混凝土含气量对C50 自密实钢管混凝土膨胀性能的影响

摘　要: 　分析研究了混凝土拌合物的含气量与膨胀性能的影响, 通过混凝土配合比的设计和优选, 制备出了满足泵送施工及各种设计要求的C50 微膨胀钢管混凝土, 28 d 弹性模量3.8×104 M Pa 以上, 3 d 龄期时开始加载后, 持荷180 d 后徐变系数为1. 9。

关键词: 　钢管混凝土; 　配合比设计与优化; 　含气量; 　膨胀率

　　钢管混凝土是将素混凝土填充在圆钢管内而形成的一种组合结构材料。与传统的钢筋混凝土相比,具有承载力高、重量轻、塑性韧性好、施工方便及节省水泥木材等优点[ 1 ] , 因而在现代高层建筑和大跨径拱桥中得到了广泛的应用。

　　众所周知, 钢管与核心混凝土间的套箍作用是钢管混凝土具有一系列突出优点的根本原因。要实现钢管及其核心混凝土间的套箍作用, 必须使核心混凝土与钢管壁紧密结合在一起。与普通钢管混凝土相比, 钢管高强膨胀混凝土被认为是较为理想的钢管混凝土[ 2 ]。这种材料的特点是核心混凝土中掺加了膨胀组分, 建立了前期主动紧箍力, 使钢管与核心混凝土在受荷载作用之前就产生紧箍力, 从而弥补了普通钢管混凝土紧箍力出现太迟的缺陷, 改善了这种材料的工作性能[ 3, 4 ] , 但混凝土的含气量对钢管壁与混凝土的粘结有较大影响, 若混凝土含气量过大, 在钢管混凝土的泵送施工过程中会在泵送压力和混凝土自重的作用下富集于钢管内壁, 造成钢管壁与核心混凝土的脱粘, 从而影响钢管混凝土性能的发挥。文中结合某钢管混凝土拱桥工程实际情况, 试验研究了C50 核心混凝土的含气量对其膨胀性能的影响, 以确定实际施工时C50 核心混凝土含气量的范围, 并将之应用于宜万铁路长江大桥钢管混凝土设计及施工中。

1　C50 自密实微膨胀钢管混凝土研制

及其性能

1. 1　原材料

试验中所用的原材料如下:

　　水泥: 葛州坝42. 5 级普通硅酸盐水泥; 粉煤灰:Ê 级粉煤灰; 砂: 中粗河砂, 细度模数2. 7, 含泥量<1. 0% , 泥块含量< 0. 5%; 石: 5～ 25 mm 连续级配的碎石, 含泥量< 1% , 压碎值8. 2% , 针片状含量<10%; 拌合水: 洁净自来水; 膨胀剂: 武汉浩源化学建材有限公司生产的U EA 系列膨胀剂; 高效减水剂:山东淄博银凯华伟建材公司高效减水剂NO F2A S。

1. 2　C50 混凝土配合比试配

　　本研究的依托工程中, 采用C50 自密实钢管混凝土, 混凝土灌注量较大, 要求单根钢管一次泵送到顶, 单次连续施工时间长, 同时泵送高程大, 所以对混凝土工作性能要求较高: 坍落度达到220 mm , 3 h后坍落度仍保持在180 mm 以上; 不离析、不泌水,粘聚性能好。否则有可能对施工过程及混凝土质量产生严重影响。

　　课题组经大量混凝土试配及配合比优化设计,初步确定了如表1 所示的C50 混凝土配合比, 并按GBöT 50080—2002 标准及GBöT 50081—2002 进行了混凝土坍落度、扩展度及其经时损失、凝结时间、抗压强度及弹性模量测试, 结果见表2。按GBJ 119—2003 方法进行了混凝土的限制膨胀率测试, 实验结果如下表3 所示。

　　试验结果表明, 实验中所制备的C50 钢管混凝土具有良好工作性能(表2) : 初始坍落度23 cm , 扩展度60 cm 以上, 3 h 后坍落度仍达18 cm 以上, 且混凝土和易性好, 不离析、不泌水。混凝土初凝时间约18 h, 终凝时间约21 h, 能够满足钢管混凝土泵送施工工艺的要求。同时, 混凝土的强度发展很快, 其3 d抗压强度就能达到设计标号80% 以上, 混凝土28 d弹性模量值也列于表2 中。由以上实验结果可知, 该混凝土完全满足的泵送施工和刚度要求。

