自密實混凝土的橋梁工程中的應(yīng)用
張國志1，劉秉京2，徐長生2，屠柳青2，雷宇芳2
（1） 武漢大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北武漢 430071
（2） 武漢港灣工程設(shè)計研究院，湖北武漢 430071
摘 要：自密實混凝土是目前國內(nèi)外混凝土界研究的熱點之一，由于自密實混凝土具有很高的流動性和適宜的粘度，無需振搗而可穿過鋼筋自行充滿整個模板空間。使用自密實混凝土可以節(jié)約勞動力、減少噪音污染。選用適宜的原材料和配合比可配制出C30～C50，甚至強度超過80MPa 的自密實混凝土。本文研究了自密實混凝土流動性的評價方法、物理力學(xué)性能并在潤揚長江大橋進行了成功應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：自密實混凝土；高效減水劑；耐久性
中圖分類號：U 444118 文獻標識碼：A 文章編號：1003-3688 (2004)01-0001-05
1 引言
自密實混凝土是一種同時具有高流動性和適當(dāng)粘度的混凝土，它能夠流過鋼筋填滿模板內(nèi)的所有空隙，在重力作用下自行密實。1983年日本研制開發(fā)了自密實混凝土。
有些結(jié)構(gòu)物鋼筋密集、斷面狹窄；有的待澆筑混凝土處于已有結(jié)構(gòu)的下方，難以用傳統(tǒng)方法有效澆筑，這些結(jié)構(gòu)混凝土常常不易得到完全搗實而形成缺陷，應(yīng)用自密實混凝土可以很好地解決這一問題。此外應(yīng)用自密實混凝土還有許多優(yōu)點，如：加快施工速度、節(jié)省勞動力、提高混凝土質(zhì)量、減少噪音污染、降低綜合造價等。由于自密實混凝土的許多優(yōu)點，世界上許多國家相繼進行了研究并在工程中得到了應(yīng)用。如瑞典應(yīng)用自密實混凝土減輕操作工人的勞動強度；荷蘭50% 的預(yù)制廠采用自密實混凝土；德國預(yù)制行業(yè)應(yīng)用自密實混凝土可降低造階3.5%～6.8%，并頒布了自密實混凝土技術(shù)規(guī)范；丹麥在地鐵和隧道中都應(yīng)用了自密實混凝土；日本在明石海峽大橋工程中大量應(yīng)用了自密實混凝土等。
2 新拌自密實混凝土的性能
與普通混凝土相比，自密實混凝土具有下述性能：
(1) 流動性好。自密實混凝土必須能夠流動并填滿模板內(nèi)每個角落，這要求混凝土具有很好的流動性。它與一般水下混凝土的不同之處在于它能流過密集的鋼筋并保證混凝土成份基本均勻。而水下不離析混凝土由于摻加纖維素或聚丙烯酰胺等，具有較大的粘性，不宜穿過密集鋼筋，同時氣泡不易排除，故只能在鋼筋稀少的大倉面內(nèi)應(yīng)用。
(2) 穩(wěn)定性好。自密實混凝土在流動過程中必須保證不離析、減少泌水。因此自密實混凝土的粘度應(yīng)適中，太大則易離析和泌水；太小則流動性差。
(3) 不會堵塞。自密實混凝土在流過密集鋼筋或狹窄空間時不能產(chǎn)生堵塞，為此應(yīng)減少粗骨料的粒徑和用量，增大膠凝材料比例或適量應(yīng)用增粘劑。自密實混凝土中小于80µm的粉體用量一般在500～600kg/m3之間。為降低混凝土收縮和水化熱，可適量摻加粉煤灰、礦渣、石灰石粉等摻合料。粗集料宜選用5～15mm或5～25mm粒級，其絕對體積宜為混凝土體積的0.28～0.33之間。自密實混凝土細集料體積應(yīng)占到砂漿體積的40%～50%為宜，同時自密實混凝土應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)高效減水劑。
我國目前工程應(yīng)用的基本上是粉體型自密實混凝土，即摻加高效減水劑和較多的膠凝材料，以保證足夠的粘性和流動性能，但過多的膠凝材料用量可能對混凝土耐久性能有害。日本應(yīng)用較多的則是增粘型自密實混凝土，其增粘劑一般為多糖。各國對自密實混凝土性能要求不盡相同，日本土木學(xué)會對自密實混凝土的填充性能等級規(guī)定見表1，德國和英國自密實混凝土拌和物試驗見表2、3。
