李晋
中铁北京工程局集团第二工程有限公司 湖南长沙 410007
摘要：本文介绍了应用于高速铁路180米连续梁拱加劲钢管微膨胀混凝土配合比的正交设计实例及施工控制。
关键词： 钢管混凝土 微膨胀 配合比正交设计 施工控制
引言:最近几年，我国在钢管拱桥应用技术方面发展很快，在许多大跨度的桥梁设计中都采用钢管拱桥施工技术。该桥是西南高速铁路目前同类型钢管拱中最大跨度的桥梁。对于钢管混凝土拱桥，拱内混凝土的施工工艺采用二次接力“泵送顶升压筑方法”。要求混凝土早期强度高、和易性可泵性非常好、自密实免振捣、混凝土的初始坍落扩展度大经时损失小、流速快、初凝时间长、填充性、体积稳定性良好等技术要求。最为关键性的是钢管混凝土为微应力混凝土。
一、工程概况
该工程为（91.3+180+91.3）m拱加劲连续梁钢管拱跨度180m，矢跨比1/5，矢高36m，拱轴线采用二次抛物线；拱肋为钢管混凝土结构，两拱肋横向中心距为14.8m，钢管和腹腔内均填充C55微膨胀混凝土；钢管拱顺桥向吊杆间距9m，全桥共设置18组双吊杆，吊杆采用GJ15-12钢绞线整体挤压拉索。钢管内灌注C55微膨胀混凝土，混凝土要求具有良好的泵送性能和微膨胀性以及自密性能，能够抵消混凝土收缩。钢管混凝土的灌注采用二次接力泵送顶升压注法，充分利用各种外加剂和掺合料特性来改善混凝土的性能，以提高混凝土强度、和易性和可泵性来补偿钢管混凝土干缩、温缩。
二、C55钢管微膨胀自密实混凝土技术要求
根据设计和规范要求混凝土的性能见下表1。补偿钢管混凝土干缩、温缩，是在钢管的约束下建立约0.2～0.7MPa预压微应力，换算成限制膨胀率约为0.015～0.045%。规范只给出限制膨胀率的下限，建议上限按上述数据控制。
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1、扩展时间T500的改善方法
混凝土拌合物性能指标扩展时间T500是自密实混凝土流动速度和粘度的衡量指标，该指标越小表明混凝土粘度低、流速快可泵性越好、泵车泵送压力低。改善扩展时间T500的方法主要有在混凝土中掺入降粘剂、掺入适量玻璃微珠、单掺1级粉煤灰、使用含泥量低的河砂、使用粒型浑圆的反击破碎石、适量增加混凝土的单方用水量。
现高速铁路使用的降粘剂掺量一般情况约为胶凝材料的5%，配合比设计中降粘剂属于胶凝材料，但其强度比只为85%，使用降粘剂增加成本。在通过其他技术手段可以改善扩展时间T500时，不建议使用降粘剂。
在粉煤灰中添加玻璃微珠，放大粉煤灰的“滚珠效应”能有效降低混凝土的粘度、提高混凝土流速。但单独添加玻璃微珠增加工艺流程和增加混凝土的控制环节、混凝土成本提升。在粉煤灰中玻璃微珠少或其他技术手段改善T500不明显的情况下建议使用。
单掺单掺1级粉煤灰不使用矿粉，是钢管微膨胀自密实混凝土降粘的有效措施之一。矿粉粘度大使用后显著影响混凝土扩展时间T500，单掺1级粉煤灰就是有效利用粉煤灰的“滚珠效应”。
河砂一般要求含泥量小于等于2%，使用含泥量低的河砂能有效降低扩展时间T500,一般含泥量应控制在1.5%以下时改善显著，含泥量1.0%以下时改善不再明显。粒型浑圆的反击破碎石能显著改善扩展时间T500。反击破碎石并不一定就粒型浑圆，多选择几家碎石对比，选择粒型浑圆的碎石对后期配合比试拌时扩展时间T500指标实现是关键因数之一。
适量增加混凝土的单方用水量，能有效改善混凝土扩展时间T500指标。但水灰比不变情况下增加用水量同时胶凝材料用量也要增加，成本增大。增大用水量还极易造成配合比浆体比超标。所以只能适量增加用水量。
2、坍落扩展度的选择
