CN108395174B - 一种大跨度cfst拱桥管内用自密实、无收缩混凝土 - Google Patents

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 (1)

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：

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；

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；

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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