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(wú)需振搗而可穿過(guò)鋼筋自行充滿(mǎn)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(guò)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(lèi)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(guò)鋼筋填滿(mǎn)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(kāi)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(wèn)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(mǎn)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(guò)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(guò)密集鋼筋，同時(shí)氣泡不易排除，故只能在鋼筋稀少的大倉(cāng)面內(nèi)應(yīng)用。

(2) 穩(wěn)定性好。自密實(shí)混凝土在流動(dòng)過(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)表1，德國(guó)和英國(guó)自密實(shí)混凝土拌和物試驗(yàn)見(jiàn)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(kāi)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(jiàn)圖2。試驗(yàn)時(shí)先向A室內(nèi)加滿(mǎn)混凝土，然后拉起活門(mén)，混凝土通過(guò)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(wú)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(mǎn)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(mén)，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(mǎn)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(mǎn)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(guò)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?lèi)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(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(jiàn)表4。由表4實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)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(guò)鋼筋，流滿(mǎn)整個(gè)模板空間自行密實(shí)，完成混凝土澆筑。

通過(guò)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(shuō)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(jiàn)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?xún)傻乐沃g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(wú)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(mǎn)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(mǎn)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(jiàn)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(mǎn)模板空間。經(jīng)過(guò)34h后拆模，經(jīng)檢查整個(gè)混凝土填充密實(shí)，沒(méi)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(méi)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(méi)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(kāi)始至10月結(jié)束，混凝土標(biāo)號(hào)為C30，混凝土方量約1 萬(wàn)m3?；炷翑嚢璨捎脧?qiáng)制式拌合站進(jìn)行，通過(guò)混凝土攪拌車(chē)將自密實(shí)混凝土運(yùn)送至施工現(xiàn)場(chǎng)，然后通過(guò)泵送或溜槽直接入倉(cāng)，混凝土通過(guò)自身重力穿過(guò)鋼筋而填滿(mǎn)整個(gè)倉(cāng)面，整個(gè)過(guò)程沒(méi)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(méi)有蜂窩或麻面，證明自密實(shí)混凝土施工質(zhì)量良好。

　 原作者： 張國(guó)志，劉秉京，徐長(zhǎng)生，屠柳青，雷宇芳
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