混凝土坍落扩展度的选择应根据泵送情况确定，由于本工程采用二次接力泵送，泵送过程中坍落扩展度必然有损失，选取设计指标时考虑上限。坍落扩展度越大，意味着砂率越大，胶凝材料越多。一般情况直接泵送顶升的考虑中值620mm左右较好。坍落扩展度随扩展时间T500减小而增大，但应控制其不超过680mm，过大易造成混凝土离析。
3、初凝时间的选择
混凝土拌合物初凝时间的选择是根据施工时间和施工方案中应急处置所需时间选择。本工程钢管混凝土泵送顶升时间约为2小时，但考虑到应急处置后混凝土能继续顶升，初凝时间考虑为13小时以上。
4、3天强度的选择
设计要求混凝土5天强度达到100%。配合比设计时5天强度达到100%，没有考虑标准差的因素，施工时并不一定能达到设计要求。所以配合比设计是改为3天强度达到100%。
5、砂率的选择
一般应为45-50%，最终通过试拌确定。
三、混凝土原材料的选择
1、水泥的选用
符合GB175《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》及《铁路混凝土施工质量验收标准》TB10424-2018的水泥皆可选用。由于该配合比要求早期强度高建议选用早强水泥或硅酸盐水泥，本工程选用P.II 52.5水泥。
2、粉煤灰选用
粉煤灰选用符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T1596-2017的优质F类Ⅰ级粉煤灰，其玻璃微珠含量应尽量丰富。
3、粗细骨料的选用
粗细骨料选用符合《铁路混凝土施工质量验收标准》TB10424-2018及《铁路混凝土》3275-2018的骨料。细骨料尽量选用含泥量低、0.315mm以下颗粒大于15%、细度模数2.6-3.0的河砂。碎石应选用粒型浑圆的5-20mm连续级配反击破碎石。
4、减水剂的选用
减水剂的性能直接关系到混凝土各项指标的实现。应选用符合《铁路混凝土施工质量验收标准》TB10424-2018缓凝型聚羧酸高性能减水剂。其减水率应考虑大于30%，掺量建议1.5-2.2%。其保坍、缓凝性能尤其关键。
5、膨胀剂的选用和限制膨胀率试验注意事项
膨胀剂是钢管混凝土限制膨胀率实现的关键。钢管微膨胀混凝土一般应选用水化产物为钙矾石和氢氧化钙的硫铝酸钙-氧化钙类EA ACⅡ型膨胀剂。不得选用氧化镁膨胀剂，虽然其在大坝混凝土中已经成功使用，但由于技术经济原因，目前还没有在建筑工程中应用，进行的研究也比较少。《混凝土膨胀剂》GB/T23439-2017也未录入氧化镁膨胀剂。膨胀剂应多选择几个厂家的产品，选择厂家后将现场施工用水泥寄给厂家做试验。膨胀剂样品到现场后应与现场施工用水泥进行简易膨胀性试验，采用GB/T23439-2017附录C方法检测。选择掺量低膨胀率大的产品进行全项检测，合格后进行配合比试验。由于现在多使用塑料工程试模，但限制膨胀率用100*100*400试模必须使用铸钢试模，工程塑料试模严重影响限制膨胀率的测试，其测试值偏小。
6、确定选用的原材料
水 泥：广西隆安海螺低碱P.II 52.5水泥；
粉煤灰：广西钦州蓝岛F类Ⅰ级粉煤灰；
细骨料：广西梧州藤县河砂，中粗砂细度模数3.0-3.2；
粗骨料：广西上林5mm～20mm连续级配反击破碎石；
减水剂：山西康力KLPCA-R聚羧酸系高性能减水剂（缓凝型）
引气剂：山西康力KLAE型引气剂；
膨胀剂：天津豹鸣HCSA（硫铝酸钙-氧化钙类）高性能混凝土膨胀剂EA ACⅡ型，掺量为4-8%；
水 ：饮用水；
四、初步配合比和建立配合比正交设计表
1、初步配合比
经过初步计算和试拌确定下表2为初步配合比，拌合物性能符合设计指标要求。
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2、建立配合比正交设计表
