混凝土含氣量對C50 自密實(shí)鋼管混凝土膨脹性能的影響

摘　要: 　分析研究了混凝土拌合物的含氣量與膨脹性能的影響, 通過混凝土配合比的設(shè)計(jì)和優(yōu)選, 制備出了滿足泵送施工及各種設(shè)計(jì)要求的C50 微膨脹鋼管混凝土, 28 d 彈性模量3.8×104 M Pa 以上, 3 d 齡期時(shí)開始加載后, 持荷180 d 后徐變系數(shù)為1. 9。

關(guān)鍵詞: 　鋼管混凝土; 　配合比設(shè)計(jì)與優(yōu)化; 　含氣量; 　膨脹率

　　鋼管混凝土是將素混凝土填充在圓鋼管內(nèi)而形成的一種組合結(jié)構(gòu)材料。與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土相比,具有承載力高、重量輕、塑性韌性好、施工方便及節(jié)省水泥木材等優(yōu)點(diǎn)[ 1 ] , 因而在現(xiàn)代高層建筑和大跨徑拱橋中得到了廣泛的應(yīng)用。

　　眾所周知, 鋼管與核心混凝土間的套箍作用是鋼管混凝土具有一系列突出優(yōu)點(diǎn)的根本原因。要實(shí)現(xiàn)鋼管及其核心混凝土間的套箍作用, 必須使核心混凝土與鋼管壁緊密結(jié)合在一起。與普通鋼管混凝土相比, 鋼管高強(qiáng)膨脹混凝土被認(rèn)為是較為理想的鋼管混凝土[ 2 ]。這種材料的特點(diǎn)是核心混凝土中摻加了膨脹組分, 建立了前期主動(dòng)緊箍力, 使鋼管與核心混凝土在受荷載作用之前就產(chǎn)生緊箍力, 從而彌補(bǔ)了普通鋼管混凝土緊箍力出現(xiàn)太遲的缺陷, 改善了這種材料的工作性能[ 3, 4 ] , 但混凝土的含氣量對鋼管壁與混凝土的粘結(jié)有較大影響, 若混凝土含氣量過大, 在鋼管混凝土的泵送施工過程中會在泵送壓力和混凝土自重的作用下富集于鋼管內(nèi)壁, 造成鋼管壁與核心混凝土的脫粘, 從而影響鋼管混凝土性能的發(fā)揮。文中結(jié)合某鋼管混凝土拱橋工程實(shí)際情況, 試驗(yàn)研究了C50 核心混凝土的含氣量對其膨脹性能的影響, 以確定實(shí)際施工時(shí)C50 核心混凝土含氣量的范圍, 并將之應(yīng)用于宜萬鐵路長江大橋鋼管混凝土設(shè)計(jì)及施工中。

1　C50 自密實(shí)微膨脹鋼管混凝土研制

及其性能

1. 1　原材料

試驗(yàn)中所用的原材料如下:

　　水泥: 葛州壩42. 5 級普通硅酸鹽水泥; 粉煤灰:Ê 級粉煤灰; 砂: 中粗河砂, 細(xì)度模數(shù)2. 7, 含泥量<1. 0% , 泥塊含量< 0. 5%; 石: 5～ 25 mm 連續(xù)級配的碎石, 含泥量< 1% , 壓碎值8. 2% , 針片狀含量<10%; 拌合水: 潔凈自來水; 膨脹劑: 武漢浩源化學(xué)建材有限公司生產(chǎn)的U EA 系列膨脹劑; 高效減水劑:山東淄博銀凱華偉建材公司高效減水劑NO F2A S。

1. 2　C50 混凝土配合比試配

　　本研究的依托工程中, 采用C50 自密實(shí)鋼管混凝土, 混凝土灌注量較大, 要求單根鋼管一次泵送到頂, 單次連續(xù)施工時(shí)間長, 同時(shí)泵送高程大, 所以對混凝土工作性能要求較高: 坍落度達(dá)到220 mm , 3 h后坍落度仍保持在180 mm 以上; 不離析、不泌水,粘聚性能好。否則有可能對施工過程及混凝土質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

　　課題組經(jīng)大量混凝土試配及配合比優(yōu)化設(shè)計(jì),初步確定了如表1 所示的C50 混凝土配合比, 并按GBöT 50080—2002 標(biāo)準(zhǔn)及GBöT 50081—2002 進(jìn)行了混凝土坍落度、擴(kuò)展度及其經(jīng)時(shí)損失、凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度及彈性模量測試, 結(jié)果見表2。按GBJ 119—2003 方法進(jìn)行了混凝土的限制膨脹率測試, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表3 所示。

　　試驗(yàn)結(jié)果表明, 實(shí)驗(yàn)中所制備的C50 鋼管混凝土具有良好工作性能(表2) : 初始坍落度23 cm , 擴(kuò)展度60 cm 以上, 3 h 后坍落度仍達(dá)18 cm 以上, 且混凝土和易性好, 不離析、不泌水?；炷脸跄龝r(shí)間約18 h, 終凝時(shí)間約21 h, 能夠滿足鋼管混凝土泵送施工工藝的要求。同時(shí), 混凝土的強(qiáng)度發(fā)展很快, 其3 d抗壓強(qiáng)度就能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)號80% 以上, 混凝土28 d彈性模量值也列于表2 中。由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知, 該混凝土完全滿足的泵送施工和剛度要求。

