摘要：采用自密實(shí)混凝土作為鋼管核心混凝土，針對(duì)鋼管混凝土的受力特點(diǎn)和施工工藝，進(jìn)行自密實(shí)混凝土材料的選擇和配合比優(yōu)化。為了確保自密實(shí)鋼管混凝土的順利施工和硬化后良好的力學(xué)、變形性能，進(jìn)行了自密實(shí)鋼管混凝土與普通泵送鋼管混凝土拱的現(xiàn)場(chǎng)模擬施工對(duì)比試驗(yàn)，以及鋼管混凝土短柱的軸心受壓對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，自密實(shí)混凝土作為鋼管核心混凝土，其施工性能明顯優(yōu)于普通泵送混凝土，在施工過程中不泌水、不離析，硬化的混凝土能在各截面上均勻分布；自密實(shí)鋼管混凝土短柱的組合彈性模量、極限承載力和延性以及后期承載能力方面均與普通泵送混凝土短柱相似。在此基礎(chǔ)上，成功地將自密實(shí)混凝土應(yīng)用于莆田市一鋼管混凝土拱橋工程，應(yīng)用結(jié)果表明，采用自密實(shí)混凝土技術(shù)，鋼管混凝土拱橋施工順利、快捷，且更好地保證了工程質(zhì)量，同時(shí)混凝土材料造價(jià)與普通泵送混凝土基本持平。

關(guān)鍵詞：自密實(shí)混凝土； 鋼管混凝土；配合比優(yōu)化；力學(xué)性能；鋼管混凝土拱橋；工程應(yīng)用

0 引言

    近年來鋼管混凝土的發(fā)展在我國取得了令人矚目的成就，在高層、大跨結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用逐年增多，然而無論是高層建筑物的鋼管混凝土柱，還是鋼管混凝土拱橋，都存在著鋼管核心混凝土在施工中振搗困難，甚至無法振搗的問題。眾所周知，鋼管與其核心混凝土間的協(xié)同互補(bǔ)作用是鋼管混凝土具有一系列突出優(yōu)點(diǎn)的根本所在，混凝土澆筑質(zhì)量直接影響到構(gòu)件的承載力和鋼管混凝土的復(fù)合彈性模量，從而影響到構(gòu)件的安全性和能否正常工作，因此鋼管核心混凝土的質(zhì)量應(yīng)該引起足夠的重視^{[1 ]} 。

    本文采用自密實(shí)混凝土(SCC) 作為鋼管核心混凝土，通過現(xiàn)場(chǎng)泵送模擬施工試驗(yàn)、鋼管混凝土短柱的軸心受壓試驗(yàn)以及實(shí)際工程應(yīng)用證明，鋼管內(nèi)填自密實(shí)混凝土既能滿足設(shè)計(jì)所要求的強(qiáng)度、彈性模量等指標(biāo)，又具有良好施工性能，混凝土不僅可以在鋼管內(nèi)密實(shí)成型，而且混凝土材料在施工中始終保持均勻。

1 自密實(shí)混凝土配合比優(yōu)化

1.1 自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

    自密實(shí)混凝土是無需振搗，依靠自重在模板內(nèi)密實(shí)成型的混凝土。配制自密實(shí)混凝土的難點(diǎn)在于：混凝土在新拌階段不離析、不板結(jié)，在入模前始終具有工程需要的填充性、穿越性和均勻性；硬化后具有良好的體積穩(wěn)定性，符合工程和環(huán)境對(duì)其力學(xué)性能、變形性能和耐久性能的要求。

    然而為了獲得高流動(dòng)性，在自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)上常常存在一些誤區(qū)，如不恰當(dāng)?shù)卦龃笥盟?、膠凝材料總量或者采用過大的砂率等，導(dǎo)致混凝土在新拌階段缺乏穩(wěn)定性，嚴(yán)重離析、泌水；在硬化后均勻性差，容重低于正常混凝土[2 ] ，彈性模量低，體積穩(wěn)定性不好等等。這樣的混凝土帶來工程質(zhì)量的隱患是必然的。

