自密实钢管混凝土的研究与应用
摘要：采用自密实混凝土作为钢管核心混凝土，针对钢管混凝土的受力特点和施工工艺，进行自密实混凝土材料的选择和配合比优化。为了确保自密实钢管混凝土的顺利施工和硬化后良好的力学、变形性能，进行了自密实钢管混凝土与普通泵送钢管混凝土拱的现场模拟施工对比试验，以及钢管混凝土短柱的轴心受压对比试验。试验结果表明，自密实混凝土作为钢管核心混凝土，其施工性能明显优于普通泵送混凝土，在施工过程中不泌水、不离析，硬化的混凝土能在各截面上均匀分布；自密实钢管混凝土短柱的组合弹性模量、极限承载力和延性以及后期承载能力方面均与普通泵送混凝土短柱相似。在此基础上，成功地将自密实混凝土应用于莆田市一钢管混凝土拱桥工程，应用结果表明，采用自密实混凝土技术，钢管混凝土拱桥施工顺利、快捷，且更好地保证了工程质量，同时混凝土材料造价与普通泵送混凝土基本持平。
关键词：自密实混凝土； 钢管混凝土；配合比优化；力学性能；钢管混凝土拱桥；工程应用
0 引言
近年来钢管混凝土的发展在我国取得了令人瞩目的成就，在高层、大跨结构中的应用逐年增多，然而无论是高层建筑物的钢管混凝土柱，还是钢管混凝土拱桥，都存在着钢管核心混凝土在施工中振捣困难，甚至无法振捣的问题。众所周知，钢管与其核心混凝土间的协同互补作用是钢管混凝土具有一系列突出优点的根本所在，混凝土浇筑质量直接影响到构件的承载力和钢管混凝土的复合弹性模量，从而影响到构件的安全性和能否正常工作，因此钢管核心混凝土的质量应该引起足够的重视[1 ] 。
本文采用自密实混凝土(SCC) 作为钢管核心混凝土，通过现场泵送模拟施工试验、钢管混凝土短柱的轴心受压试验以及实际工程应用证明，钢管内填自密实混凝土既能满足设计所要求的强度、弹性模量等指标，又具有良好施工性能，混凝土不仅可以在钢管内密实成型，而且混凝土材料在施工中始终保持均匀。
1 自密实混凝土配合比优化
1.1 自密实混凝土配合比设计的特点
自密实混凝土是无需振捣，依靠自重在模板内密实成型的混凝土。配制自密实混凝土的难点在于：混凝土在新拌阶段不离析、不板结，在入模前始终具有工程需要的填充性、穿越性和均匀性；硬化后具有良好的体积稳定性，符合工程和环境对其力学性能、变形性能和耐久性能的要求。
然而为了获得高流动性，在自密实混凝土配合比设计上常常存在一些误区，如不恰当地增大用水量、胶凝材料总量或者采用过大的砂率等，导致混凝土在新拌阶段缺乏稳定性，严重离析、泌水；在硬化后均匀性差，容重低于正常混凝土[2 ] ，弹性模量低，体积稳定性不好等等。这样的混凝土带来工程质量的隐患是必然的。
为了发挥自密实混凝土的优势，确保工程质量，同时尽可能降低工程材料造价，必须优化自密实混凝土的配合比。应根据不同工程的实际需要，对新拌自密实混凝土的工作性，硬化后的力学性能(强度、弹性模量) 、变形性能(抗裂性、体积稳定性等) ，以及长期使用中的耐久性提出明确的指标，通过选择合适的原材料，优化配合比等来保证自密实混凝土的高质量与良好的经济性。
1.2 自密实混凝土配合比设计与优化
1.2.1 配制目标的设定
