。

自密實(shí)混凝土的工作性指標(biāo)及抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表2 ， 文中采用目測(cè)穩(wěn)定性指標(biāo)(VSI) 來(lái)評(píng)價(jià)新拌自密實(shí)混凝土的穩(wěn)定性。從圖1 可以看出在坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)后混凝土圓周沒(méi)有泌水，也沒(méi)有出現(xiàn)砂漿圈，粗骨料在邊緣和中央分布同樣均勻。L 形儀試驗(yàn)[5 ]見(jiàn)圖2 ，自密實(shí)混凝土在工程應(yīng)用中在運(yùn)輸車(chē)卸下的情況見(jiàn)圖3 。

2.鋼管自密實(shí)混凝土施工性能模擬試驗(yàn)

為了驗(yàn)證自密實(shí)混凝土在鋼管混凝土拱橋中的施工性能，并與普通泵送混凝土(NC) 對(duì)比，進(jìn)行了普通混凝土和自密實(shí)混凝土的模擬施工對(duì)比試驗(yàn)。表1“NC40”是當(dāng)?shù)?strong class="keylink">攪拌站針對(duì)該橋?qū)ｉT(mén)設(shè)計(jì)的C40 普通泵送鋼管混凝土的配合比(后因采用自密實(shí)混凝土，沒(méi)有在實(shí)際施工中使用) 。試驗(yàn)時(shí)通過(guò)混凝土泵車(chē)在鋼管拱的一側(cè)拱腳，向鋼管拱頂升泵送混凝土。

模擬泵送試驗(yàn)表明，自密實(shí)混凝土具有良好的可泵性，泵壓正常，施工順利。兩種不同的混凝土在試驗(yàn)中從拱頂排氣管冒出混凝土的情況見(jiàn)圖4 ?？梢钥闯?，自密實(shí)混凝土在施工中能保持良好的均勻性，頂部冒出的混凝土拌合物骨料和漿體結(jié)合良好，均勻而不離析； 而普通泵送混凝土在澆筑的過(guò)程中出現(xiàn)離析，拱頂排氣管?chē)姵鏊酀{。

試驗(yàn)后28d ，將兩根鋼管混凝土拱截成數(shù)段，發(fā)現(xiàn)自密實(shí)混凝土澆筑的拱在各部位所有切開(kāi)的截面都填充密實(shí)、均勻，而普通混凝土在混凝土輸送管遠(yuǎn)端的拱腳處發(fā)現(xiàn)砂漿與骨料分層的情況，見(jiàn)圖5 。事實(shí)證明，混凝土新拌階段的穩(wěn)定性是其硬化后勻質(zhì)性的前提，采用自密實(shí)混凝土有利于保證結(jié)構(gòu)的勻質(zhì)性。

3 　自密實(shí)鋼管混凝土軸心受壓性能試驗(yàn)

3.1 　試驗(yàn)裝置及試件制作

為了驗(yàn)證自密實(shí)鋼管混凝土的受力性能，在模擬施工試驗(yàn)成型的兩個(gè)拱體的拱頂、拱腳部位各截取3個(gè)鋼管混凝土短柱進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn)。鋼管長(zhǎng)度250mm ，內(nèi)徑210mm ，壁厚為5mm。鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為351MPa 、443MPa 。試驗(yàn)在混凝土澆筑后60d 進(jìn)行。

試驗(yàn)在500t 壓力機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖6 所示。在試件中截面處沿周長(zhǎng)平均布設(shè)縱向及環(huán)向四對(duì)電阻應(yīng)變片，用IMP 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集在各級(jí)荷載作用下鋼管壁的縱向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變；同時(shí)沿試件的縱向布置兩個(gè)電測(cè)位移計(jì)以測(cè)定試件的縱向總變形，并由IMP 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3.2 　試驗(yàn)結(jié)果及其分析

3.2.1 　極限承載力

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3 所示。

從表3 中可以看出，在立方體抗壓強(qiáng)度相近的情況下，自密實(shí)混凝土試件的極限承載力與普通泵送混凝土試件相近。

3.2.2 荷載- 應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)

自密實(shí)鋼管混凝土和普通鋼管混凝土軸壓短柱試件的荷載- 應(yīng)變曲線(xiàn)分別見(jiàn)圖7 、圖8 。從圖中可以看出，自密實(shí)混凝土與同強(qiáng)度等級(jí)的普通泵送混凝土試件在組合彈性模量、極限承載力和延性以及后期承載能力方面沒(méi)有明顯區(qū)別，究其原因，主要在于自密實(shí)混凝土配合比雖然比普通混凝土砂率略高，粗骨料的最大粒徑更小一些，然而由于其水膠比低，并摻加大量粉煤灰，因此密實(shí)度高，同時(shí)在約束條件下采用膨脹劑，可以彌補(bǔ)前者對(duì)彈性模量和變形性能的影響，在同強(qiáng)度等級(jí)下，兩者的鋼管混凝土軸壓短柱的荷載- 應(yīng)變曲線(xiàn)表現(xiàn)很相似。

4 　自密實(shí)混凝土在鋼管混凝土拱橋工程中的應(yīng)用

4.1 工程概況

莆田市闊口大橋是一座跨度99m ，矢高19.8m的鋼管混凝土拱橋，見(jiàn)圖9 。拱截面為啞鈴型，主拱共8 根φ800 ×14 鋼管，啞鈴型截面的中間拱肋寬500mm。在垂直方向穿過(guò)的吊桿的孔直徑為φ250 。鋼管核心混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40 ，采用自密實(shí)混凝土進(jìn)行泵送頂升施工。

