CN108395174A - 一种大跨度cfst拱桥管内用自密实、无收缩混凝土 - Google Patents

一种大跨度cfst拱桥管内用自密实、无收缩混凝土 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大跨度CFST拱桥管内用自密实、无收缩混凝土。本发明所述大跨度CFST拱桥管内用自密实、无收缩混凝土包括以下组分，各组分的重量为：水泥350‑450kg/m3，矿物掺合料100‑200kg/m3，细骨料750‑850kg/m3，粗骨料900‑1000kg/m3，聚羧酸高性能减水剂5‑15kg/m3，复合膨胀剂50‑60kg/m3，水150‑175kg/m3。本发明通过混凝土配合比优化设计，保证其力学性能；掺入复配有减水、保坍、缓凝、消泡、触变改性等功能组分的高性能减水剂，改善新拌混凝土流动性，保障拌合物在钢管内的密实填充，同时增强新拌混凝土触变性，显著改善拱顶水平段钢管上部脱空现象；掺入复合膨胀剂，分阶段、全过程补偿钢管混凝土的收缩变形，使得混凝土与钢管壁紧密贴合，协同受力，强化“套箍”效应，保障结构承载力。

Description

一种大跨度CFST拱桥管内用自密实、无收缩混凝土
技术领域
本发明涉及一种大跨度CFST拱桥管内用自密实、无收缩混凝土，设计强度 等级C60，具有优异的工作、力学和体积稳定性能，可显著改善核心砼在钢管内 部的充填状态，保障结构承载力与服役寿命，特别适用于大型钢管混凝土桥梁。
背景技术
钢管混凝土(CFST)拱桥由于钢与混凝土组合共同受力发挥各自优势，具 有力学性能好、施工简便、核心混凝土延性增强、拉压强度增强、钢管失稳性能 和防锈能力提高、施工方便等特点，因此自1991年我国建成第一座钢管混凝土 公路拱桥—四川旺苍县东河大桥以来，钢管混凝土拱桥得到了井喷式的空前发 展。到2016年为止，据不完全统计，钢管混凝土拱桥有400多座，其中跨径超 过400m的就有7座。随着我国公路、铁路和城市桥梁的快速发展，钢管混凝土 拱桥有广阔的应用前景，也将面对大跨径设计与施工的难题，因此开展相关研究 工作显得尤为迫切。
应用于CFST拱桥管内的混凝土强度等级一般不低于C50，当跨度增大至 400m以上时，则达到C60甚至更高。在这类大跨度CFST拱桥建造面临的众多 问题中，管内混凝土与外侧管壁之间不能紧密贴合、协同受力是关键之一，严重 影响结构承载力和使用安全。这一问题的产生主要有以下3方面原因：①浇筑的 高强混凝土水胶比低，粘度大，施工困难，无法有效充满整个钢管结构内部；② 混凝土充填至相应部位后，其中的轻物质，尤其是气泡大量上浮聚集至混凝土与 钢管壁接触处，产生空隙，这在钢管混凝土拱桥的拱顶处普遍存在，极难解决； ③低水胶比和高胶凝材料用量导致高强混凝土早期沉降收缩、硬化后自生收缩与 温降收缩变形大，严重影响混凝土的体积稳定性，造成管内混凝土与管壁的脱空，这在大跨径CFST拱桥的钢管结构中尤为明显。
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，钢管内混凝土的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及能否正常工作。
