自密實(shí)混凝土的橋梁工程中的應(yīng)用
張國(guó)志1，劉秉京2，徐長(zhǎng)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(jì)研究院，湖北武漢 430071
摘 要：自密實(shí)混凝土是目前國(guó)內(nèi)外混凝土界研究的熱點(diǎn)之一，由于自密實(shí)混凝土具有很高的流動(dòng)性和適宜的粘度，無需振搗而可穿過鋼筋自行充滿整個(gè)模板空間。使用自密實(shí)混凝土可以節(jié)約勞動(dòng)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(qiáng)度超過80MPa 的自密實(shí)混凝土。本文研究了自密實(shí)混凝土流動(dòng)性的評(píng)價(jià)方法、物理力學(xué)性能并在潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋進(jìn)行了成功應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：自密實(shí)混凝土；高效減水劑；耐久性
中圖分類號(hào)：U 444118 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-3688 (2004)01-0001-05
1 引言
自密實(shí)混凝土是一種同時(shí)具有高流動(dòng)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(shí)。1983年日本研制開發(fā)了自密實(shí)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(shí)而形成缺陷，應(yīng)用自密實(shí)混凝土可以很好地解決這一問題。此外應(yīng)用自密實(shí)混凝土還有許多優(yōu)點(diǎn)，如：加快施工速度、節(jié)省勞動(dòng)力、提高混凝土質(zhì)量、減少噪音污染、降低綜合造價(jià)等。由于自密實(shí)混凝土的許多優(yōu)點(diǎn)，世界上許多國(guó)家相繼進(jìn)行了研究并在工程中得到了應(yīng)用。如瑞典應(yīng)用自密實(shí)混凝土減輕操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；荷蘭50% 的預(yù)制廠采用自密實(shí)混凝土；德國(guó)預(yù)制行業(yè)應(yīng)用自密實(shí)混凝土可降低造階3.5%～6.8%，并頒布了自密實(shí)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(shí)混凝土；日本在明石海峽大橋工程中大量應(yīng)用了自密實(shí)混凝土等。
2 新拌自密實(shí)混凝土的性能
與普通混凝土相比，自密實(shí)混凝土具有下述性能：
(1) 流動(dòng)性好。自密實(shí)混凝土必須能夠流動(dòng)并填滿模板內(nèi)每個(gè)角落，這要求混凝土具有很好的流動(dòng)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(shí)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(shí)混凝土在流動(dòng)過程中必須保證不離析、減少泌水。因此自密實(shí)混凝土的粘度應(yīng)適中，太大則易離析和泌水；太小則流動(dòng)性差。
(3) 不會(huì)堵塞。自密實(shí)混凝土在流過密集鋼筋或狹窄空間時(shí)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(shí)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(jí)，其絕對(duì)體積宜為混凝土體積的0.28～0.33之間。自密實(shí)混凝土細(xì)集料體積應(yīng)占到砂漿體積的40%～50%為宜，同時(shí)自密實(shí)混凝土應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)高效減水劑。
我國(guó)目前工程應(yīng)用的基本上是粉體型自密實(shí)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(dòng)性能，但過多的膠凝材料用量可能對(duì)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(shí)混凝土，其增粘劑一般為多糖。各國(guó)對(duì)自密實(shí)混凝土性能要求不盡相同，日本土木學(xué)會(huì)對(duì)自密實(shí)混凝土的填充性能等級(jí)規(guī)定見表1，德國(guó)和英國(guó)自密實(shí)混凝土拌和物試驗(yàn)見表2、3。
3 試驗(yàn)方法
3.1 坍落流動(dòng)度
參考有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)做坍落度試驗(yàn)，垂直提起坍落度筒，記錄混凝土坍?dāng)U度流到500mm的時(shí)間，并量取流動(dòng)終止后的最大直徑即為坍落流動(dòng)度。
3.2 漏斗流下時(shí)間
漏斗試驗(yàn)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(yàn)。試驗(yàn)時(shí)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(shí)間即為漏斗流下時(shí)間。
3.3 U形箱填充高度試驗(yàn)
U形裝置適用于粗骨料最大粒徑為25mm的混凝土試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置見圖2。試驗(yàn)時(shí)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(dòng)后，量取B室混凝土的上升高度。
3.4 填充度試驗(yàn)
試驗(yàn)裝置如圖3，試驗(yàn)時(shí)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(dòng)時(shí)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(shí)混凝土填密度以不小于90%為宜。
3.5 L 形流動(dòng)度試驗(yàn)方法
L 形試驗(yàn)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(cè)量流動(dòng)20mm和40mm距離的時(shí)間，量取H1和H2的高度，H2/H1不應(yīng)小于0.80。
4 自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)原則