3 試驗方法
3.1 坍落流動度
參考有關(guān)標準做坍落度試驗，垂直提起坍落度筒，記錄混凝土坍?dāng)U度流到500mm的時間，并量取流動終止后的最大直徑即為坍落流動度。
3.2 漏斗流下時間
漏斗試驗裝置如圖1 所示，適用于最大粗骨料粒徑為25mm的混凝土試驗。試驗時將拌和物均勻地倒入漏斗內(nèi)，直到混凝土面與漏斗上口齊平，然后打開下出口，記錄混凝土全部流出所需時間即為漏斗流下時間。
3.3 U形箱填充高度試驗
U形裝置適用于粗骨料最大粒徑為25mm的混凝土試驗，試驗裝置見圖2。試驗時先向A室內(nèi)加滿混凝土，然后拉起活門，混凝土通過障礙流到B室，待混凝土停止流動后，量取B室混凝土的上升高度。
3.4 填充度試驗
試驗裝置如圖3，試驗時混凝土從無銅棒端加入，填到220mm高度，待箱內(nèi)混凝土停止流動時停加料，在箱體高度220mm下分為A和B兩部分，A為填滿混凝土部分，B為未填混凝土部分。填密度= A/(A+B)×100%。自密實混凝土填密度以不小于90%為宜。
3.5 L 形流動度試驗方法
L 形試驗裝置如圖4 所示，往L形箱體垂直部分加入12.7L的混凝土拌和物，靜置1min， 拉起活門，混凝土自垂直部分流向水平部分，測量流動20mm和40mm距離的時間，量取H1和H2的高度，H2/H1不應(yīng)小于0.80。
4 自密實混凝土配合比設(shè)計原則
由于自密實混凝土必須具有高流動性和適宜的粘度，新拌混凝土應(yīng)滿足如下要求：a)坍落流動度：500～600mm；b)流到500mm 時間5～15s；c) 漏斗流下時間5～20s；d)填密度≥90%；e)U 形或箱形填滿高度>300mm。
根據(jù)結(jié)構(gòu)條件、施工條件及對混凝土性能的要求選用膠凝材料，如混凝土凝結(jié)時間、水化熱溫升、強度、耐久性能等。膠凝材料可采用普通水泥+ 礦渣+ 粉煤灰、中熱水泥+礦渣+粉煤灰或礦渣水泥+粉煤灰等粉體形式。粗骨料最大粒徑以不超過25mm為宜，對于鋼筋間距較大的混凝土，也可應(yīng)用最大粒徑為40mm的粗集料。混凝土外加劑可采用聚羧酸類高效減水劑，氨基磺酸鹽高效減水劑或萘系高效減水劑。自密實混凝土配合比設(shè)計要點如下：
(1) 選擇硅酸鹽水泥或中熱硅酸鹽水泥+礦渣+粉煤灰的三粉體膠凝材料或摻加粉煤灰和硅灰。膠凝材料用量以500～600 kg/m3為宜；
(2) 選定粗骨料最大粒徑為25mm或20mm，粗集料絕對體積為0.28～0.33m3/m3；
(3) 根據(jù)以往經(jīng)驗，采用高效減水劑，根據(jù)流動性要求選擇用水量。例如普通自密實混凝土用水量180～200 kg/m3，高強自密實混凝土用水量160～180 kg/m3，可根據(jù)強度和耐久性要求調(diào)整；
(4) 根據(jù)膠凝材料用量、用水量及粗集料用量計算細集料用量，控制細集料用量為砂漿體積的40%～50%；
(5) 采用高效減水劑的摻量為0.8%～1.2%，根據(jù)流動性要求調(diào)整；
(6) 用上述配比進行坍落流動度、流動速度，漏斗流出時間及填密度試驗，最終確定配合比。
5 自密實混凝土的物理力學(xué)性能
5.1 普通強度等級自密實混凝土試驗
中港二航局科研所進行了自密實混凝土試驗，采用4215 普通水泥，二級粉煤灰，5～15mm 碎石和氨磺酸鹽復(fù)合外加劑(CAN)，試驗結(jié)果見表4。由表4實驗結(jié)果說明，采用氨基磺酸鹽復(fù)合外加劑，摻加35%的粉煤灰，混凝土具有良好的流動性，適當(dāng)?shù)恼扯?，不離析，均勻性好，有良好的填充性能，在90min內(nèi)可以保持自密實混凝土的性能，用于實際結(jié)構(gòu)混凝土的施工，可以越過鋼筋，流滿整個模板空間自行密實，完成混凝土澆筑。
通過合理的配合比設(shè)計及外加劑選擇，可配制出C30～C50不同等級的自密實混凝土，其混凝土初始性能：(1) 坍流度65±5 cm；(2) 流動速度為8s左右；(3) 漏斗流下時間為9s左右；(4) 填密度大于95%。90min后，該混凝土坍流度及填密度變化很小，說明所用外加劑CAN具有保持坍落度損失的功能。