为解决上述问题，既有研究的主要技术途径有：①优化混凝土配合比设计； ②掺入高减水率的减水剂，提升高强混凝土流动性；③掺入消泡剂，降低混凝土 含气量；④掺入铝粉和钙类混凝土膨胀剂。这些方法有一定可行性，但都存在不 足之处。例如，通过强分散性减水剂的掺入可降低混凝土拌合物屈服应力，增加 扩展度，但低水胶比下其塑性粘度仍然较高，拌合物流速缓慢；掺入消泡剂，可 以降低混凝土含气量至2.0％以下，但大量工程实践表明，低含气量的高流态混 凝土在静止后的相当长一段时间内，仍然存在小气泡聚合现象，形成大量跨度 0.5mm-5mm的气泡不断上浮，聚集于拱顶部位造成脱空；掺入铝粉发气速度过 快，且产生的氢气会带来钢结构氢脆破坏的风险；钙类膨胀剂膨胀较早，一般 7d内即可完成整个膨胀量的90％以上，补偿钢管混凝土后期收缩变形的效果欠 佳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大跨度CFST拱桥管内用自密实、无收缩混凝 土，设计强度等级C60，具有优异的工作、力学和体积稳定性能，可显著改善核 心砼在钢管内部的充填状态，保障结构承载力与服役寿命，特别适用于大型钢管 混凝土桥梁。
本发明提供了一种大跨度CFST拱桥管内用自密实、无收缩混凝土，包括以 下组分，各组分的重量为：
前述各混凝土原材料的重量之和为2400-2500kg/m3；
所述水泥为硅酸盐或普通硅酸盐42.5级或52.5级水泥；
所述矿物掺合料为国标II级以上粉煤灰及S95级以上矿粉以任意比例混合；
所述细骨料为含泥量不超过2％，细度模数2.3-3.0的中河砂；
所述粗骨料为5-20mm的级配石灰岩、花岗岩或玄武岩碎石；
所述聚羧酸高性能减水剂为江苏苏博特新材料股份有限公司生产PCA-I聚 羧酸高性能减水剂，减水率26％；
所述复合膨胀剂为江苏苏博特新材料股份有限公司生产HME-II高性能混凝 土氧化镁复合膨胀剂。
所述一种大跨度CFST拱桥管内用自密实、无收缩混凝土，在满足力学性能 要求的前提下，使用较多的粉煤灰和矿粉双掺取代水泥，可利用不同粒径粉体颗 粒的级配效应，提高颗粒堆积密度，优化混凝土拌合物工作性，降低粘度；减少 混凝土水泥用量，降低自收缩与温度收缩变形，提升其体积稳定性。
所述聚羧酸高性能减水剂由以下各组分按重量百分比组成：
前述各组分的重量百分比之和为100％；
所述减水组分为重均分子量2万～8万的聚丙烯酸类醚型共聚物；
所述保坍组分为重均分子量2万～5万的酯型共聚物；
所述缓凝组分为葡萄糖、葡萄糖酸钠、柠檬酸钠、多聚磷酸钠中的任意一种 或几种混合；
所述消泡组分为有机硅类、聚醚改性有机硅类消泡剂中的任意一种或几种混 合；
所述触变改性组分为江苏苏博特新材料股份有限公司生产的VM1002混凝 土流变改性剂，所述VM1002混凝土流变改性剂为重均分子量300-500万两性离 子聚合物，水溶性佳，耐盐碱性强。
本发明所述触变改性组分在水相中均匀分散，使其水溶液具有极高的时间触 变性，所述触变性由静切力法和滞后环法评价；
采用静切力法评价触变性时，剪切移除后，体系静切力极速回复重建；所述 体系静切力极速回复重建是指：所述触变剂的0.5％水溶液，采用美国Brookfield 公司产旋转布氏粘度计测试，100s-1速率下剪切60s后移除剪切，溶液静切力于 60s内应回复至未剪切时值的90％以上；所述静切力测试方法参见 GB/T16783.1-2006《石油天然气工业钻井液现场测试第1部分：水基钻井液》；
采用滞后环法评价触变性时，滞后环法采用滞后换的面积反映流体触变能的 储存大小，即其结构拆散与形成所需能量之差，详见刘崇建、刘孝良《触变性水 泥的评价方法及其应用》，钻井工程，2001年第21卷第2期。
所述复合膨胀剂由以下各组分按重量百分比组成：
前述各组分的重量百分比之和为100％。
所述塑性发气剂为偶氮二甲酰胺，商品名AC发泡剂，在碱性环境中缓慢分 解，产生N2、CO2等气体，补偿混凝土硬化前塑性阶段的凝缩；
所述轻烧氧化钙熟料江苏苏博特新材料股份有限公司生产，其氧化物组成中 CaO含量不低于80％；
