自密实混凝土的桥梁工程中的应用

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张国志1，刘秉京2，徐长生2，屠柳青2，雷宇芳2

武汉大学资源与环境学院，湖北武汉　430071
武汉港湾工程设计研究院，湖北武汉　430071

摘　要：自密实混凝土是目前国内外混凝土界研究的热点之一，由于自密实混凝土具有很高的流动性和适宜的粘度，无需振捣而可穿过钢筋自行充满整个模板空间。使用自密实混凝土可以节约劳动力、减少噪音污染。选用适宜的原材料和配合比可配制出C30～C50，甚至强度超过80MPa 的自密实混凝土。本文研究了自密实混凝土流动性的评价方法、物理力学性能并在润扬长江大桥进行了成功应用。

关键词：自密实混凝土；高效减水剂；耐久性

中图分类号：U 444118　文献标识码：A 　文章编号：1003-3688 (2004)01-0001-05

1　引言

自密实混凝土是一种同时具有高流动性和适当粘度的混凝土，它能够流过钢筋填满模板内的所有空隙，在重力作用下自行密实。1983年日本研制开发了自密实混凝土。

有些结构物钢筋密集、断面狭窄；有的待浇筑混凝土处于已有结构的下方，难以用传统方法有效浇筑，这些结构混凝土常常不易得到完全捣实而形成缺陷，应用自密实混凝土可以很好地解决这一问题。此外应用自密实混凝土还有许多优点，如：加快施工速度、节省劳动力、提高混凝土质量、减少噪音污染、降低综合造价等。由于自密实混凝土的许多优点，世界上许多国家相继进行了研究并在工程中得到了应用。如瑞典应用自密实混凝土减轻操作工人的劳动强度；荷兰50% 的预制厂采用自密实混凝土；德国预制行业应用自密实混凝土可降低造阶3.5%～6.8%，并颁布了自密实混凝土技术规范；丹麦在地铁和隧道中都应用了自密实混凝土；日本在明石海峡大桥工程中大量应用了自密实混凝土等。

2　新拌自密实混凝土的性能

与普通混凝土相比，自密实混凝土具有下述性能：

(1) 流动性好。自密实混凝土必须能够流动并填满模板内每个角落，这要求混凝土具有很好的流动性。它与一般水下混凝土的不同之处在于它能流过密集的钢筋并保证混凝土成份基本均匀。而水下不离析混凝土由于掺加纤维素或聚丙烯酰胺等，具有较大的粘性，不宜穿过密集钢筋，同时气泡不易排除，故只能在钢筋稀少的大仓面内应用。

(2) 稳定性好。自密实混凝土在流动过程中必须保证不离析、减少泌水。因此自密实混凝土的粘度应适中，太大则易离析和泌水；太小则流动性差。

(3) 不会堵塞。自密实混凝土在流过密集钢筋或狭窄空间时不能产生堵塞，为此应减少粗骨料的粒径和用量，增大胶凝材料比例或适量应用增粘剂。自密实混凝土中小于80µm的粉体用量一般在500～600kg/m3之间。为降低混凝土收缩和水化热，可适量掺加粉煤灰、矿渣、石灰石粉等掺合料。粗集料宜选用5～15mm或5～25mm粒级，其绝对体积宜为混凝土体积的0.28～0.33之间。自密实混凝土细集料体积应占到砂浆体积的40%～50%为宜，同时自密实混凝土应选用优质高效减水剂。

我国目前工程应用的基本上是粉体型自密实混凝土，即掺加高效减水剂和较多的胶凝材料，以保证足够的粘性和流动性能，但过多的胶凝材料用量可能对混凝土耐久性能有害。日本应用较多的则是增粘型自密实混凝土，其增粘剂一般为多糖。各国对自密实混凝土性能要求不尽相同，日本土木学会对自密实混凝土的填充性能等级规定见表1，德国和英国自密实混凝土拌和物试验见表2、3。

 

 

 

 