4.1 自密實(shí)鋼管混凝土生產(chǎn)、施工及質(zhì)量檢驗(yàn)

自密實(shí)混凝土在莆田青山混凝土攪拌站采用預(yù)拌方式生產(chǎn)。在開(kāi)盤(pán)鑒定中采用坍落度筒和L 型儀，結(jié)合VSI 指標(biāo)檢測(cè)自密實(shí)鋼管混凝土的工作性，均滿(mǎn)足要求。

為了保證自密實(shí)混凝土在入模時(shí)仍然具有足夠的工作性，事先根據(jù)澆筑量、生產(chǎn)能力、途中時(shí)間和澆筑能力制定合理的施工計(jì)劃是非常必要的，這樣才能使運(yùn)輸過(guò)程盡可能順暢，縮短等待時(shí)間，保證施工現(xiàn)場(chǎng)泵送、澆筑的連續(xù)進(jìn)行，確保自密實(shí)混凝土的泵送和澆筑在混凝土工作性保持期內(nèi)完成。

此外，由于自密實(shí)混凝土的高流動(dòng)性，在施工中對(duì)模板體系的強(qiáng)度和穩(wěn)定性提出了更高的要求。本工程采用兩端同時(shí)連續(xù)泵送頂升鋼管核心混凝土，控制兩端高差不超過(guò)1m ，且間斷泵送的時(shí)間間隔不超過(guò)15min。兩端混凝土高差通過(guò)事先在拱體上垂直高度間隔為1m 的直徑為5mm 的排氣孔檢查，當(dāng)混凝土澆筑到排氣孔的位置時(shí)，漿體溢出，據(jù)此判斷和控制兩側(cè)混凝土澆筑高度一致。當(dāng)自密實(shí)混凝土澆筑到頂部排氣口時(shí)，所冒出的混凝土仍然具有良好的均勻性，沒(méi)有出現(xiàn)泌水和離析現(xiàn)象。

施工中混凝土澆筑的密實(shí)情況通過(guò)敲擊鋼管壁的聲音進(jìn)行判斷，聲音沉而且啞者，說(shuō)明混凝土填充飽滿(mǎn)，若聲音空洞或者有回聲，則應(yīng)采用超聲波進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)[6 ] 。該工程在施工過(guò)程中以及澆筑完成后，采用小錘敲擊表明，混凝土澆筑密實(shí)。現(xiàn)場(chǎng)澆筑的同時(shí)，成型了抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試件，標(biāo)養(yǎng)至28d ，抗壓強(qiáng)度平均值53.3MPa ，均方差2.8MPa 。圖10 給出了拱肋混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度質(zhì)量控制圖，結(jié)果表明：該混凝土強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，試塊強(qiáng)度的離散性很小，混凝土勻質(zhì)性好。

4.1 自密實(shí)鋼管混凝土使用效果

采用自密實(shí)混凝土作為鋼管核心混凝土，有效避免了鋼管混凝土拱橋施工中常見(jiàn)的混凝土離析、堵泵、鋼管爆管、混凝土不均勻或不完全密實(shí)等問(wèn)題；另外在施工后6 個(gè)月對(duì)頂部鋼管壁進(jìn)行敲擊檢查發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有出現(xiàn)由內(nèi)部混凝土的沉降和收縮導(dǎo)致的頂部鋼管壁與混凝土脫離、空鼓等情況。事實(shí)證明，混凝土澆筑非常順利，泵壓正常，施工速度快，鋼管核心混凝土密實(shí)，達(dá)到了預(yù)定的要求和效果。在材料成本方面，由于自密實(shí)鋼管混凝土水泥用量每立方米混凝土比普通混凝土減少132kg ，雖然增加了粉煤灰用量，外加劑費(fèi)用也比普通泵送混凝土略高，按照施工當(dāng)時(shí)各種材料的價(jià)格，經(jīng)測(cè)算該自密實(shí)混凝土材料成本并不比普通泵送混凝土高，兩者在材料成本上基本持平。

5 　結(jié)論

(1) 新拌階段的穩(wěn)定性是自密實(shí)混凝土在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中成功應(yīng)用的前提。粗骨料的粒形和級(jí)配對(duì)新拌自密實(shí)混凝土的穩(wěn)定性有決定性的作用。
(2) 合理選用工程中的原材料，可以配制出工作性和強(qiáng)度滿(mǎn)足要求的自密實(shí)混凝土。在自密實(shí)混凝土配制中，需要嚴(yán)格控制新拌階段的穩(wěn)定性指標(biāo)，保證濕容重正?？梢员苊鈴椥阅Ａ科?。
(3) 軸心受壓短柱試驗(yàn)表明，自密實(shí)鋼管混凝土短柱與同強(qiáng)度等級(jí)的普通泵送鋼管混凝土短柱，在組合彈性模量、極限承載力、延性以及后期承載能力方面沒(méi)有明顯區(qū)別，兩者的荷載- 應(yīng)變曲線(xiàn)相似。
(4) 自密實(shí)混凝土作為核心混凝土應(yīng)用于鋼管混凝土拱橋中，有利于防止堵泵、離析等現(xiàn)象，并加快施工速度。自密實(shí)鋼管混凝土的工程質(zhì)量可以得到保證。當(dāng)采用大摻量粉煤灰時(shí)，材料成本與普通泵送混凝土相差不大。