所述轻烧氧化镁熟料江苏苏博特新材料股份有限公司生产，其氧化物组成中 MgO含量不低于95％，活性指数为100-240s；
所述石膏为市售半水石膏，其氧化物组成中SO3含量不低于48％。
本发明提供的一种大跨度CFST拱桥管内用自密实、无收缩混凝土，其拌合 物具有良好的工作性与较低的粘度，并具有2h以上的工作性保持能力，通过高 抛、顶升等施工方法灌注入钢管结构，可保障拌合物在钢管内的密实填充；
本发明提供的一种大跨度CFST拱桥管内用自密实、无收缩混凝土，具备良 好的触变性，拌合物填充至相应部位后，从运动状态变为静止状态，体系静切力 可迅速回复提升，使内部气泡运动所受粘滞阻力大大增加，从而无法上浮聚集， 显著改善钢管顶部脱空现象；
本发明提供的一种大跨度CFST拱桥管内用自密实、无收缩混凝土具备的高 触变性来源于其中掺入的高分子量两性离子聚合物，利用其疏水缔合作用，带来 的拌合物触变性远高于纤维素醚、淀粉醚、聚丙烯酰胺、层片状硅酸盐等传统保 水增稠材料，并解决了生物胶类物质水溶性与离子稳定性差，无法与减水剂中其 它功能组分复配的难题；同条件下采用滞后环法评价，掺入本发明提供的外加剂 后混凝土滞后环面积高出采用纤维素醚、淀粉醚、聚丙烯酰胺、层片状硅酸盐等 传统保水增稠材料1倍以上。
本发明提供的一种大跨度CFST拱桥管内用自密实、无收缩混凝土，自灌注 成型开始，具有分阶段、全过程地补偿收缩变形能力，可保障内部混凝土与外部 钢管壁间的紧密贴合，协同受力。混凝土塑性阶段发气剂在碱性环境中分解，产 生粒径不超过0.2mm的微小气泡，使拌合物体积膨胀，补偿其硬化前塑性阶段 的凝缩；氧化钙膨胀剂水化活性较高，膨胀较早，主要补偿钢管混凝土硬化后 7d以内的自收缩和温降收缩；氧化镁膨胀剂水化活性较低，膨胀历程长，主要 补偿钢管混凝土长期自收缩和温降收缩。
附图说明
图1为混凝土流变仪剪切速率变化过程。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下列实例是对本发明的进一步举例说明，不应被认 为是对本发明的任何形式的限制。
实施例1
P.O42.5水泥400kg/m3，粉煤灰70kg/m3，矿粉35kg/m3，中河砂780kg/m3， 石子940kg/m3，PCA-I聚羧酸高性能减水剂11kg/m3，HME-II高性能混凝土氧化 镁复合膨胀剂55kg/m3，水165kg/m3。
实施例2
P.II52.5水泥350kg/m3，粉煤灰105kg/m3，矿粉50kg/m3，中河砂780kg/m3， 石子940kg/m3，PCA-I聚羧酸高性能减水剂9kg/m3，HME-II高性能混凝土氧化 镁复合膨胀剂55kg/m3，水170kg/m3。
实施例3
P.O52.5水泥370kg/m3，粉煤灰70kg/m3，矿粉30kg/m3，中河砂840kg/m3， 石子935kg/m3，PCA-I聚羧酸高性能减水剂10kg/m3，HME-II高性能混凝土氧 化镁复合膨胀剂50kg/m3，水153kg/m3。
对比例1
P.O42.5水泥505kg/m3，中河砂780kg/m3，石子940kg/m3，PCA-I聚羧酸高 性能减水剂11kg/m3，HME-II高性能混凝土氧化镁复合膨胀剂55kg/m3，水 165kg/m3。
对比例2
P.O42.5水泥400kg/m3，粉煤灰70kg/m3，矿粉35kg/m3，中河砂780kg/m3， 石子940kg/m3，市售减水率26％的普通混凝土减水剂11kg/m3，市售钙类普通混 凝土膨胀剂55kg/m3，水165kg/m3。
对比例3