    為了發(fā)揮自密實(shí)混凝土的優(yōu)勢(shì)，確保工程質(zhì)量，同時(shí)盡可能降低工程材料造價(jià)，必須優(yōu)化自密實(shí)混凝土的配合比。應(yīng)根據(jù)不同工程的實(shí)際需要，對(duì)新拌自密實(shí)混凝土的工作性，硬化后的力學(xué)性能(強(qiáng)度、彈性模量) 、變形性能(抗裂性、體積穩(wěn)定性等) ，以及長(zhǎng)期使用中的耐久性提出明確的指標(biāo)，通過選擇合適的原材料，優(yōu)化配合比等來保證自密實(shí)混凝土的高質(zhì)量與良好的經(jīng)濟(jì)性。

1.2 自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)與優(yōu)化

1.2.1 配制目標(biāo)的設(shè)定

    根據(jù)工程特點(diǎn)和環(huán)境條件，設(shè)定合適的配制目標(biāo)是自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)的第一步。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的澆筑方法一般有高位拋落法和泵送頂升法，在施工過程中混凝土澆筑線路長(zhǎng)，施工過程本身對(duì)混凝土的擾動(dòng)大，而鋼管混凝土構(gòu)件又多為垂直構(gòu)件，因此要求新拌混凝土不僅能靠自重填充密實(shí)，而且具有良好的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性[3 ] ，在施工過程中始終保持均勻，不離析，不泌水；此外，為了保證鋼管與混凝土更好地共同受力，還要求混凝土彈性模量高，收縮量小，與鋼管壁粘結(jié)牢靠。

1.2.2 原材料選擇

    選擇合適的原材料是成功配制自密實(shí)混凝土的關(guān)鍵。其中骨料和外加劑起了決定性的作用。我國大多數(shù)地區(qū)采用顎式破碎機(jī)生產(chǎn)碎石，即使在針片狀含量沒有超標(biāo)的情況下，碎石的粒形通常也是相當(dāng)扁的。囿于當(dāng)?shù)厮槭?yīng)條件的限制，本文在早期采用一次破碎成型的碎石試配自密實(shí)混凝土。大量的試驗(yàn)結(jié)果表明，即使在膠凝材料用量相當(dāng)高(約600kg/m3) 的情況下也往往無法保證新拌混凝土的穩(wěn)定性，雖然坍落度和坍落流動(dòng)度看似達(dá)到了自密實(shí)混凝土的要求，然而混凝土拌合物表現(xiàn)出離析、板結(jié)、粘滯，無法滿足自密實(shí)混凝土對(duì)穿越能力和抗離析能力的要求。為此，通過與碎石生產(chǎn)商協(xié)商，要求其采用新的夾片并將一次成型的骨料進(jìn)行二次回破，骨料的粒形有了明顯的改善。在此基礎(chǔ)上，為了改善碎石級(jí)配，在配合比中將5mm～10mm 和10mm～25mm 兩種粒徑進(jìn)行混合。

    適合泵送混凝土的外加劑并不一定都可以用于自密實(shí)混凝土，為了盡量降低膠凝材料用量并獲得新拌階段良好的流動(dòng)性和穩(wěn)定性，需要選擇減水率較高、不易導(dǎo)致離析的減水劑。合適的引氣量有利于新拌混凝土的抗離析能力，然而過多的、不穩(wěn)定的氣泡又常常導(dǎo)致混凝土不均勻、濕容重偏低、硬化后彈性模量低、變形大等缺點(diǎn)。在以往自密實(shí)混凝土配制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，考慮經(jīng)濟(jì)與外加劑的供應(yīng)情況，本文采用以萘系為主的復(fù)合高效減水劑，成功地解決了自密實(shí)混凝土新拌階段的穩(wěn)定性問題。

