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(長(zhǎng)沙市公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410205)

清水混凝土在橋梁墩柱施工的應(yīng)用

鐘幟旗,李湘鋒，湯紹陽(yáng)，趙龍

(長(zhǎng)沙市公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410205)

通過(guò)試驗(yàn)，研究配制高性能清水混凝土應(yīng)用于橋梁大體積墩柱施工中，實(shí)現(xiàn)橋梁墩柱混凝土達(dá)到高性能混凝土的技術(shù)要求，而且澆筑出來(lái)的混凝土結(jié)構(gòu)物能達(dá)到清水混凝土的外觀(guān)效果。

橋梁橔柱；清水混凝土；礦物摻合料；強(qiáng)度影響系數(shù)；配合比設(shè)計(jì)

0 前言

清水混凝土，在國(guó)外叫做Architectural Concrete(建筑藝術(shù)混凝土)，Exposed Concrete(暴露表面混凝土)或稱(chēng)作Fair Faced Concrete(整形表面混凝土)。清水混凝土由于技術(shù)難度大，造價(jià)高，目前少量應(yīng)用于大樓、高鐵車(chē)站等有特殊要求的大型工程，在高速公路方面較少有應(yīng)用案例。隨著公路行業(yè)的發(fā)展，施工人員對(duì)混凝土工作性能要求越來(lái)越高，建設(shè)方對(duì)橋梁混凝土構(gòu)件的外觀(guān)要求越來(lái)越高。而清水混凝土的技術(shù)特點(diǎn)和外觀(guān)表現(xiàn)特征，可以很好地滿(mǎn)足這些要求。將清水混凝土理念應(yīng)用于橋梁等混凝土結(jié)構(gòu)，采用普通常規(guī)的建筑材料，通過(guò)試驗(yàn)方法，反復(fù)試配及調(diào)整，在橋梁混凝土施工中實(shí)現(xiàn)清水混凝土的工作性能和外觀(guān)效果。

1 工程概況

某沿海高架橋，橋梁寬度 25.5 m，設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載為公路-I級(jí)。墩柱混凝土施工主要技術(shù)難點(diǎn)如下：

1)在城市主干道上建設(shè)高架橋，采用花瓶墩，要求墩柱外表美觀(guān)、基本無(wú)缺陷。要求混凝土和易性好，氣泡少，不離析不泌水。

2)墩柱最小截面尺寸為2.0 m×2.2 m，墩高10～15 m，混凝土方量為150～210 m3，一次澆筑成型，要求混凝土緩凝時(shí)間長(zhǎng)，水化熱低。

3)墩柱鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)密集，鋼筋間距小，混凝土振搗施工空間狹小，難以振搗密實(shí)，要求混凝土流動(dòng)性大，易于振搗密實(shí)。

4)工程處于沿海地帶，受來(lái)自海上潮濕空氣侵蝕影響較大，要求混凝土致密性好，抗?jié)B和抗侵蝕能力強(qiáng)。

2 確定混凝土配合比設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)及設(shè)計(jì)理念

針對(duì)工程要求，確定墩柱C40混凝土配合比設(shè)計(jì)目標(biāo)技術(shù)要求如下：

1)新拌混凝土性能要求：和易性良好、不離析、不泌水。坍落度：18～22 cm，擴(kuò)展度：≥550 mm，1 h塌落損失：<20 mm。

2)混凝土結(jié)構(gòu)外觀(guān)質(zhì)量要求：顏色基本一致、無(wú)明顯色差，無(wú)修補(bǔ)。最大直徑不大于8 mm，深度不大于2 mm，每1 m2氣泡面積不大于20 cm2。無(wú)漏漿、流淌及沖刷痕跡，無(wú)油跡及銹斑，無(wú)粉化物。

顯然采用常規(guī)的混凝土配合比生產(chǎn)的混凝土很難滿(mǎn)足工程技術(shù)要求，通過(guò)研究相關(guān)資料和應(yīng)用實(shí)例，決定采用配合比設(shè)計(jì)新理念，配置高性能清水混凝土進(jìn)行橋梁墩柱施工，以滿(mǎn)足施工技術(shù)要求。

3 混凝土配合比設(shè)計(jì)

3.1 配合比各原材料確定及性能試驗(yàn)

通過(guò)各種建筑材料性能比選，結(jié)合工程實(shí)際情況，選用混凝土配合比用原材料及各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)如下：

1)海螺P.042.5水泥，試驗(yàn)得技術(shù)指標(biāo)如表1。

表1 海螺P0425水泥技術(shù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)稠度/%密度/(g·cm-3)比表面積/(m2·kg-1)初凝時(shí)間/min終凝時(shí)間/min28d強(qiáng)度/MPa274305350158255463

2)F類(lèi)II級(jí)粉煤灰，試驗(yàn)得技術(shù)指標(biāo)如表2。

表2 F類(lèi)II級(jí)粉煤灰技術(shù)指標(biāo)細(xì)度/%燒失量/%需水比/%密度/(g·cm-3)游離氧化鈣/%218429319011