P.II52.5水泥350kg/m3，粉煤灰105kg/m3，矿粉50kg/m3，中河砂780kg/m3， 石子940kg/m3，市售减水率26％的普通混凝土减水剂9kg/m3，市售钙类普通混 凝土膨胀剂55kg/m3，水170kg/m3。
对比例4
P.O52.5水泥370kg/m3，粉煤灰70kg/m3，矿粉30kg/m3，中河砂840kg/m3， 石子935kg/m3，市售减水率26％的普通混凝土减水剂10kg/m3，市售钙类普通混 凝土膨胀剂50kg/m3，水153kg/m3。
按实施例1-3与对比例1-4的配合比拌合C60钢管自密实、无收缩混凝土， 然后分别测试所得混凝土的初始与2h坍落扩展度、T50时间、含气量、终凝时间、 拌合物在规定剪切曲线下的滞后环面积(KPa·s-1)、自浇筑成型开始的自生体积 变形(自收缩)及其7d、28d抗压强度，测试结果如表1所示，表中①-⑦依次 对应实施例1-3与对比例1-4。
表1中C60钢管自密实、无收缩混凝土自浇筑成型开始的自生体积变形测 试方法参照GB 50448-2015《水泥灌浆材料应用技术规范》和SL 352-2006《水 工混凝土试验规程》进行，正值表示混凝土体积膨胀，负值表示混凝土体积收缩。 24h内测试零点为初始成型(考察塑性发气剂作用效果)，24h-7d测试零点为自 成型开始24h后(24h前变形不计入，主要考察钙类膨胀剂作用效果)，7d-60d 测试零点为自成型开始7d后(7d前变形不计入，主要考察镁类膨胀剂作用效果)。
表1中C60钢管混凝土拌合物的滞后环试验采用冰岛Iceland Contec公司产Viscometer 5混凝土流变仪进行。拌合物在搅拌机中搅拌均匀后立即移入流变仪， 仪器剪切速率变化历程如图1所示，共分为五个阶段：(1)1min的预剪切，剪 切速率为10s-1；(2)在10s内剪切速率从10s-1下降为0；(3)保持静止1min； (4)在1min内剪切速率从0匀速上升至10s-1；(5)在1min内剪切速率从10s-1匀速下降至0。整个剪切过程中每隔1s取一个数据点，作流变曲线，得到剪切 速率上升与下降阶段(第(1)、(2)阶段)剪切应力随剪切速率变化关系，上 升段与下降段曲线不重合，积分得到曲线所围区域面积，即为滞后环面积。测试 在20℃室温下进行。
如表1所示，本发明提供的一种大跨度CFST拱桥管内用自密实、无收缩混 凝土实施例1(表1中①)，相比于未使用矿物掺和料的对比例1(表1中④)， 拌合物初始与经时坍落扩展度、T50时间等指标均得到优化，拌合物粘度降低； 且膨胀剂分阶段补偿收缩效果更佳，表明适量矿物掺和料取代水泥显著降低了高 强混凝土收缩率。
如表1所示，本发明提供的一种大跨度CFST拱桥管内用自密实、无收缩混 凝土实施例1-3(表1中①-③)，相比于使用市售普通高减水率减水剂的对比例 2-4(表1中⑤-⑦)，在初始坍落扩展度相近的情况下，T50时间显著减小，表 明混凝土拌合物粘度有效降低，工作性能得到优化。
如表1所示，本发明提供的一种大跨度CFST拱桥管内用自密实、无收缩混 凝土实施例1-3(表1中①-③)，相比于使用市售普通高减水率减水剂的对比例 2-4(表1中⑤-⑦)，拌合物在混凝土流变仪中测试，剪切速率先逐渐增大，后 沿原路径逐渐减小，测试剪切应力的变化，可以得到一个滞后环路。该环路所围 面积大小，反应了体系触变性的强弱，即剪切作用移除后，体系回复原有结构的 能力。实施例1-3滞后环面积远高于对比例5-7，体现出极高的触变性。
