钢—混凝土组合桥梁自密实补偿收缩混凝土 配制技术及应用

沈玉，王旺宁

（中交二公局第三工程有限公司，陕西 西安 710016）

0 前言

随着大跨径钢拱桥、钢—混凝土组合桥梁的迅速发展，自密实补偿收缩混凝土应用越来越广泛，自密实补偿收缩混凝土的开发和在钢—混凝土组合结构桥梁上应用，简化了施工工序，降低了劳动强度，消除振捣噪音，改善作业环境，加快施工进度，提高施工效果和管理水平。推广应用自密实补偿收缩混凝土，降低混凝土结构开裂敏感性，提高工程质量，杜绝桥梁伸缩缝常见病害，大幅度减少施工期表面塑性开裂、运营期横桥向断裂、局部发生网裂的风险，提升钢—混凝土组合结构桥梁混凝土耐久性，降低全寿命周期成本。

在高性能自密实补偿收缩混凝土的配制过程中，存在着新拌混凝土大流动性与抗离析性的矛盾，高强混凝土低水灰比与大流动性之间的矛盾，高胶凝材料用量与坍落度经时损失大的矛盾等。需要解决的主要问题：（1）高流动性和坍落度保持：保证拌合物扩展度在 600～700mm，J 环现实的钢筋通过率符合自密实混凝土相关标准要求，且坍落度损失得到有效控制。（2）高匀质性问题：保证混凝土质量均匀，即不泌水、不离析，浇筑后不出现明显的分层现象。（3）原材料波动对混凝土性能的影响，确定关键原材料技术指标质量控制的阈值。（4）配合比设计的技术原则和关键参数的确定方法，思路是遵循用水量—性能的控制路线。

1 工程简介

本文依托陕西省平镇高速公路，研究钢—混凝土组合桥梁自密实补偿收缩混凝土的配制技术及应用，该项目为陕西省重大关键技术攻关项目。平镇高速公路 LJ2 标四方石沟大桥桥址位于陕西省安康市平利县广佛镇附近，路线沿秋河右岸山坡设线，桥梁为路线跨越秋河支流四方石沟而设。该沟沟道较为狭窄，两岸山坡陡峻。上部结构左线采用 4×35 米钢—混组合梁（钢板梁），全桥共 1 联；右线 28+2×35+28 米钢—混组合梁（刚板梁），全桥共 1 联。图纸设计单位为陕西省交通规划设计研究院创新设计研发中心，其中钢—混凝土组合桥梁为陕西省重大关键技术攻关项目，现浇伸缩缝及剪力槽采用 C55 高性能自密实补偿收缩混凝土。

2 设计指标要求

高性能自密实补偿收缩混凝土性能指标见表1。

表1 高性能自密实补偿收缩混凝土性能指标

3 技术路线

3.1 骨料全级配研究

级配选择优化，提出级配模型。在机制砂正迅速成为主力砂源的新时期，研究全骨料级配体系，充分利用石粉，开发机制砂自密实补偿收缩混凝土技术。目的是达到骨料级配良好、摩擦阻力小、高密实，有效降低浆骨比，与此同时合理利用石粉以控制和降低水泥、粉煤灰、矿渣等胶凝材料用量。

3.2 多元胶凝体系组成研究

多元胶凝组分+二元膨胀组分+减缩组分+内养护组分。目的达到多元胶凝体系需水量低、合理匹配石膏、控制高活性组分。采用二元膨胀组分的双膨胀源技术，即钙系和镁系二元膨胀体系。采用不同的减缩体系，分别研究膨胀体系、减缩体系、膨胀体系+减缩体系。材料的选择很重要，通过对膨胀时机的把握、减缩剂限制内部干燥收缩、内养护剂对水的迁移，对比不同的材料性能。检测膨胀剂的膨胀率、减缩剂的减缩率、内养护剂势差的扩散（温度差、浓度差、压力差等），研究选定膨胀剂的种类，或采用多膨胀源的设计思路，确定膨胀组分的最佳掺量，确保膨胀体系具备良好的膨胀规律，能产生较大的初期膨胀且后期膨胀稳定；研究减缩剂限制内部干燥收缩的减缩率、研究内养护剂势差产生的水迁移在水泥水化程度、自收缩与强度之间的平衡点，确定减缩剂、内养护剂的最佳掺量，确保有效抑制补偿混凝土的自收缩和干燥收缩。