3　试验方法

3.1　坍落流动度

参考有关标准做坍落度试验，垂直提起坍落度筒，记录混凝土坍扩度流到500mm的时间，并量取流动终止后的最大直径即为坍落流动度。

3.2　漏斗流下时间

漏斗试验装置如图1 所示，适用于最大粗骨料粒径为25mm的混凝土试验。试验时将拌和物均匀地倒入漏斗内，直到混凝土面与漏斗上口齐平，然后打开下出口，记录混凝土全部流出所需时间即为漏斗流下时间。
 

 

3.3　U形箱填充高度试验

U形装置适用于粗骨料最大粒径为25mm的混凝土试验，试验装置见图2。试验时先向A室内加满混凝土，然后拉起活门，混凝土通过障碍流到B室，待混凝土停止流动后，量取B室混凝土的上升高度。

3.4　填充度试验

试验装置如图3，试验时混凝土从无铜棒端加入，填到220mm高度，待箱内混凝土停止流动时停加料，在箱体高度220mm下分为A和B两部分，A为填满混凝土部分，B为未填混凝土部分。填密度= A/(A+B)×100%。自密实混凝土填密度以不小于90%为宜。
 

 

3.5　L 形流动度试验方法

L 形试验装置如图4 所示，往L形箱体垂直部分加入12.7L的混凝土拌和物，静置1min， 拉起活门，混凝土自垂直部分流向水平部分，测量流动20mm和40mm距离的时间，量取H1和H2的高度，H2/H1不应小于0.80。
 

 

4　自密实混凝土配合比设计原则

由于自密实混凝土必须具有高流动性和适宜的粘度，新拌混凝土应满足如下要求：a)坍落流动度：500～600mm；b)流到500mm 时间5～15s；c) 漏斗流下时间5～20s；d)填密度≥90%；e)U 形或箱形填满高度>300mm。

根据结构条件、施工条件及对混凝土性能的要求选用胶凝材料，如混凝土凝结时间、水化热温升、强度、耐久性能等。胶凝材料可采用普通水泥+ 矿渣+ 粉煤灰、中热水泥+矿渣+粉煤灰或矿渣水泥+粉煤灰等粉体形式。粗骨料最大粒径以不超过25mm为宜，对于钢筋间距较大的混凝土，也可应用最大粒径为40mm的粗集料。混凝土外加剂可采用聚羧酸类高效减水剂，氨基磺酸盐高效减水剂或萘系高效减水剂。自密实混凝土配合比设计要点如下：

(1) 选择硅酸盐水泥或中热硅酸盐水泥+矿渣+粉煤灰的三粉体胶凝材料或掺加粉煤灰和硅灰。胶凝材料用量以500～600 kg/m3为宜；

(2) 选定粗骨料最大粒径为25mm或20mm，粗集料绝对体积为0.28～0.33m3/m3；

(3) 根据以往经验，采用高效减水剂，根据流动性要求选择用水量。例如普通自密实混凝土用水量180～200 kg/m3，高强自密实混凝土用水量160～180 kg/m3，可根据强度和耐久性要求调整；

(4) 根据胶凝材料用量、用水量及粗集料用量计算细集料用量，控制细集料用量为砂浆体积的40%～50%；

(5) 采用高效减水剂的掺量为0.8%～1.2%，根据流动性要求调整；

(6) 用上述配比进行坍落流动度、流动速度，漏斗流出时间及填密度试验，最终确定配合比。

5　自密实混凝土的物理力学性能

5.1　普通强度等级自密实混凝土试验

中港二航局科研所进行了自密实混凝土试验，采用4215 普通水泥，二级粉煤灰，5～15mm 碎石和氨磺酸盐复合外加剂(CAN)，试验结果见表4。由表4实验结果说明，采用氨基磺酸盐复合外加剂，掺加35%的粉煤灰，混凝土具有良好的流动性，适当的粘度，不离析，均匀性好，有良好的填充性能，在90min内可以保持自密实混凝土的性能，用于实际结构混凝土的施工，可以越过钢筋，流满整个模板空间自行密实，完成混凝土浇筑。