3)S95級(jí)磨細(xì)礦渣粉，試驗(yàn)得技術(shù)指標(biāo)如表3。

表3 S95級(jí)磨細(xì)礦渣粉技術(shù)指標(biāo)密度/(g·cm-3)比表面積/(m2·kg-1)流動(dòng)比/%28d活性指數(shù)/%291412102107

4)SM高性能聚羧酸減水劑，試驗(yàn)得技術(shù)指標(biāo)如表4。

表4 SM高性能聚羧酸減水劑技術(shù)指標(biāo)減水率/%含氣量/%泌水率比/%7d抗壓強(qiáng)度比/%28d抗壓強(qiáng)度比/%2651503138112

5)5～31.5 mm連續(xù)級(jí)配碎石，試驗(yàn)得技術(shù)指標(biāo)如表5。

表5 5～315mm連續(xù)級(jí)配碎石技術(shù)指標(biāo)表觀(guān)密度/(t·m-3)振實(shí)密度/(t·m-3)堆積密度/(t·m-3)針片狀含量/%含泥量/%壓碎值/%空隙率/%吸水率/%260217514630051584418

6)天然河砂，II區(qū)中砂，試驗(yàn)得技術(shù)指標(biāo)如表6。

表6 天然河砂II區(qū)中砂技術(shù)指標(biāo)表觀(guān)密度/(t·m-3)振實(shí)密度/(t·m-3)堆積密度/(t·m-3)細(xì)度模數(shù)含泥量/%飽和面干含水率/%空隙率/%2618172152268103542

3.2 各組分膠凝材料摻量確定

理論上多種膠凝材料組合共同作用，可以量化的指標(biāo)是膠砂強(qiáng)度，可以采用水泥膠砂強(qiáng)度的試驗(yàn)方法，確定各種外摻料對(duì)膠砂強(qiáng)度的影響程度，即摻入外摻料的膠凝材料的膠砂強(qiáng)度與純水泥膠砂強(qiáng)度的比值，定義為強(qiáng)度影響系數(shù)。通過(guò)不同膠凝材料的強(qiáng)度影響系數(shù)，可以計(jì)算得到多組分膠凝材料中各膠凝材料的占比。

本工程配合比所用膠凝材料為3種，水泥、粉煤灰和礦粉，外摻料總摻量為40%，通過(guò)膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)，得到粉煤灰和礦粉的膠砂強(qiáng)度以及強(qiáng)度影響系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如表7。

表7 試驗(yàn)結(jié)果膠凝材料組成28d膠砂強(qiáng)度/MPa強(qiáng)度影響系數(shù)水泥100%46310水泥60%+粉煤灰40%386083水泥60%+礦粉40%503109

根據(jù)上表數(shù)據(jù)，計(jì)算本工程C40墩柱配合比各組分膠凝材料摻量。

根據(jù)配合比設(shè)計(jì)規(guī)程取設(shè)計(jì)強(qiáng)度富裕系數(shù)為1.08，強(qiáng)度影響系數(shù)=42.5 MPa×1.08/46.3 MPa=0.99。

設(shè)粉煤灰摻量為X，礦粉摻量為Y,建立聯(lián)立方程：

解方程得：X=18%,Y=22%。

該配合比中各膠凝材料占比為 ：水泥 ∶粉煤灰 ∶礦粉=60%∶18%∶22%。

3.3 外加劑摻量確定

用計(jì)算確定的膠凝材料摻配比例，用水泥凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度用水試驗(yàn)方法，試驗(yàn)所得多組分膠凝材料標(biāo)準(zhǔn)稠度為28.6%，取標(biāo)準(zhǔn)稠度為水膠比W/B=0.286，取0.286水膠比對(duì)外加劑進(jìn)行最佳摻量試驗(yàn)結(jié)果如表8。

表8 外加劑最佳摻量試驗(yàn)結(jié)果摻量/%凈漿流動(dòng)度/mm102001222014250

根據(jù)相關(guān)研究資料，用標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量測(cè)定的凈漿流動(dòng)度數(shù)值跟拌制的混凝土坍落度有較好的關(guān)聯(lián)性，墩柱配合比混凝土設(shè)計(jì)坍落度在220 mm左右，取表中凈漿流動(dòng)度為220 mm時(shí)的外加劑摻量為混凝土配合比的外加劑摻量。

3.4 砂子用量的確定

根據(jù)填充理論，混凝土中的砂子完全填充于碎石的空隙中，使得混凝土達(dá)到最密實(shí)狀態(tài)，性能最佳。每立方米混凝土中砂子的準(zhǔn)確用量為砂子的緊密堆積密度βs=1 720 kg/m3乘以碎石的孔隙率44%，則砂子用量為：S=1 720 kg/m3×44%=757 kg/m3。

3.5 膠凝材料用量確定

根據(jù)朱效榮多組分混凝土設(shè)計(jì)理論，計(jì)算配合比膠凝材料用量為398 kg/m3，通過(guò)前面確定的各膠凝占比，計(jì)算出各膠凝材料用量：水泥=398 kg/m3×0.6=238 kg/m3，礦粉=398 kg/m3×0.22=88 kg/m3，粉煤灰398 kg/m3×0.18=72 kg/m3。