3.3 自密实补偿收缩混凝土配合比研究

胶凝材料用量限制、用水量限制、机制砂中石粉等参数的确定、各组成成分的确定。研究自密实补偿收缩混凝土中各组分材料组成、性能与结构的关系，利用最紧密堆积原理、流变学，系统研究砂率、集料级配、石粉含量、用水量、矿物掺合料量、水泥浆量等因素对混凝土性能的影响，配制出优良耐久的自密实补偿收缩混凝土。

3.4 自密实补偿收缩混凝土性能研究

在上述理论基础上，进一步研究自密实补偿收缩混凝土的工作性能、物理力学性能，及抗冻、抗渗、抗氯离子渗透、抗硫酸盐侵蚀、抗裂性等耐久性能。

4 关键技术

4.1 多元胶凝体系的优化与变形规律的研究

自由状态和限制条件下的变形，确定约束条件下混凝土补偿收缩的控制范围，解决混凝土的变形与钢—混凝土组合桥梁混凝土徐变的匹配与协同。胶凝材料显著影响掺有自密实补偿收缩混凝土的收缩特性，影响程度与各组分的组合匹配有关，研究的主要方向是减缩，确定 C50 以上自密实补偿收缩混凝土专用多元胶凝材料是本课题的关键技术。

4.2 混凝土流变学的研究

解决低水胶比下高胶凝材料用量与坍落度经时损失大的矛盾、新拌混凝土大流动性与抗离析性的矛盾，调整配合比各相关参数，达到材料性能最优的效果。坍损控制和塑性粘度合理范围的确定是关键点和技术难点，以获得自密实补偿收缩混凝土拌合物的坍落扩展度、J 环扩展度、T500、离析率及 1h 经时损失等参数的控制效果。

4.3 自密实补偿收缩混凝土配合比设计和性能关键参数确定

建立自密实补偿收缩混凝土配合比设计模型，自密实补偿收缩混凝土材料组成、结构、性能关系的理论模型，充实和发展混凝土科学理论领域。

5 原材料

原材料选择见表2。

6 混凝土原材料技术指标

（1）碎石：连续级配碎石（4.75～9.5mm : 9.5～ 19mm = 3:7），其技术指标试验结果见表3。

表3 碎石质量技术指标

（2）砂：采用机制砂，其技术指标经测试，结果见表4。

表4 机制砂的质量技术指标

（3）水泥：采用 P·O52.5 普通硅酸盐水泥。其技术指标经测试，结果见表5。

表5 水泥的质量技术指标

（4）粉煤灰：采用 F 类粉煤灰（Ⅱ级）。其技术指标经测试，结果见表6。

表6 粉煤灰质量技术标准

（5）高炉矿渣粉：采用 S95 级。其技术指标经试验，结果见表7。

表7 矿渣粉质量技术标准

（6）膨胀剂：其技术指标经测试，结果见表8。

表8 膨胀剂质量技术标准

表9 聚羧酸减水剂质量技术标准

（8）水：其技术指标经试验，结果见表10。

表10 水质量技术标准

7 配合比设计过程

7.1 初步配合比设计（以 A 组中的 A-1 为例）

（1）填充性指标为 SF1，计算粗骨料用量（取 Vg为 0.33）：

（2）计算砂浆体积：Vm=1 - Vg= 1-0.33 = 0.67(m3)

（3）计算砂的体积（取砂的体积含量为 0.44）：

（4）计算砂子的用量：

（5）计算浆体体积：

（6）设定胶凝材料中粉煤灰质量分数 β1为 0.20（粉煤灰密度取 2200kg/m3），矿渣粉的质量分数 β2为 0.10（矿渣粉密度取 2820kg/m3），计算胶凝材料的表观密度：

恒山景区对外营销和宣传力度较弱，宣传渠道少，没有做到精准营销。目前恒山景区并没有根据各目标区域市场的差异开展精准营销策略，营销投资力度也较低。另外缺乏精心策划文化活动和设计营销方案来进行景区文化的展示。景区间合作较少。恒山周围有着大量的风景名胜和古遗迹遗址，有汤头温泉、神溪湿地、应县木塔等。一方面通过景区之间的互通交流，强化景区合作，开通景区间旅游直通车服务，使景区间相连成线，实现资源互补共享。另一方面通过景区之间的联合营销进行旅游推荐活动，共谋发展。

