自密实高性能混凝土在钢管混凝土拱桥中的应用研究

　　【摘　要】本文综述了自密实混凝土的特点、国内外研究情况，论述了自密实混凝土在钢管混凝土拱桥中应用研究的方法和技术路线，并针对莆田阔口大桥的建设进行了相关配合比试验研究。

　　【关键词】自密实混凝土 钢管拱桥 试验研究

　　1 自密实混凝土在国内外的研究情况

　　自密实高性能混凝土是日本东京大学教授冈村甫率先提出的，80年代后半期冈村甫教授首次开发了"不振捣的高耐久性混凝土"。日本在90年代有采用免振捣自密实混凝土的工程实例。1996年冈村甫教授在美国泰克萨斯大学讲学，介绍了自密实混凝土的概念、性能和工程实例。美国也有自密实混凝土的实例。美国对钢筋混凝土结构，仍强调需要适当振捣以确保钢筋混凝土结构的力学性能。

　　在我国，90年代清华大学开始进行自密实混凝土的研究，近年来国内不少单位对自密实混凝土开展了较多的研究并取得了可喜的成果，如福州大学对自密实混凝土的配制、自密实钢筋混凝土配筋结构的力学性能、自密实混凝土在钢筋混凝土结构工程中的应用等进行了系列研究。但至今尚缺少钢管自密实混凝土结构的力学性能及实际工程的应用研究，因此开展相关的研究工作很有必要。

　　2 研究的意义

　　在世界范围内，随着混凝土工程不断向大规模化、复杂化、高层化方面发展，钢筋混凝土体内配筋越来越复杂，施工难度很大，与此同时城市噪音也越来越成为重要的问题，因此高流态混凝土的研究受到人们广泛重视。自密实混凝土是在较低水灰比条件下，通过使用复合高效减水剂等外加剂和矿物细掺料配制的比一般流态混凝土的流动性更好，具备更良好的抗分离性、填充性、优良的穿越稠密钢筋间隙性能的新型材料。该混凝土拌合物在较低的水胶比下不经振捣仅靠自重就能填充到复杂模型的各个角落，使其具有均匀自密实成型性能。自密实混凝土为改善和解决过密配筋、薄壁、复杂形体等振捣困难的工程施工条件带来了极大的方便，因此非常适合用于无法振捣的钢管混凝土拱桥中。

　　钢管混凝土结构以其承载力高、塑性和抗震性能好、经济效果显著和施工简便等优点,自六七十年代开始就受到工程界的重视,特别是近年来,钢管混凝土结构正被大规模地应用于公路桥梁中。

　　钢管混凝土的管内混凝土强度等级要求在c30级以上,且高强度等级混凝土的应用越来越多。为便于浇筑,要求混凝土坍落度大,和易性好,且不泌水不离析同时为充分发挥钢管套箍作用,要求混凝土的收缩率小,填充饱满。而自密实高性能混凝土是在较低的水胶比下不经振捣仅靠自重就能填充到复杂模型的各个角落，具有均匀自密实成型的性能，又保证混凝土硬化后具有优良的力学性能和优异的耐久性能。自密实高性能混凝上应用在钢管混凝土结构中，对方便钢管混凝土的施工，确保工程质量、降低工程成本都将具有主要的作用，并将取得显著的经济、技术效益

　　3 研究方法与技术路线

　　首先按照当地的水泥、石子、砂、粉煤灰等原材料进行自密实混凝土的配合比试验研究，得出较为优化的实验室配合比。将此配合比在混凝土搅拌站实验室再进行试配，并适当调整。为了使实际工程的施工顺利，按照一定比例制作钢管，模拟实际施工顺序进行现场试泵自密实混凝土。在以上试验研究的基础上，研究并提出钢管自密实拱桥的方案。

　　4 自密实混凝土配合比优化试验

　　4.1 自密实混凝土配合比的优化方法

　　⑴ 优选原材料，降低胶结料用量，在保证自密实混凝土工作性同时，尽量降低砂率，并优化集料级配。自密实混凝土拌合物的砂率值，对混凝土拌合物的工作性能有很大影响。由于自密实混凝土要求有较好的流动性，因此砂率一般比普通混凝土或泵送混凝土会大一些。当自密实混凝土的砂率值较小时，拌合物中粗集料体积含量太大，容易使自密实混凝土穿越狭窄间隙时堵塞，影响自密实混凝土的穿越能力。当砂率较大时，拌合物通过间隙的能力较好，但砂率过大会使混凝土硬化后弹性模量降低，也会使混凝土的粘性增大，影响拌合物的流动性。因此在保证混凝土拌和物工作性的同时，应尽量降低自密实混凝土的砂率，以使其具有较好的变形抵抗能力。同普通混凝土一样，自密实混凝土骨料的间隙要由浆体来填充，当骨料级配较差时，骨料的空隙率很大，大量的浆体被用于填充空隙，此时混凝土的胶结料用量较高。因此，在进行自密实混凝土的配制时，应对骨料的级配给予足够的重视。[Page]