    此外根據(jù)當(dāng)?shù)氐馁Y源情況，選用三德牌42.5 普通硅酸鹽水泥，華能Ⅱ級(jí)粉煤灰和細(xì)度模數(shù)2.8 的河砂。

1.2.3 配合比參數(shù)的選擇

    首先量化鋼管自密實(shí)混凝土的配制目標(biāo)：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，強(qiáng)度等級(jí)為C40 ，考慮到鋼管混凝土內(nèi)部沒有密集鋼筋，對(duì)自密實(shí)混凝土新拌階段穿越能力的要求可以適當(dāng)放低。設(shè)定坍落度為250mm 左右，坍落流動(dòng)度在500mm～600mm 之間，拌合物目測(cè)穩(wěn)定性指標(biāo)為0 級(jí)[4 ] 。為了保證硬化混凝土的彈性模量正常，本文設(shè)定在摻大量粉煤灰的情況下混凝土的濕容重不低于2350kg/ m3 。

    在材料選定的情況下，要達(dá)到既定的配合比設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要綜合考慮并合理選取各種材料的用量與比例。為了滿足鋼管混凝土對(duì)彈性模量和體積穩(wěn)定性的要求并降低造價(jià)，應(yīng)在滿足工作性的基礎(chǔ)上，盡量降低膠結(jié)料用量尤其是膠結(jié)料中的水泥用量，提高骨料中粗骨料的比例；此外，為了保證混凝土與鋼管共同受力，采用膨脹劑產(chǎn)生微膨脹以進(jìn)一步提高與鋼管壁的粘結(jié)性能。

    在試驗(yàn)室配合比設(shè)計(jì)中，通過大量試驗(yàn)試配C40自密實(shí)混凝土。由于現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)的粗骨料粒形比試驗(yàn)室有所改善，為此進(jìn)一步降低了水泥用量，減小了砂率，提高了粗骨料中大粒徑的骨料比例，最終形成了闊口大橋工程中用的配合比SCC40 - A ，各配合比參數(shù)見表1 。

    自密實(shí)混凝土的工作性指標(biāo)及抗壓強(qiáng)度見表2 ， 文中采用目測(cè)穩(wěn)定性指標(biāo)(VSI) 來評(píng)價(jià)新拌自密實(shí)混凝土的穩(wěn)定性。從圖1 可以看出在坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)后混凝土圓周沒有泌水，也沒有出現(xiàn)砂漿圈，粗骨料在邊緣和中央分布同樣均勻。L 形儀試驗(yàn)[5 ]見圖2 ，自密實(shí)混凝土在工程應(yīng)用中在運(yùn)輸車卸下的情況見圖3 。

    (1) 新拌階段的穩(wěn)定性是自密實(shí)混凝土在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中成功應(yīng)用的前提。粗骨料的粒形和級(jí)配對(duì)新拌自密實(shí)混凝土的穩(wěn)定性有決定性的作用。
    (2) 合理選用工程中的原材料，可以配制出工作性和強(qiáng)度滿足要求的自密實(shí)混凝土。在自密實(shí)混凝土配制中，需要嚴(yán)格控制新拌階段的穩(wěn)定性指標(biāo)，保證濕容重正?？梢员苊鈴椥阅Ａ科?。
    (3) 軸心受壓短柱試驗(yàn)表明，自密實(shí)鋼管混凝土短柱與同強(qiáng)度等級(jí)的普通泵送鋼管混凝土短柱，在組合彈性模量、極限承載力、延性以及后期承載能力方面沒有明顯區(qū)別，兩者的荷載- 應(yīng)變曲線相似。
    (4) 自密實(shí)混凝土作為核心混凝土應(yīng)用于鋼管混凝土拱橋中，有利于防止堵泵、離析等現(xiàn)象，并加快施工速度。自密實(shí)鋼管混凝土的工程質(zhì)量可以得到保證。當(dāng)采用大摻量粉煤灰時(shí)，材料成本與普通泵送混凝土相差不大。