通过合理的配合比设计及外加剂选择，可配制出C30～C50不同等级的自密实混凝土，其混凝土初始性能：(1) 坍流度65±5 cm；(2) 流动速度为8s左右；(3) 漏斗流下时间为9s左右；(4) 填密度大于95%。90min后，该混凝土坍流度及填密度变化很小，说明所用外加剂CAN具有保持坍落度损失的功能。

5.2　高强自密实混凝土试验

应用华新5215普通水泥，二级粉煤灰，比表面积为530m2/kg 的矿渣和埃肯硅灰进行了高强自密实混凝土试验，试验结果见表5。从试验结果可以看出：

(1) 胶凝材料600kg/m3掺加粉煤灰、矿渣、硅灰可以拌制坍落流动度65cm以上，流到扩展广度50cm时间在10s左右， 漏斗流下时间为11s左右，填密度大于90%的自密实混凝土，其28 d 抗压强度可达80M Pa 以上；

(2) 单掺硅灰的混凝土自密实性能较低于硅灰复合粉煤灰与矿渣的自密实混凝土；

(3) 纯水泥自密实混凝土不仅坍落流动性能、漏斗流下时间和填密度诸性能低于掺辅助胶凝材料的自密实混凝土，且抗压强度也较低。

 

 

6　自密实混凝土在工程中应用

6.1　工程概况

润扬长江公路大桥南汊悬索桥E1 标北锚碇基础为长69m，宽50m，深48m的特大深基坑，是整座大桥的控制性工程，其基础结构从下往上依次为混凝土底板、填芯结构和顶盖板。填芯结构施工时需在底板上施工内衬墙和内隔墙，以两道支撑之间的高度作为一次支模的高度浇筑混凝土。由于基坑内支撑体系的阻挡，内衬墙混凝土浇筑时顶面无法振捣。为保证混凝土的施工质量，我们决定采用自密实混凝土技术施工内衬墙，并在现场根据施工情况进行了两次模拟试验，试验效果良好，完全可以满足施工要求。

6.2　自密实混凝土配合比

2002年4月在润扬大桥工地试验室利用现场原材料进行了现场试验并根据试验具体情况进行了配合比调整。经试验四组配合比均能满足《日本自密实混凝土技术规范》要求，其中1～2组配合比略有泌水，经调整为3～4组配合比后泌水消失。考虑到《钢筋混凝土施工技术规范》中粉煤灰取代水泥最大限量的要求，确定第4组配合比为现场应用。具体配合比见表6、表7。

 

 

6.3　现场模拟试验块的浇筑

现场浇筑试验根据E1标基坑工程具体施工情况，按两种工况设计了尺寸为300cm×110cm×95cm和256cm×193cm×90cm的两块试块，在待浇混凝土上方覆盖有预制混凝土板，并分别钻ø15cm的圆孔作为进料和排气。

模拟试验原材料由现场提供，采用搅拌站拌合混凝土，利用下料漏斗直接浇筑至混凝土全部充满模板空间。经过34h后拆模，经检查整个混凝土填充密实，没有蜂窝、狗洞、掉角及麻面等现象。48h后吊起上盖板，检查混凝土顶面，整个混凝土表面平整，没有蜂窝等不密实现象。同时选取6个部位进行了钻芯取样。从芯样观察，混凝土内部非常密实，没有缺陷，芯样强度3d、7d、28d分别为2917MPa，3516MPa和4215MPa，完全达到了设计等级。混凝土浇筑效果良好，完全达到了预期的目的。

6.4　现场施工情况

润扬大桥E1标北锚碇基础内衬墙自密实混凝土施工自2002年5月中旬开始至10月结束，混凝土标号为C30，混凝土方量约1 万m3。混凝土搅拌采用强制式拌合站进行，通过混凝土搅拌车将自密实混凝土运送至施工现场，然后通过泵送或溜槽直接入仓，混凝土通过自身重力穿过钢筋而填满整个仓面，整个过程没有进行人工振捣。经两天后拆模，混凝土表面平整、光滑，没有蜂窝或麻面，证明自密实混凝土施工质量良好。

原作者： 张国志，刘秉京，徐长生，屠柳青，雷宇芳

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