选取对混凝土拌合物性能和硬化混凝土力学性能及耐久性、长期性指标影响显著的主控指标作为主要因数：水灰比、粉煤灰掺量、膨胀剂掺量、减水剂掺量，通过四因素三水平建立正交设计表。通过试验数据分析限制膨胀率和强度是否满足设计要求，确定最终理论配合比。
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3、计算试验方案配合比
根据初步配合比的容重和用水量及正交设计表计算各试验方案配合比，并根据试验方案各配合比计算每个混凝土配合比的三项有害物质和浆体比，计算结果符合规范要求方可正式列入试验方案配合比。
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五、配合比正交数据分析及理论配合比的确定
1、试验数据采集
通过分别将正交设计9个试验方案配合比试拌，测试拌合物性能，制作试件测试硬化混凝土性能。记录所有试验数据于表6。
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2、正交数据的分析
⑴直接对比分析法
通过直接对比法观察9个试验方案的结果中的弹性模量、拌合物性能、耐久性指标均满足设计要求。试验号1和2配合比强度满足设计要求。限制彭膨胀率试验号2、3、5、7方案配合比均满足设计要求。全部满足设计要求的是试验号2的配合比方案，即（A1:B2:C2:D2 ）。
⑵直观分析法
直观分析法是通过对每一因素的平均极差来分析问题。所谓极差就是平均效果中最大值和最小值的差。有了极差，就可以找到影响指标的主要因素，并可以帮助我们找到最佳因素水平组合。通过极差分别分析强度和限制膨胀率的数据，验证确定理论配合比。
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通过直观分析法对强度和限制膨胀率的极差分析及由K值决定的试验条件，对（A1:B1:C2:D2，A1:B2:C2:D2，A1:B2:C3:D2，A1:B1:C3:D2）组合进行试验验证。通过对以上4个试验方案的验证，4个方案均能满足混凝土性能和各项指标的设计要求。通过对上述4个方案的经济比选和直接对比分析法确定的结果，选择 （A1:B2:C2:D2 ）为最终理论配合比。
3、通过正交试验数据分析和经济比选确定的理论配合比
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六、微膨胀混凝土施工中的控制
1、原材料质量控制
各项混凝土原材料按规范要求检测，做到每车必检。并且要求混凝土施工用的原材料同一时间段进场。这样做的好处是可以最大限度的减少材料差异对混凝土性能的影响。
原材料选择时，应选用长期生产质量稳定的厂家。如水泥应进场同一批号的水泥，避免在厂家停产检修、更换原材料产地后复产后立即进场水泥。河砂和碎石应考察好产地后，提请进场同一批次的骨料。
原材料应提前进场，所有原材料进场后至施工至少应富余一个月以上时间。为下步试拌试泵和出现问题纠偏预留充足时间。这里特别提到膨胀剂应提前进场检测，为出现问题再次进场预留充足时间。
对原材料的检测数据与配合比试验时原材料检测数据对比，差异较大时应查找原因并进行室内试拌，确定所有原材料进场数量足够施工使用并检测合格后，取样进行室内试拌。复核现场原材料按理论配合比试拌的各项性能。室内试拌若出现与理论配合比拌合物性能差异较大时，应立即查找原因通过减水剂性能调整拌合物性能。必要时清退造成拌合物较大差异的原材料重新进场。
混凝土拌合物各项性能合格后，制作3天强度试件和14天限制膨胀率试件。将试验数据和理论配合比数据进行比对，满足要求后进行现场试拌、试泵。
2、混凝土现场试拌、试泵
室内试验结束后，进行现场试拌、试泵。模拟施工情况进行试拌，拌合物性能合适的情况下，模拟现场施工条件进行试泵。总结以下数据总结。