（7）由混凝土设计强度等级，混凝土试配强度：

σ 根据混凝土强度等级 σ 取 6.0。

（8）确定水胶比 Mw/Mb：

符合规范中混凝土最大水胶比的要求。

（9）计算每立方米自密实混凝土中胶凝材料的质量：

Va为每立方混凝土中引入空气体积，这里取 15L。

（10）单位用水量：

（11）计算水泥用量 Mc、粉煤灰用量 Mf、矿渣粉用量 Mk和膨胀剂用量 MP：

（12）计算外加剂的用量：

由此可计算出配合比组成材料用量，列入表11。

表11 混凝土计算配合比 kg/m3

7.2 确定基准配合比

经试拌调整校核拌和物工作性满足设计要求，故确定基准配合比为：水泥 : 粉煤灰 : 矿渣粉 : 砂 : 碎石 : 水: 减水剂 = 375:107:54:791:953:172:7.504，检验强度，确定试验室配合比，见表12。

表12 混凝土试验室配合比

8 配合比选择方案

（1）A 组为不同的粉煤灰掺量+不同的高炉矿渣粉掺量，根据工作性能（坍落度、坍落扩展度、J 环扩展度、T500、离析率及 2h 经时损失）与强度，选择 A 组配合比为基准配合比（粉煤灰、矿渣粉掺量分别为 15%、10%）。

（2）B 组以选定的 A 组配合比为基准，不同的膨胀剂掺量，根据工作性能（坍落度、坍落扩展度、J 环扩展度、T500、离析率及 2h 经时损失）与强度，并制作限制膨胀大骨架试件检测限制膨胀率（水中 7d、空气中 28d），优选出符合要求的 B 组配合比。

（3）C 组以选定的 A 组配合比为基准，不同的减缩剂掺量，根据工作性能（坍落扩展度、J 环扩展度、T500、离析率及 2h 经时损失）与强度，并制作限制膨胀大骨架试件检测限制膨胀率（水中 7d、空气中 28d），优选出符合要求的 C 组配合比。

（4）D 组以选定的 A 组配合比为基准，不同的膨胀剂掺量＋不同的减缩剂掺量，根据工作性能（坍落扩展度、J 环扩展度、T500、离析率及 1h 经时损失）与强度，并制作限制膨胀大骨架试件检测限制膨胀率（水中 7d、空气中 28d），优选出符合要求的 D 组配合比。

（5）分别检测优选出的 B 组、C 组、D 组配合比混凝土各项工作性能及成本价格，选择性价比最高者作为设计配合比。

9 配合比试验结果汇总

各组混凝土选定配合比见表13。工作性能及强度检测结果见表14。

表13 C55 自密实补偿收缩混凝土配合比 kg/m3

表14 工作性能及强度检测结果

10 施工工艺及质量控制

10.1 施工准备工作

（1）湿接缝浇筑前，应对安装过程中变形的连接钢筋予以校正和调直，对损伤的连接件予以修补。

（2）湿接缝钢筋焊接时应对横向束波纹管进行覆盖，避免对波纹管造成破坏。

（3）连接钢筋应焊接，并应通过垫块保证连接钢筋的保护层厚度。

10.2 施工过程质量控制

（1）采用一次性购置同批次的砂石等地材拌制混凝土，减小自密实补偿收缩混凝土对原材料敏感度。

（2）采用坍落度扩展度、倒坍落度筒等试验原理进行试验，改进自密实补偿收缩混凝土工作性能评价方法，保障准确的施工配合比。

（3）在运输过程中，运输车内不得残留其他品种的混凝土，运输车每天使用完后应清洗干净。

（4）混凝土浇筑前注意应将相邻板侧面用水润湿，以保证新旧混凝土结合。

（5）混凝土浇筑时，通过运输罐车快速搅拌的二次搅拌功能提高自密实补偿收缩混凝土工作性能，减少自密实混凝土气泡和发泡层的出现。

（6）混凝土采用吊车配合料斗进行浇筑，浇筑按照跨为单位。湿接缝浇筑顺序严格按照设计图纸要求进行，标准跨桥面板湿接缝浇筑分三批次完成。

（7）混凝土浇筑时，按照规范要求分别留取标准养护和同条件养护抗压强度试块及限制膨胀率试件。

（8）采用土工布带蓄水养护的方式，加强保湿养护控制，避免干缩离缝、混凝土表面强度不足等质量缺陷。

（9）湿接缝混凝土应保湿养护不小于 7d，湿接缝混凝土强度达到 85% 设计强度前，不得在其上进行施工作业。

11 结语

（1）采用膨胀组分＋减缩组分＋内养护组分的复配技术，有效补偿收缩，预防混凝土裂缝的产生，且具有良好的力学性能和耐久性能。

（2）无缝施工技术使钢板和混凝土紧密结合协同工作，提高结构整体防水性能，使防水有限年限与结构寿命相同。

（3）施工过程中加强业务人员之间的信息传递，严格控制各道工序衔接紧凑，保证混凝土施工的连续性，从而控制自密实补偿收缩混凝土的施工质量。