1. 3　C50 微膨脹鋼管混凝土的含氣量及混凝土在

鋼管約束條件下的膨脹率

　　核心混凝土的含氣量對鋼管壁與混凝土的粘結(jié)有很大影響。若制備的核心混凝土氣體量過大, 在進(jìn)行鋼管混凝土的泵送頂升施工過程中, 這些氣體極易在泵送壓力和混凝土自身重力的作用下吸附于鋼管內(nèi)壁并富集而形成一層氣體膜, 抵消了核心混凝土的膨脹量, 易造成鋼管壁與混凝土脫粘。鋼管混凝土拱橋工程中, 混凝土頂升施工的泵送壓力一般為10～ 20M Pa, 據(jù)本課題組大量實(shí)際工程檢測及研究發(fā)現(xiàn), 鋼管混凝土的含氣量為2. 3%～ 3. 0% 時(shí), 在上述泵送壓力和混凝土的自重作用下, 當(dāng)有占混凝土體積0. 05%的氣體富集在鋼管內(nèi)壁處時(shí), 會造成混

　　凝土與鋼管內(nèi)壁間形成寬0. 11 mm 的圓環(huán)形間隙,因而要求核心混凝土的膨脹率至少要大于2. 5×10- 4才能有效防止脫粘現(xiàn)象的發(fā)生[ 5 ]。而在鋼管拱的拱頂附近, 氣體因混凝土重力沉降和泵送壓力等原因造成的吸附富集現(xiàn)象更為嚴(yán)重, 其產(chǎn)生脫粘的機(jī)率更大, 降低了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的整體性, 劣化了其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。

　　此外, 對于摻膨脹劑混凝土的膨脹率測量方法,有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定, 要求膨脹試件脫模后放入水中養(yǎng)護(hù)14 d, 此后再轉(zhuǎn)入空氣中養(yǎng)護(hù)。這一規(guī)定與鋼管混凝土所處的實(shí)際環(huán)境大不相同——混凝土處于鋼管密封條件下, 與外界基本上沒有濕度交換。

　　因而測得的混凝土膨脹率并不能真空反映鋼管混凝土中核心混凝土的膨脹情況。為此, 設(shè)計(jì)了能真實(shí)反映鋼管混凝土體積變形的模具(見圖1)?；炷凉嘧⒅? 在鋼管內(nèi)壁涂油, 并鋪設(shè)一層塑料薄膜,混凝土灌注之后用薄膜將混凝土包裹密封, 使之與外界無濕度交換?；炷凉嘧⒅蠓胖貌Ａ? 以便于千分表測頭的安放?；炷劣不? 頂部涂刷一層凡士林, 并安裝磁性表座及千分表, 以后按齡期讀取千分表數(shù)值, 由測試結(jié)果得到混凝土在鋼管約束條件下各齡期的膨脹率。對表1 中各組混凝土進(jìn)行了鋼管約束條件下的混凝土膨脹率測定, 結(jié)果見表4。

　　由實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表4、表7) 可知, 混凝土含氣量較小時(shí), 能有利于膨脹劑更好地發(fā)揮其膨脹效能, 因而混凝土約束條件下的膨脹率相應(yīng)也略高。

1. 4　C50 自密實(shí)鋼管混凝土配合比及徐變性能

　　通過以上試驗(yàn)的研究分析, 最后確定的C50 自密實(shí)鋼管混凝土的配合比為表5No. 4, 并依據(jù)GBJ 82—85 進(jìn)行了混凝土的徐變性能研究, 表8 為依據(jù)測試結(jié)果得到的混凝土徐變系數(shù)(混凝土3 d齡期時(shí)開始加載)。由表可知, 該混凝土在持荷180 d前徐變系數(shù)隨齡期延長而增加, 而在21～ 28 d 之前增幅較快, 持荷28 d 后徐變系數(shù)約占180 d 的80% ,此后增幅減緩, 180 d 時(shí)徐變系數(shù)為1. 9。

2　結(jié)　論

　　a. 核心混凝土含氣量對混凝土的膨脹率有較大影響, 當(dāng)含氣量減小時(shí), 混凝土約束條件下的膨脹率增加, 有利于膨脹劑更好地發(fā)揮其膨脹效能;

　　b. 經(jīng)混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì), 配制出了C50 自密實(shí)微膨脹鋼管混凝土。試驗(yàn)表明該混凝土具有良好的工作性能, 180 d 時(shí)混凝土的徐變系數(shù)為1. 9,滿足工程設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

　　[ 1 ]　蔡紹懷. 現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M ]. 北京: 人民交通出版社, 2003.

　　[2 ]　顧淦身. 儲存高膨脹能的延遲膨脹機(jī)理, 建筑物裂滲控制新技術(shù)(首屆全國混凝土膨脹劑學(xué)術(shù)交流會論文集)[J]. 北京: 中國建材工業(yè)出版社, 1994: 98～ 101.

　　[ 3 ]　李　悅, 胡曙光, 丁慶軍. 鋼管膨脹混凝土的研究及其應(yīng)用[J ]. 山東建材學(xué)院學(xué)報(bào), 2000, 14 (3) : 1892192.

　　[ 4 ]　潘友光. 圓鋼管砼軸心受力作用下本構(gòu)關(guān)系的研究及其應(yīng)用[D ]. 哈爾濱: 哈爾濱建工學(xué)院, 1989.

　　[5 ]　丁慶軍, 彭艷周, 何永佳, 等. 巫山長江大橋鋼管混凝土配合比設(shè)計(jì)與施工[J ]. 混凝土, 2006, (10) : 61264.