自密实补偿收缩高强钢管混凝土的制备研究

曹誉恒,岳运烨,韩旭 ,廖钢群

中交综合规划设计院有限公司

【摘要】高强钢管砼是钢管内灌入高强度补偿收缩砼形成组合材料，具有抗变形能力强等优点，在抗震组合高墩工程中具有广阔应用前景。为解决高强钢管砼组合结构高墩主管内高抛砼协同提升难题，研究骨料母岩强度对砼工作性的影响，通过SEM分析高强钢管砼微观结构。母岩强度较高的玄武岩可保证后期强度稳定增长，微观结构显示砼具有致密结构；利用玄武岩碎石可制备性能优异的自密实高强砼。

【关键词】自密实补偿收缩；高强钢管混凝土；制备

  钢管砼组合结构桥墩以格构柱为承载核心，柱肢通过钢筋砼肋板连接成整体，具有抗震性能好等优点。随着西部桥梁建设向山区深部延伸，结构承载力逐渐提高，对混凝土工作性等要求提高。西部山区人工骨料存在级配不良等缺点，制备砼存在流动性差等不足，高强度砼高水泥用量等因素易导致收缩开裂，脱空产生导致钢管砼套箍效应减弱。我国每年建筑用砂近百亿吨，天然砂资源日益短缺，过度开采河砂破坏当地生态环境，建筑桥梁结构向更长深的方向发展，迫切需要建设大跨径桥梁，需要利用机制砂制备高强钢管砼。本文结合大桥工程实例研究骨料母岩强度等因素对混凝土力学性能等影响，为工程应用提供技术参考。

1. 高强钢管混凝土简介

   混凝土具有原料来源广泛、制备工艺简单等特点，广泛应用于国民经济基础设施等工程，随着科技的发展，混凝土研究发生很大变化。工程师通过实验研究开发出矿物掺合料代替部分水泥，人造骨料广泛应用于西部山区。当今混凝土向高强度高性能发展，需具备耐久性与高体积稳定性能。混凝土强度与脆性是难以调和的矛盾，混凝土强化使其单独工程应有偏向不安全，高强砼工程应用要增加结构延性措施，采用钢筋砼结构是高强混凝土工程应用的有效形式。

   钢管砼是将混凝土灌入钢管形成组合材料，利用钢管套箍约束使砼处于三向受压状态，提高混凝土抗变形能力与耐久性。钢管砼结构使材料性质发生变化，具有耐疲劳等优越性能，具有架设轻便等优越施工性能。钢管砼受轴心压力产生套箍效应，混凝土泊松比超过0.5混凝土横向变形超过钢管。国内外学者对钢管砼构件力学性能等开展大量研究，核心砼性能特征等对组合构件受力性能影响显著。钢管砼结构因其固有优势在我国得到飞速发展，目前广泛应用于高速跨线桥等工程中。钢管砼桥梁组合结构不断创新，核心砼强度提高可增大组合结构承载力。强度等级在C60以上为高强砼，目前工程技术界配制超高强砼通过采用活性粉末混凝土与采取硅酸盐水泥+高效减水剂技术手段增加密实度。

2. 自密实高强钢管混凝土制备实验

四川省凉山州金阳县特大桥跨越金阳河深切河谷，主墩采用钢管砼组合墩，钢管外采用C30自密实外包砼，钢管砼采用高抛灌注施工，重力下课均匀填充到钢管内部，需要有适宜的微膨胀效果保证核心砼与钢管紧密接触。制备实验采用水泥P·O52.5级，膨胀剂成分为CaO,MgO,粉煤灰为I级，粉煤灰微珠比表面积1300㎡/kg，将黏增强剂活性指数110%，粗骨料为石灰岩破碎石，小石粒径为5-10mm；细骨料为机制砂，聚羧酸系高性能减水剂。进行工作性能与黏度体积变形测试，按照《普通混凝土拌合物性能实验方法标准》测试工作性能，根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》测试力学性能。根据筛浆试验得到对应配合比中的砂浆衡量混凝土黏度。混凝土体积变形性能检测参照《混凝土耐久性试验方法标准》。制作测试钢管砼体积变形仪器模具，灌注后用保鲜膜封住端口，保证钢管内密闭环境，测试期间不拆表头。表1 水泥主要性能指标。

                         表1 水泥主要性能指标

凝结时间min		抗压强度Mpa		安定性
初凝	终凝	3d	28d
207	245	26.4	53.9	合格

3. 实验结果分析

  研究采用混凝土密实骨架堆理论对C80核心砼配合比设计，根据强度设计值选定水胶比为0.24,。混凝土较黏重，自填充性较差，7d抗压强度稍低。用基准配合比制备混凝土存在粘度大、后期强度增幅小等问题，利用高强度母岩骨料等技术改善混凝土性能。水泥石强度来源于水化，增加水泥用量是提高强度常用手段，高水泥用量会增加成本，过多水泥不能完全水化。矿物掺合料包括粉煤灰微珠，I级粉煤灰改善工作性，将黏增强剂降低混凝土黏度。

   胶凝材料等参数不变，调整水泥用量研究最佳组成体系。分析不同水泥用量下混凝土性能，低于7470kg/m³混凝土工作性改善，扩展度、V型仪通过时间等改善；水泥用量增加到480kg/m³，粘度增大自密实性下降。混凝土性能存在最佳水泥用量，水泥用量宜采用470kg/m³。高强混凝土具有高胶凝材料用量特点，影响混凝土流动性，粉煤灰对高强砼降粘效果不明显，用粉煤灰微珠代替分析胶凝材料组成的影响，A2,A5组混凝土拌合物有较好包裹性，采用不同矿物掺合料粘度差异较大。浆体粘度值降至1120mPa·s，由于粉煤灰微珠为规则圆球，混凝土中可有效发挥滚珠轴承作用。以A5配合比为基础对比不同母岩强度玄武岩碎石对强度影响，骨料级配等差距较小不同类型对工作性影响小。使用玄武岩为骨料混凝土后强度较高，由于随龄期发展水泥石强度提高。玄武岩母岩强度较高有利于增加后期抗压强度。

   钢管砼构件承载力可达到核心砼单独承载力和的2倍，发生脱空会削弱结构性能。以A8配合比为基础调整膨胀剂掺量，随着膨胀掺量增加，膨胀剂掺量为45kg/m³，可能影响水泥石强度。到达最大膨胀率后逐渐减小，膨胀剂掺量为35kg/m³，7d膨胀率达到峰值80%以上，钢管与砼无脱粘脱空现象，保证钢管与核心砼协同作用。膨胀剂掺量宜控制为35kg/m³。选取A8组混凝土进行SEM测试，粒径规则的粉煤灰微珠在浆体内分布均匀，晶核效应较为明显；浆体与骨料界面过渡区饱满，混凝土强度与体积稳定得到提升。

结语

  金阳河大桥进行主墩C80混凝土灌注施工，混凝土工作良好，部分灌注完成28d后，核心砼抗压强度检测，表明同龄期养护砼试块抗压强度为93.1Mpa，依据《超声波检测混凝土缺陷技术规程》测定波速为4200m/s。高强钢管砼工作性不随水泥用量增加，水泥用量过高导致混凝土黏度增加；用量过低无法保证混凝土强度。骨料种类影响高强砼力学性能，采用玄武岩碎石制备混凝土抗压强度较高约10%。粉煤灰微珠对高强砼降粘效果显著，有利于强度增长。

参考文献

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