如表1所示，本发明提供的一种大跨度CFST拱桥管内用自密实、无收缩混 凝土实施例2-4(表1中①-③)，相比于使用市售普通高减水率减水剂的对比例 5-7(表1中⑤-⑦)，测试混凝土自浇筑成型开始的自生体积变形。0-24h时， 混凝土主要处于塑性状态，实施例1-3表现出明显的体积膨胀，表明塑性膨胀剂 效能有效发挥，对比例则持续收缩，变形为负值。
如表1所示，本发明提供的一种大跨度CFST拱桥管内用自密实、无收缩混 凝土实施例1-3(表1中①-③)，相比于使用市售普通高减水率减水剂的对比例 2-4(表1中⑤-⑦)，测试混凝土硬化后24h-60d的自生体积变形。24h-7d内， 此阶段主要是钙类膨胀剂发挥作用，实施例1-3与对比例2-4均有一定的自生膨 胀变形，但前者显著高于后者，表现出更大的膨胀效能；7d-60d内，实施例1-3 的收缩变形显著低于对比例2-4，体现出镁类膨胀剂在后期良好的补偿收缩作用 效果。
综上所述，本发明提供的一种大跨度CFST拱桥管内用自密实、无收缩混凝 土，其拌合物具有良好的流动性，可以在钢管内密实填充；具有显著的触变性， 拌合物填充至相应部位后，静切力迅速回复提升，使内部气泡运动阻力大大增加， 从而无法上浮聚集，显著改善钢管顶部脱空现象；掺加了分阶段、全过程补偿混 凝土收缩的复合膨胀剂，可使混凝土自浇筑开始即与钢管壁紧密贴合，协同受力。 可以有效解决目前钢管混凝土结构，尤其是大跨度公铁桥梁钢管混凝土结构面临 的关键技术问题，适合推广应用。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，作出若干改进和变化，这些都属于 本发明的保护范围。
表1大跨度CFST拱桥管内用C60自密实、无收缩混凝土工作、力学和变形性能

Claims (3)

1.一种大跨度CFST拱桥管内用自密实、无收缩混凝土，其特征在于，包括以下组分，各组分的重量为：
所述水泥为硅酸盐或普通硅酸盐42.5级或52.5级水泥；
所述矿物掺合料为国标II级以上粉煤灰及S95级以上矿粉以任意比例混合；
所述细骨料为含泥量不超过2％，细度模数2.3-3.0的中河砂；
所述粗骨料为5-20mm的级配石灰岩、花岗岩或玄武岩碎石；
所述聚羧酸高性能减水剂为江苏苏博特新材料股份有限公司生产PCA-I聚羧酸高性能减水剂，减水率26％；
所述复合膨胀剂为江苏苏博特新材料股份有限公司生产HME-II高性能混凝土氧化镁复合膨胀剂。
2.根据权利要求1所述的一种大跨度CFST拱桥管内用自密实、无收缩混凝土，其特征在于，所述聚羧酸高性能减水剂由以下各组分按重量百分比组成：
所述减水组分为重均分子量2万～8万的聚丙烯酸类醚型共聚物；
所述保坍组分为重均分子量2万～5万的酯型共聚物；
所述缓凝组分为葡萄糖、葡萄糖酸钠、柠檬酸钠、多聚磷酸钠中的任意一种或几种混合；
所述消泡组分为有机硅类、聚醚改性有机硅类消泡剂中的任意一种或几种混合；
所述触变改性组分为江苏苏博特新材料股份有限公司生产的VM1002混凝土流变改性剂，所述VM1002混凝土流变改性剂为重均分子量300-500万两性离子聚合物。
3.根据权利要求1或2所述的一种大跨度CFST拱桥管内用自密实、无收缩混凝土，其特征在于，所述复合膨胀剂由以下各组分按重量百分比组成：
所述塑性发气剂为偶氮二甲酰胺，商品名AC发泡剂；
所述轻烧氧化钙熟料江苏苏博特新材料股份有限公司生产，其氧化物组成中CaO含量不低于80％；
所述轻烧氧化镁熟料江苏苏博特新材料股份有限公司生产，其氧化物组成中MgO含量不低于95％，活性指数为100-240s；
所述石膏为市售半水石膏，其氧化物组成中SO3含量不低于48％。
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