3.6 碎石用量確定

根據(jù)朱效榮多組分混凝土設(shè)計(jì)理論，用碎石的堆積密度扣除膠凝材料的體積以及膠凝材料水化用水的體積對(duì)應(yīng)的碎石，即可求每1 m3混凝土碎石的用量，通過(guò)計(jì)算碎石用量為1 069 kg/m3。

3.7 用水量確定

根據(jù)朱效榮多組分混凝土設(shè)計(jì)理論，配合比用水量=膠凝材料標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量+河砂潤(rùn)濕所需水量+碎石潤(rùn)濕所需水量。計(jì)算得到單位用水量為158 kg。水膠比：W/B=0.40，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

通過(guò)以上配合比各組分用量的計(jì)算，C40墩柱基準(zhǔn)配合如表9。

表9 C40墩柱配合比各材料用量表kg水泥粉煤灰礦粉碎石河砂水外加劑23872881069757158478

4 混凝土配合比試拌、調(diào)整及應(yīng)用

應(yīng)用上面基準(zhǔn)配合比進(jìn)行混凝土試拌，通過(guò)外加劑復(fù)配調(diào)整，對(duì)混凝土性能進(jìn)一步優(yōu)化。摻入引氣劑控制混凝土含氣量，保障混凝土流動(dòng)性。摻入緩凝劑減小混凝土坍落度損失，摻入消泡劑，排出部分混凝土氣泡，減少混凝土表面氣泡，摻入增稠劑，保證混凝土和易性，不泌水。如圖1，圖2。

圖1 新拌混凝土狀態(tài)

圖2 新拌混凝土坍落度

最終確定混凝土施工配合比，其各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 新拌混凝土各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果表容重/(kg·m-3)坍落度/mm1h坍損/mm擴(kuò)展度/mm泌水率/%含氣量/%初凝時(shí)間/min終凝時(shí)間/min242022010550035485605

由上表試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，新拌混凝土各項(xiàng)性能良好，均能滿(mǎn)足施工要求。

對(duì)硬化混凝土各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表11。

表11 硬化后混凝土性能檢測(cè)結(jié)果表7d強(qiáng)度/MPa28d強(qiáng)度/MPa28d彈性模量/GPa抗?jié)B電通量/C抗凍等級(jí)28d碳化深度/mm405508326W121740F3000

由上表試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該混凝土在強(qiáng)度、抗?jié)B、抗侵蝕等方面表現(xiàn)優(yōu)秀，能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)使用要求。

應(yīng)用此配合比拌制的混凝土流動(dòng)性好，擴(kuò)展度大，坍落度損失小，泵送順利，有一定的自密實(shí)性能，易振搗，早期水化熱低，利于夏天作業(yè)。在使用模板漆的情況下，其外觀(guān)呈仿大理石狀，平整光滑，手感細(xì)膩，有光澤，呈現(xiàn)出鏡面效應(yīng)，可達(dá)到清水混凝土效果。

墩柱拆模后外觀(guān)效果見(jiàn)圖3。

圖3 墩柱拆模后外觀(guān)效果圖

5 結(jié)論

傳統(tǒng)的配合比設(shè)計(jì)，其各組分粗獷式經(jīng)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算，其精度難以滿(mǎn)足現(xiàn)代高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)要求。在引入多種礦物摻合料和復(fù)配聚羧酸高效減水劑后，各種材料作用機(jī)理進(jìn)一步復(fù)雜。不同地區(qū)的材料，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)差異大，同一配方拌制混凝土體現(xiàn)出來(lái)的效果也有著很大的差異，配合比設(shè)計(jì)難度和復(fù)雜度進(jìn)一步提高。

選定合適的建筑材料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)材料的性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)各材料的性能參數(shù)，通過(guò)確定強(qiáng)度影響系數(shù)來(lái)計(jì)算膠凝材料摻量，應(yīng)用多組分混凝土配合比設(shè)計(jì)理論，結(jié)合清水混凝土技術(shù)要求，準(zhǔn)確計(jì)算目標(biāo)配合比各組分質(zhì)量。在不增加成本的情況下，實(shí)現(xiàn)混凝土配合比設(shè)計(jì)精準(zhǔn)化，使配合比中各組分材料的作用充分發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)混凝土各項(xiàng)性能的突破，明顯優(yōu)于常規(guī)混凝土，達(dá)到高性能混凝土的技術(shù)要求，而澆筑出來(lái)的混凝土結(jié)構(gòu)物達(dá)到清水混凝土的外觀(guān)效果。

[1] 朱效榮.數(shù)字量化混凝土使用技術(shù)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2016.

[2] 胡紅梅,馬保國(guó).混凝土礦物摻合料[M].北京：中國(guó)電力出版社，2016.

[3] 馮乃謙,笠井方夫(日本) ,顧晴霞.清水混凝土[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[4] JGJ55-2011,普通混凝土設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

1008-844X(2017)03-0171-03

U 445.55

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2017-08-18

鐘幟旗(1982-)，男，工程師，主要從事路橋建設(shè)。