5.2 高強自密實混凝土試驗
應(yīng)用華新5215普通水泥，二級粉煤灰，比表面積為530m2/kg 的礦渣和埃肯硅灰進行了高強自密實混凝土試驗，試驗結(jié)果見表5。從試驗結(jié)果可以看出：
(1) 膠凝材料600kg/m3摻加粉煤灰、礦渣、硅灰可以拌制坍落流動度65cm以上，流到擴展廣度50cm時間在10s左右， 漏斗流下時間為11s左右，填密度大于90%的自密實混凝土，其28 d 抗壓強度可達80M Pa 以上；
(2) 單摻硅灰的混凝土自密實性能較低于硅灰復(fù)合粉煤灰與礦渣的自密實混凝土；
(3) 純水泥自密實混凝土不僅坍落流動性能、漏斗流下時間和填密度諸性能低于摻輔助膠凝材料的自密實混凝土，且抗壓強度也較低。
6 自密實混凝土在工程中應(yīng)用
6.1 工程概況
潤揚長江公路大橋南汊懸索橋E1 標北錨碇基礎(chǔ)為長69m，寬50m，深48m的特大深基坑，是整座大橋的控制性工程，其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)從下往上依次為混凝土底板、填芯結(jié)構(gòu)和頂蓋板。填芯結(jié)構(gòu)施工時需在底板上施工內(nèi)襯墻和內(nèi)隔墻，以兩道支撐之間的高度作為一次支模的高度澆筑混凝土。由于基坑內(nèi)支撐體系的阻擋，內(nèi)襯墻混凝土澆筑時頂面無法振搗。為保證混凝土的施工質(zhì)量，我們決定采用自密實混凝土技術(shù)施工內(nèi)襯墻，并在現(xiàn)場根據(jù)施工情況進行了兩次模擬試驗，試驗效果良好，完全可以滿足施工要求。
6.2 自密實混凝土配合比
2002年4月在潤揚大橋工地試驗室利用現(xiàn)場原材料進行了現(xiàn)場試驗并根據(jù)試驗具體情況進行了配合比調(diào)整。經(jīng)試驗四組配合比均能滿足《日本自密實混凝土技術(shù)規(guī)范》要求，其中1～2組配合比略有泌水，經(jīng)調(diào)整為3～4組配合比后泌水消失?？紤]到《鋼筋混凝土施工技術(shù)規(guī)范》中粉煤灰取代水泥最大限量的要求，確定第4組配合比為現(xiàn)場應(yīng)用。具體配合比見表6、表7。
6.3 現(xiàn)場模擬試驗塊的澆筑
現(xiàn)場澆筑試驗根據(jù)E1標基坑工程具體施工情況，按兩種工況設(shè)計了尺寸為300cm×110cm×95cm和256cm×193cm×90cm的兩塊試塊，在待澆混凝土上方覆蓋有預(yù)制混凝土板，并分別鉆ø15cm的圓孔作為進料和排氣。
模擬試驗原材料由現(xiàn)場提供，采用攪拌站拌合混凝土，利用下料漏斗直接澆筑至混凝土全部充滿模板空間。經(jīng)過34h后拆模，經(jīng)檢查整個混凝土填充密實，沒有蜂窩、狗洞、掉角及麻面等現(xiàn)象。48h后吊起上蓋板，檢查混凝土頂面，整個混凝土表面平整，沒有蜂窩等不密實現(xiàn)象。同時選取6個部位進行了鉆芯取樣。從芯樣觀察，混凝土內(nèi)部非常密實，沒有缺陷，芯樣強度3d、7d、28d分別為2917MPa，3516MPa和4215MPa，完全達到了設(shè)計等級?；炷翝仓Ч己?，完全達到了預(yù)期的目的。
6.4 現(xiàn)場施工情況
潤揚大橋E1標北錨碇基礎(chǔ)內(nèi)襯墻自密實混凝土施工自2002年5月中旬開始至10月結(jié)束，混凝土標號為C30，混凝土方量約1 萬m3。混凝土攪拌采用強制式拌合站進行，通過混凝土攪拌車將自密實混凝土運送至施工現(xiàn)場，然后通過泵送或溜槽直接入倉，混凝土通過自身重力穿過鋼筋而填滿整個倉面，整個過程沒有進行人工振搗。經(jīng)兩天后拆模，混凝土表面平整、光滑，沒有蜂窩或麻面，證明自密實混凝土施工質(zhì)量良好。
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