根据工程特点和环境条件，设定合适的配制目标是自密实混凝土配合比设计的第一步。钢管混凝土结构的浇筑方法一般有高位抛落法和泵送顶升法，在施工过程中混凝土浇筑线路长，施工过程本身对混凝土的扰动大，而钢管混凝土构件又多为垂直构件，因此要求新拌混凝土不仅能靠自重填充密实，而且具有良好的静态稳定性和动态稳定性[3 ] ，在施工过程中始终保持均匀，不离析，不泌水；此外，为了保证钢管与混凝土更好地共同受力，还要求混凝土弹性模量高，收缩量小，与钢管壁粘结牢靠。
1.2.2 原材料选择
选择合适的原材料是成功配制自密实混凝土的关键。其中骨料和外加剂起了决定性的作用。我国大多数地区采用颚式破碎机生产碎石，即使在针片状含量没有超标的情况下，碎石的粒形通常也是相当扁的。囿于当地碎石供应条件的限制，本文在早期采用一次破碎成型的碎石试配自密实混凝土。大量的试验结果表明，即使在胶凝材料用量相当高(约600kg/m3) 的情况下也往往无法保证新拌混凝土的稳定性，虽然坍落度和坍落流动度看似达到了自密实混凝土的要求，然而混凝土拌合物表现出离析、板结、粘滞，无法满足自密实混凝土对穿越能力和抗离析能力的要求。为此，通过与碎石生产商协商，要求其采用新的夹片并将一次成型的骨料进行二次回破，骨料的粒形有了明显的改善。在此基础上，为了改善碎石级配，在配合比中将5mm～10mm 和10mm～25mm 两种粒径进行混合。
适合泵送混凝土的外加剂并不一定都可以用于自密实混凝土，为了尽量降低胶凝材料用量并获得新拌阶段良好的流动性和稳定性，需要选择减水率较高、不易导致离析的减水剂。合适的引气量有利于新拌混凝土的抗离析能力，然而过多的、不稳定的气泡又常常导致混凝土不均匀、湿容重偏低、硬化后弹性模量低、变形大等缺点。在以往自密实混凝土配制经验的基础上，考虑经济与外加剂的供应情况，本文采用以萘系为主的复合高效减水剂，成功地解决了自密实混凝土新拌阶段的稳定性问题。
此外根据当地的资源情况，选用三德牌42.5 普通硅酸盐水泥，华能Ⅱ级粉煤灰和细度模数2.8 的河砂。
1.2.3 配合比参数的选择
首先量化钢管自密实混凝土的配制目标：根据设计要求，强度等级为C40 ，考虑到钢管混凝土内部没有密集钢筋，对自密实混凝土新拌阶段穿越能力的要求可以适当放低。设定坍落度为250mm 左右，坍落流动度在500mm～600mm 之间，拌合物目测稳定性指标为0 级[4 ] 。为了保证硬化混凝土的弹性模量正常，本文设定在掺大量粉煤灰的情况下混凝土的湿容重不低于2350kg/ m3 。
在材料选定的情况下，要达到既定的配合比设计目标，需要综合考虑并合理选取各种材料的用量与比例。为了满足钢管混凝土对弹性模量和体积稳定性的要求并降低造价，应在满足工作性的基础上，尽量降低胶结料用量尤其是胶结料中的水泥用量，提高骨料中粗骨料的比例；此外，为了保证混凝土与钢管共同受力，采用膨胀剂产生微膨胀以进一步提高与钢管壁的粘结性能。
在试验室配合比设计中，通过大量试验试配C40自密实混凝土。由于现场施工时的粗骨料粒形比试验室有所改善，为此进一步降低了水泥用量，减小了砂率，提高了粗骨料中大粒径的骨料比例，最终形成了阔口大桥工程中用的配合比SCC40 - A ，各配合比参数见表1 。
自密实混凝土的工作性指标及抗压强度见表2 ， 文中采用目测稳定性指标(VSI) 来评价新拌自密实混凝土的稳定性。从图1 可以看出在坍落扩展度试验后混凝土圆周没有泌水，也没有出现砂浆圈，粗骨料在边缘和中央分布同样均匀。L 形仪试验[5 ]见图2 ，自密实混凝土在工程应用中在运输车卸下的情况见图3 。
