共和乌江特大桥C60高强泵送混凝土

1、共和乌江特大桥C60高强泵送混凝土配合比设计与工艺控制第四工程责任有限公司赖庆招刘耀华摘要以共和乌江特大桥主桥为依托，对C60高强混凝土的配合比设计与施工研究进行阐述，其中重点介绍了混凝土配合比设计优化中新型材料的应用，以及在高墩（125米）大跨（200米）桥梁中应用优势，并就其预期效益、得出的主要结论和存在问题进行分析，可供类似工程参考。关键词连续刚构桥梁C60高强混凝土配合比优化设计效益分析工程概况重庆彭武高速公路C15合同段为单体特大桥项目，是整个渝湘高速公路的关键控制性工程之一，主桥为横跨乌江的（113+200+113）m预应力砼连续刚构桥，分双幅修建，主梁为单箱单室截面，采用C60混

2、凝土，设计方量共计17418.2m3。墩位所处地形起伏较大，地势险要，施工难度大，桥高为138m。1.1工程背景高强混凝土是指混凝土强度等级不低于C60的混凝土，它是用优质集料、强度等级高的水泥、降低水灰比及在强烈振动密实作用下制取的。决定混凝土强度高的主要因素有：一是集料抗压强度高，与水泥胶结性好；二是采用高强水泥，活性高，硬化后的水泥石密实度高胶空比大，并振捣密实；三是混凝土混合物的水灰比小，采用干硬性混凝土，同时掺入高效减水剂配合使用，使混凝土在极小的水灰比下能够浇灌密实。但随着时代的发展，干硬性的砼远不能适应现代工程高速发展的需要，因此高强混凝土的流态化是目前混凝土科学发展的方向。目前

3、国内外制取高强大流动性混凝土主要有四种途径，即改进胶结材料、改进硬化体利用增强材料及复合结构。由于混凝土的强度来自水泥浆的强度、水泥浆与骨料的界面粘结强度、骨料的颗粒强度，因此，在研究采用普通材料与常规工艺配制C60高强混凝土时，应从以下几个方面入手：1）选择优良品种的水泥。2）选择优良的粗细集料。3）掺加外掺剂，常用活性混合材料有粉煤灰、沸石粉以及硅灰等。4）优化混凝土配合比，主要控制三方面：水灰比、砂率、外掺剂组合优化。5）高效减水剂。C60配合比设计原材料选用TOC o 1-5 h z原材料表1材料名称产地规格型号实测指标水泥重庆南川嘉南水泥厂P.052.5R见表2河砂湖南岳阳洞庭湖中粗

4、砂II区见表5彭水乌江砂中砂碎石重庆武隆县龙兴江5一25mm连续级配见表3外加剂重庆加，鸿高新建材科技有限公司XH型见表7水彭水乌江水合格（外委），见表10微硅粉四川宜宾利天建材厂“利天”LT微硅粉合格（外委）见表8纤维山东泰安现代化学建材有限责任司“傲峰”19mm聚丙烯网状纤维合格（外委）见表9TOC o 1-5 h z水泥各项物理力学性能标准试验结果表2品牌名称强度等级细度（%）标准稠度安定性凝结时间（min）抗折强度（Mpa）抗压强度(Mpa)初凝终凝3d28d3d28d南川嘉南P.O52.5R1.627.6合格2102956.07.832.157.7TOC o 1-5 h z粗集料物理

5、力学性能技术指标表3最大粒表观密度堆积密振实密度空隙率针片状压碎含泥碱活性母材抗压径mmg/cm3度g/cm3g/cm3%含量值量%试验%强度（Mpa）252.6711.5701.665391.48.10.40.0097117.8TOC o 1-5 h z粗集料颗粒级配表4筛孔尺寸mm26.519.016.09.54.752.36累计筛余%3.621.952.180.198.399.2TOC o 1-5 h z细集料物理力学性能指标表5类别表观密度堆积密度振实密度空隙率含泥量细度模数岳阳中砂2.5941.451.63430.32.84乌江中砂2.6671.451.61431.62.76细集料颗