⑴开具施工配合比：作为正式施工的依据，正式施工时根据材料的含水率调整施工配合比即可。
⑵记录试拌时的温度、混凝土的拌合时间、混凝土运输时间：作为正式施工组织时的参考。
⑶确定出站时拌合物性能的控制范围、入泵前拌合物性能的控制范围：为正式施工时提供混凝土拌合物性能控制标准。
⑷通过试拌确定搅拌机的工况和产能：存在设备问题可及时处理，为正式施工组织提供依据。
⑸出具配合比试拌、试泵技术总结：作为混凝土生产和施工的控制标准。
3、混凝土现场施工组织
根据混凝土泵送施工方案和配合比试拌、试泵技术总结，配备各岗位的人员、仪器、设备、车辆。确定拌合站和现场混凝土拌合物性能测试指标、频率。做好应急预案所需的物资和人员准备。根据天气预报选择合适的施工时间、避免雨天和最高温度时段施工。
搅拌站试验人员配备5人。2人负责施工配合比和混凝土搅拌数据的监控，同时和现场联系。2人负责拌合物性能的测试，1人负责2条生产线监督膨胀剂人工上料和原材料变化监控。仪器设备配备扩展时间T500和含气量仪各1台，插入式温度计1台。
施工现场试验人员配备8人，桥上4人负责二次泵送前混凝土拌合物性能测试、混凝土试件的制作、与桥下试验人员沟通。桥下配备4人负责1次泵送前拌合物性能的测试及与桥上、拌合站的沟通。
4、现场混凝土质量检测
混凝土主要监控数据为混凝土拌合物出站的性能、每车混凝土到现场的拌合物性能数据、1次泵入泵时的混凝土拌合物性能、2次泵入泵时的混凝土拌合物数据。
本工程每一条钢管拱需要混凝土约138m3，共约12车混凝土。拌合站共2条生产线，每条生产线生产一车混凝土约30分钟。每车混凝土运至现场约40分钟，现场前六车混凝土钢管拱每侧3车都到现场后开始泵送。泵送开始后约2小时一条钢管拱施工完毕。根据现场混凝土施工拌合物性能控制情况做以下总结见表10。
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5、硬化混凝土的质量检测
钢管内混凝土的浇灌密实质量，可用敲击钢管听声音变化的方法初步检查混凝土与钢管内壁间的间隙。若有异常，则采用超声波进一步检查。
依据《高速铁路桥涵施工质量验收标准》TB10752-2018,混凝土施工完毕7天后28天前进行密实和脱空检测，设计无要求时脱空率小于0.6%或脱空高度小于5mm。至少对拱脚、拱顶、1/4跨、3/4跨等主要断面进行超声检测，每个断面至少对测8点，每个点至少测3次。
硬化混凝检测依据设计及《铁路混凝土施工质量验收标准》TB10424-2018进行力学性能、耐久性、限制膨胀率的检测。
结论
经过C55钢管拱内充微膨胀混凝土的配合比设计及施工，过程中所出现的一些问题和需要改进的措施，现总结如下：
1、选用合格的原材料并对影响混凝土拌合物性能和硬化混凝土性能的原材料指标进行控制。
2、认识配合比正交设计的重要性。通过正交试验找出影响混凝土指标的主次因数确定最佳理论配合比。
3、影响混凝土限制膨胀率主要因数，是膨胀剂的掺量。不是添加膨胀剂就能膨胀必须通过试验确定。
4、钢管微膨胀自密实混凝土拌合物性能指标的选择和控制方法。
5、混凝土原材料的进场质量控制措施和基本要求。
6、混凝土试拌试泵的作用和重要性。类似钢管拱混凝土现场拌合物性能控制要求。
参考文献
《铁路混凝土结构耐久性设计规范》 TB 10005-2010
《铁路混凝土》 TB/T 3275-2018
《混凝土外加剂应用技术规程》 GB50119-2013
《高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土》 Q/CR596-2017
《高速铁路桥涵工程施工质量验收标准》 TB 10752-2018