1. 3　C50 微膨胀钢管混凝土的含气量及混凝土在

钢管约束条件下的膨胀率

　　核心混凝土的含气量对钢管壁与混凝土的粘结有很大影响。若制备的核心混凝土气体量过大, 在进行钢管混凝土的泵送顶升施工过程中, 这些气体极易在泵送压力和混凝土自身重力的作用下吸附于钢管内壁并富集而形成一层气体膜, 抵消了核心混凝土的膨胀量, 易造成钢管壁与混凝土脱粘。钢管混凝土拱桥工程中, 混凝土顶升施工的泵送压力一般为10～ 20M Pa, 据本课题组大量实际工程检测及研究发现, 钢管混凝土的含气量为2. 3%～ 3. 0% 时, 在上述泵送压力和混凝土的自重作用下, 当有占混凝土体积0. 05%的气体富集在钢管内壁处时, 会造成混

　　凝土与钢管内壁间形成宽0. 11 mm 的圆环形间隙,因而要求核心混凝土的膨胀率至少要大于2. 5×10- 4才能有效防止脱粘现象的发生[ 5 ]。而在钢管拱的拱顶附近, 气体因混凝土重力沉降和泵送压力等原因造成的吸附富集现象更为严重, 其产生脱粘的机率更大, 降低了钢管混凝土结构的整体性, 劣化了其结构力学性能。

　　此外, 对于掺膨胀剂混凝土的膨胀率测量方法,有关标准中进行了详细规定, 要求膨胀试件脱模后放入水中养护14 d, 此后再转入空气中养护。这一规定与钢管混凝土所处的实际环境大不相同——混凝土处于钢管密封条件下, 与外界基本上没有湿度交换。

　　因而测得的混凝土膨胀率并不能真空反映钢管混凝土中核心混凝土的膨胀情况。为此, 设计了能真实反映钢管混凝土体积变形的模具(见图1)。混凝土灌注之前, 在钢管内壁涂油, 并铺设一层塑料薄膜,混凝土灌注之后用薄膜将混凝土包裹密封, 使之与外界无湿度交换。混凝土灌注之后放置玻璃片, 以便于千分表测头的安放。混凝土硬化后, 顶部涂刷一层凡士林, 并安装磁性表座及千分表, 以后按龄期读取千分表数值, 由测试结果得到混凝土在钢管约束条件下各龄期的膨胀率。对表1 中各组混凝土进行了钢管约束条件下的混凝土膨胀率测定, 结果见表4。

　　由实验结果(表4、表7) 可知, 混凝土含气量较小时, 能有利于膨胀剂更好地发挥其膨胀效能, 因而混凝土约束条件下的膨胀率相应也略高。

1. 4　C50 自密实钢管混凝土配合比及徐变性能

　　通过以上试验的研究分析, 最后确定的C50 自密实钢管混凝土的配合比为表5No. 4, 并依据GBJ 82—85 进行了混凝土的徐变性能研究, 表8 为依据测试结果得到的混凝土徐变系数(混凝土3 d龄期时开始加载)。由表可知, 该混凝土在持荷180 d前徐变系数随龄期延长而增加, 而在21～ 28 d 之前增幅较快, 持荷28 d 后徐变系数约占180 d 的80% ,此后增幅减缓, 180 d 时徐变系数为1. 9。

2　结　论

　　a. 核心混凝土含气量对混凝土的膨胀率有较大影响, 当含气量减小时, 混凝土约束条件下的膨胀率增加, 有利于膨胀剂更好地发挥其膨胀效能;

　　b. 经混凝土配合比优化设计, 配制出了C50 自密实微膨胀钢管混凝土。试验表明该混凝土具有良好的工作性能, 180 d 时混凝土的徐变系数为1. 9,满足工程设计要求。

参考文献

　　[ 1 ]　蔡绍怀. 现代钢管混凝土结构[M ]. 北京: 人民交通出版社, 2003.

　　[2 ]　顾淦身. 储存高膨胀能的延迟膨胀机理, 建筑物裂渗控制新技术(首届全国混凝土膨胀剂学术交流会论文集)[J]. 北京: 中国建材工业出版社, 1994: 98～ 101.

　　[ 3 ]　李　悦, 胡曙光, 丁庆军. 钢管膨胀混凝土的研究及其应用[J ]. 山东建材学院学报, 2000, 14 (3) : 1892192.

　　[ 4 ]　潘友光. 圆钢管砼轴心受力作用下本构关系的研究及其应用[D ]. 哈尔滨: 哈尔滨建工学院, 1989.

　　[5 ]　丁庆军, 彭艳周, 何永佳, 等. 巫山长江大桥钢管混凝土配合比设计与施工[J ]. 混凝土, 2006, (10) : 61264.