　　⑵ 在混凝土拌合物中加入矿物细掺料，由于矿物细掺料颗粒较细，比表面积较大，增加了浆体的保水能力和触变性，提高拌合物的抗分离能力。特别是掺入粉煤灰作为矿物细掺料，可以发挥其形态效应，增加混凝土的和易性。通过掺加矿物细掺料来改善自密实混凝土的工作性，不仅可以避免掺加增粘剂带来的不利影响，而且可以节约造价，因此是配制自密实混凝土首选的方法。

　　⑶ 合理选用或配制复合高效减水剂。外加剂在配制自密实混凝土中起到主导作用，是能否配制成功的关键所在。随着我国外加剂工业的发展，可供选择的高效（高性能）减水剂的品种越来越多，由于自密实混凝土对外加剂比较敏感，应精心选择合适的外加剂。首先应该选择性能稳定，对用水量不是很敏感的减水剂。在我们的试验中发现，有的产品，只要加水量稍有变化，拌合物的坍落度就有很大差别，这种外加剂容易使拌合物离析，难以自密实成型。而有的外加剂则不然。这一方面与外加剂的品种有关，比如，使用聚羧酸型的外加剂混凝土拌合物比较不容易离析。另外，也与产品的生产方法、原材料来源有关，比如，我们在试验中发现同是萘系的减水剂，其对用水量的敏感性就有较大区别。当外加剂分子中有杂环时，不易造成混凝土拌合物的离析，采用不同原料的两种萘系高效减水剂进行复合，可对自密实混凝土的抗离析性有显著效果。

　　⑷ 合理采用增粘剂以提高混凝土拌合物抵抗分离的能力。增粘剂能显著地增加水溶液的粘度，解决高流动度、高扩展度的新拌混凝土的变形能力和抗离析性的矛盾，提高自密实混凝土的稳定性，充填性。常用的增粘剂有纤维素乙醚衍生物和乙烯基的聚合物等。增粘剂的掺入对自密实混凝土的工作性有一定的调节作用，但是一般掺入增粘剂会使混凝土硬化后的强度有所损失。当混凝土拌和物中外加剂成分复杂时，可能会产生不良反应，对混凝土的强度或工作性造成损失，因此在使用增粘剂时应十分谨慎。不仅要通过试验来确定合适的品种，而且掺入量要合理。国外常用的一种增粘剂是微生物源的多糖类物质，称welan gum，是由高分子量的多糖物质需氧发酵制成的。据报道有较好的稳定性和增粘效果。

　　4.2 试验原材料及优化配合比

　　在原材料的选用方面，直接采用莆田当地工程材料。

　　水泥：采用福建三德42.5普通硅酸盐水泥。

　　矿物细掺料：福建华能电厂ⅱ级粉煤灰。

　　砂：莆田河砂，细度模数为mx=2.5。

　　石子：莆田青山混凝土有限公司生产的碎石， 5～20mm连续级配。

　　外加剂：以fdn萘系高效减水剂为主的复合外加剂以及多羧酸系减水剂。

　　水：普通自来水。

　　5 自密实混凝土在钢管混凝土拱桥中的应用前景

　　自密实混凝土是在较低水灰比条件下，通过使用复合高效减水剂等外加剂和矿物细掺料配制的比一般流态混凝土的流动性更好，具备更良好的抗分离性、填充性、优良的穿越稠密钢筋间隙性能的新型材料。该混凝土拌合物在较低的水胶比下不经振捣仅靠自重就能填充到复杂模型的各个角落，使其具有均匀自密实成型性能。自密实混凝土消除了浇筑混凝土时的振捣噪声，提高了施工速度与质量，实现了混凝土浇筑时的省力化，为改善和解决过密配筋、薄壁、复杂形体等振捣困难的工程施工条件带来了极大的方便。

　　钢管混凝土具有承载力高、塑性和抗震性能好、经济效果显著和施工简便等优点,自六七十年代开始,受到工程界重视。自1990年以来，已由国家建材总局、中国工程建设标准化协会和国家经贸委分别制订了钢管混凝土结构设计与施工规程。近年来钢管混凝土结构已应用于桥梁工程中，显示了其优异的结构受力性能。将自密实混凝土技术与钢管混凝土技术结合起来，对加快施工进度、保证工程质量具有重要的意义，亦将取得技术效益和经济效益，因此其研究具有很好的应用前景。

作者：林国霖