2.钢管自密实混凝土施工性能模拟试验
为了验证自密实混凝土在钢管混凝土拱桥中的施工性能，并与普通泵送混凝土(NC) 对比，进行了普通混凝土和自密实混凝土的模拟施工对比试验。表1“NC40”是当地搅拌站针对该桥专门设计的C40 普通泵送钢管混凝土的配合比(后因采用自密实混凝土，没有在实际施工中使用) 。试验时通过混凝土泵车在钢管拱的一侧拱脚，向钢管拱顶升泵送混凝土。
模拟泵送试验表明，自密实混凝土具有良好的可泵性，泵压正常，施工顺利。两种不同的混凝土在试验中从拱顶排气管冒出混凝土的情况见图4 。可以看出，自密实混凝土在施工中能保持良好的均匀性，顶部冒出的混凝土拌合物骨料和浆体结合良好，均匀而不离析； 而普通泵送混凝土在浇筑的过程中出现离析，拱顶排气管喷出水泥浆。
试验后28d ，将两根钢管混凝土拱截成数段，发现自密实混凝土浇筑的拱在各部位所有切开的截面都填充密实、均匀，而普通混凝土在混凝土输送管远端的拱脚处发现砂浆与骨料分层的情况，见图5 。事实证明，混凝土新拌阶段的稳定性是其硬化后匀质性的前提，采用自密实混凝土有利于保证结构的匀质性。
3 自密实钢管混凝土轴心受压性能试验
3.1 试验装置及试件制作
为了验证自密实钢管混凝土的受力性能，在模拟施工试验成型的两个拱体的拱顶、拱脚部位各截取3个钢管混凝土短柱进行轴心受压试验。钢管长度250mm ，内径210mm ，壁厚为5mm。钢材的屈服强度和抗拉强度分别为351MPa 、443MPa 。试验在混凝土浇筑后60d 进行。
试验在500t 压力机上进行，试验装置如图6 所示。在试件中截面处沿周长平均布设纵向及环向四对电阻应变片，用IMP 数据采集系统采集在各级荷载作用下钢管壁的纵向应变、环向应变；同时沿试件的纵向布置两个电测位移计以测定试件的纵向总变形，并由IMP 数据采集系统进行数据采集。
3.2 试验结果及其分析
3.2.1 极限承载力
试验结果见表3 所示。
从表3 中可以看出，在立方体抗压强度相近的情况下，自密实混凝土试件的极限承载力与普通泵送混凝土试件相近。
3.2.2 荷载- 应变关系曲线
自密实钢管混凝土和普通钢管混凝土轴压短柱试件的荷载- 应变曲线分别见图7 、图8 。从图中可以看出，自密实混凝土与同强度等级的普通泵送混凝土试件在组合弹性模量、极限承载力和延性以及后期承载能力方面没有明显区别，究其原因，主要在于自密实混凝土配合比虽然比普通混凝土砂率略高，粗骨料的最大粒径更小一些，然而由于其水胶比低，并掺加大量粉煤灰，因此密实度高，同时在约束条件下采用膨胀剂，可以弥补前者对弹性模量和变形性能的影响，在同强度等级下，两者的钢管混凝土轴压短柱的荷载- 应变曲线表现很相似。
4 自密实混凝土在钢管混凝土拱桥工程中的应用
4.1 工程概况
莆田市阔口大桥是一座跨度99m ，矢高19.8m的钢管混凝土拱桥，见图9 。拱截面为哑铃型，主拱共8 根φ800 ×14 钢管，哑铃型截面的中间拱肋宽500mm。在垂直方向穿过的吊杆的孔直径为φ250 。钢管核心混凝土设计强度等级为C40 ，采用自密实混凝土进行泵送顶升施工。
4.1 自密实钢管混凝土生产、施工及质量检验