由于自密實(shí)混凝土必須具有高流動(dòng)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(dòng)度：500～600mm；b)流到500mm 時(shí)間5～15s；c) 漏斗流下時(shí)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(duì)混凝土性能的要求選用膠凝材料，如混凝土凝結(jié)時(shí)間、水化熱溫升、強(qiáng)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(duì)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?；炷镣饧觿┛刹捎镁埕人犷惛咝p水劑，氨基磺酸鹽高效減水劑或萘系高效減水劑。自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)要點(diǎn)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(duì)體積為0.28～0.33m3/m3；
(3) 根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，采用高效減水劑，根據(jù)流動(dòng)性要求選擇用水量。例如普通自密實(shí)混凝土用水量180～200 kg/m3，高強(qiáng)自密實(shí)混凝土用水量160～180 kg/m3，可根據(jù)強(qiáng)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(jì)算細(xì)集料用量，控制細(xì)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(dòng)性要求調(diào)整；
(6) 用上述配比進(jìn)行坍落流動(dòng)度、流動(dòng)速度，漏斗流出時(shí)間及填密度試驗(yàn)，最終確定配合比。
5 自密實(shí)混凝土的物理力學(xué)性能
5.1 普通強(qiáng)度等級(jí)自密實(shí)混凝土試驗(yàn)
中港二航局科研所進(jìn)行了自密實(shí)混凝土試驗(yàn)，采用4215 普通水泥，二級(jí)粉煤灰，5～15mm 碎石和氨磺酸鹽復(fù)合外加劑(CAN)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(shí)混凝土的性能，用于實(shí)際結(jié)構(gòu)混凝土的施工，可以越過鋼筋，流滿整個(gè)模板空間自行密實(shí)，完成混凝土澆筑。
通過合理的配合比設(shè)計(jì)及外加劑選擇，可配制出C30～C50不同等級(jí)的自密實(shí)混凝土，其混凝土初始性能：(1) 坍流度65±5 cm；(2) 流動(dòng)速度為8s左右；(3) 漏斗流下時(shí)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(qiáng)自密實(shí)混凝土試驗(yàn)
應(yīng)用華新5215普通水泥，二級(jí)粉煤灰，比表面積為530m2/kg 的礦渣和?？瞎杌疫M(jìn)行了高強(qiáng)自密實(shí)混凝土試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。從試驗(yàn)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(dòng)度65cm以上，流到擴(kuò)展廣度50cm時(shí)間在10s左右， 漏斗流下時(shí)間為11s左右，填密度大于90%的自密實(shí)混凝土，其28 d 抗壓強(qiáng)度可達(dá)80M Pa 以上；
(2) 單摻硅灰的混凝土自密實(shí)性能較低于硅灰復(fù)合粉煤灰與礦渣的自密實(shí)混凝土；
(3) 純水泥自密實(shí)混凝土不僅坍落流動(dòng)性能、漏斗流下時(shí)間和填密度諸性能低于摻輔助膠凝材料的自密實(shí)混凝土，且抗壓強(qiáng)度也較低。
6 自密實(shí)混凝土在工程中應(yīng)用
6.1 工程概況
潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江公路大橋南汊懸索橋E1 標(biāo)北錨碇基礎(chǔ)為長(zhǎng)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(shí)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(shí)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(shí)混凝土技術(shù)施工內(nèi)襯墻，并在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)施工情況進(jìn)行了兩次模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)效果良好，完全可以滿足施工要求。
6.2 自密實(shí)混凝土配合比
2002年4月在潤(rùn)揚(yáng)大橋工地試驗(yàn)室利用現(xiàn)場(chǎng)原材料進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并根據(jù)試驗(yàn)具體情況進(jìn)行了配合比調(diào)整。經(jīng)試驗(yàn)四組配合比均能滿足《日本自密實(shí)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(chǎng)應(yīng)用。具體配合比見表6、表7。
6.3 現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)塊的澆筑
現(xiàn)場(chǎng)澆筑試驗(yàn)根據(jù)E1標(biāo)基坑工程具體施工情況，按兩種工況設(shè)計(jì)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(jìn)料和排氣。
模擬試驗(yàn)原材料由現(xiàn)場(chǎng)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(gè)混凝土填充密實(shí)，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(gè)混凝土表面平整，沒有蜂窩等不密實(shí)現(xiàn)象。同時(shí)選取6個(gè)部位進(jìn)行了鉆芯取樣。從芯樣觀察，混凝土內(nèi)部非常密實(shí)，沒有缺陷，芯樣強(qiáng)度3d、7d、28d分別為2917MPa，3516MPa和4215MPa，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)等級(jí)?；炷翝仓Ч己?，完全達(dá)到了預(yù)期的目的。
6.4 現(xiàn)場(chǎng)施工情況
潤(rùn)揚(yáng)大橋E1標(biāo)北錨碇基礎(chǔ)內(nèi)襯墻自密實(shí)混凝土施工自2002年5月中旬開始至10月結(jié)束，混凝土標(biāo)號(hào)為C30，混凝土方量約1 萬m3?；炷翑嚢璨捎脧?qiáng)制式拌合站進(jìn)行，通過混凝土攪拌車將自密實(shí)混凝土運(yùn)送至施工現(xiàn)場(chǎng)，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(gè)倉面，整個(gè)過程沒有進(jìn)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(shí)混凝土施工質(zhì)量良好。
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