自密实混凝土在莆田青山混凝土搅拌站采用预拌方式生产。在开盘鉴定中采用坍落度筒和L 型仪，结合VSI 指标检测自密实钢管混凝土的工作性，均满足要求。
为了保证自密实混凝土在入模时仍然具有足够的工作性，事先根据浇筑量、生产能力、途中时间和浇筑能力制定合理的施工计划是非常必要的，这样才能使运输过程尽可能顺畅，缩短等待时间，保证施工现场泵送、浇筑的连续进行，确保自密实混凝土的泵送和浇筑在混凝土工作性保持期内完成。
此外，由于自密实混凝土的高流动性，在施工中对模板体系的强度和稳定性提出了更高的要求。本工程采用两端同时连续泵送顶升钢管核心混凝土，控制两端高差不超过1m ，且间断泵送的时间间隔不超过15min。两端混凝土高差通过事先在拱体上垂直高度间隔为1m 的直径为5mm 的排气孔检查，当混凝土浇筑到排气孔的位置时，浆体溢出，据此判断和控制两侧混凝土浇筑高度一致。当自密实混凝土浇筑到顶部排气口时，所冒出的混凝土仍然具有良好的均匀性，没有出现泌水和离析现象。
施工中混凝土浇筑的密实情况通过敲击钢管壁的声音进行判断，声音沉而且哑者，说明混凝土填充饱满，若声音空洞或者有回声，则应采用超声波进行进一步检测[6 ] 。该工程在施工过程中以及浇筑完成后，采用小锤敲击表明，混凝土浇筑密实。现场浇筑的同时，成型了抗压强度标准试件，标养至28d ，抗压强度平均值53.3MPa ，均方差2.8MPa 。图10 给出了拱肋混凝土的立方体抗压强度质量控制图，结果表明：该混凝土强度满足设计要求，试块强度的离散性很小，混凝土匀质性好。
4.1 自密实钢管混凝土使用效果
采用自密实混凝土作为钢管核心混凝土，有效避免了钢管混凝土拱桥施工中常见的混凝土离析、堵泵、钢管爆管、混凝土不均匀或不完全密实等问题；另外在施工后6 个月对顶部钢管壁进行敲击检查发现，没有出现由内部混凝土的沉降和收缩导致的顶部钢管壁与混凝土脱离、空鼓等情况。事实证明，混凝土浇筑非常顺利，泵压正常，施工速度快，钢管核心混凝土密实，达到了预定的要求和效果。在材料成本方面，由于自密实钢管混凝土水泥用量每立方米混凝土比普通混凝土减少132kg ，虽然增加了粉煤灰用量，外加剂费用也比普通泵送混凝土略高，按照施工当时各种材料的价格，经测算该自密实混凝土材料成本并不比普通泵送混凝土高，两者在材料成本上基本持平。
5 结论
(1) 新拌阶段的稳定性是自密实混凝土在钢管混凝土结构中成功应用的前提。粗骨料的粒形和级配对新拌自密实混凝土的稳定性有决定性的作用。
(2) 合理选用工程中的原材料，可以配制出工作性和强度满足要求的自密实混凝土。在自密实混凝土配制中，需要严格控制新拌阶段的稳定性指标，保证湿容重正常可以避免弹性模量偏低。
(3) 轴心受压短柱试验表明，自密实钢管混凝土短柱与同强度等级的普通泵送钢管混凝土短柱，在组合弹性模量、极限承载力、延性以及后期承载能力方面没有明显区别，两者的荷载- 应变曲线相似。
(4) 自密实混凝土作为核心混凝土应用于钢管混凝土拱桥中，有利于防止堵泵、离析等现象，并加快施工速度。自密实钢管混凝土的工程质量可以得到保证。当采用大掺量粉煤灰时，材料成本与普通泵送混凝土相差不大。
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