6、粒极配表6筛孔尺寸mm9.54.752.361.180.60.30.15累计筛余%05.313.531.560.288.398.1流动性砼用水量计算式的集料常数表11外加剂主要指标试验结果表7试验项目标准；指标检验结果单项评定一等品合格品减水率%三12三1024一等品泌水率%100+90min165min一等品终凝155min一等品抗压强度比3d三125三120142一等品7d三125三115138一等品28d三120三110131一等品收缩率比13513599一等品总碱量15.26合格CL含量0.25合格对钢筋的锈蚀作用无无合格微纤维品质检验报告结果表8直径mm长度mm抗酸性拉伸强度Mpa,

7、抗碱性拉伸强度Mpa,抗拉强度Mpa断裂伸长率弹性模量Mpa.合格指标0.030.051025三490三490三500525三3500实测0.04219519524580186670微硅粉品质检验报告结果表9检测项目标准指标结果结论SiO2含量三8592合格烧失量420002000500600乌江水6155164.05.239.32.2设计参数：1）采用中砂，根据相关规范要求砂率取38.5%。2）混凝土拌和采用重量法，假设该混凝土每立方米重量为：2450kg。2.3计算过程：（以推荐配合比为例）1）配制强度fcu.o三1.15fcu.k=69.0MPa2）水灰比计算计算水灰比因采用的水泥28天

8、抗压强度实测值fce暂时没有资料，水泥强度等级值的富余系数按偏安全取1.0,Yc=1.0X52.5=52.5MPa。W/C=0.46X52.5X1.0/（69.0+0.46X0.07X52.5X1.0）=0.343）用水量确定通过公式mwo=10/3（T+K）计算求得系数集料最大粒径mm10204080K碎石57.553.048.544.0卵石54.550.045.541.0由表中数据内插25mm碎石得K=51.9而T=18cm用水量mw=10/3(T+K)=233X(124%)=177kg/m3o实际取用水量175kg/m3水泥用量为me=175/0.37=473实际取470kg/m3o每立

9、方米混凝土材料用量(kg)配合比结果表12强度等级水灰比每立方米混凝土实际用量kg水泥碎石砂水微硅粉纤维外加剂砂率C600.374701085680175400.96.1238.5理论配合比12.311.4470.3720.0850.00190.013拌和物物理性能及强度检验结果表13强度等级平均养护温度水胶比坍落度棍度粘聚性保水性强度3d7d28dC60200.34190中良好良好54.368.676.82.4配合比优化设计最优方法、外掺料及重要指标的确定一掺法、二掺法、三掺法试配优选表14组数编号类别水胶比坍落度mm水泥kg微硅粉kg矿渣kg砂率%强度MPa.3d7d28d11-1乌江砂0

10、.31205520503553.860.571.31-221065.21-3岳阳砂23052.161.770.81-423572.922-1乌江砂0.332105303652.161.770.82-222060.969.42-3岳阳砂20553.562.873.12-421070.733-1乌江砂0.3221548030503448.560.371.43-220559.464.83-3岳阳砂21051.863.574.83-420571.044-1乌江砂0.33205520303551.461.071.94-219571.64-3岳阳砂20051.161.372.44-421077.0采用三掺

11、法，即水泥外掺高效减水剂、微硅粉和纤维。通过大量试验试配证明：采用一掺法水泥用量高、拌和料易板结、强度起伏大、不宜保证；二掺法后期强度高，但不适宜本桥，不能满足4天预应力张拉强度要求；使用三掺法较为理想。既降低了水泥用量，又能保证混凝土早期和后期强度和工作性（和易性、流动性、保水性、泌水性）等要求，同时也避免砼板结、泌水以及泵送等诸多因素。2）添加微硅粉粉煤灰早期强度低，而硅粉由于颗粒微小，能够对拌和物中的自由水产生吸附作用，有效改善拌和物工艺性能。掺加微硅粉增加了混凝土和易性、流动性，利于高墩泵送。硅粉具有微粒效应，在较短时间内即能发生全面水化反应，从而促进混凝土早期强度较快增长，并提高混凝

12、土弹性模量，从而缩短主桥悬浇阶段的施工周期，加快工程进度。3）添加聚丙烯纤维限制早期（塑性期和硬化初期）混凝土由于离析、泌水、收缩等因素形成的原生裂隙的发生和发展；减小原生裂隙的数量和尺度，显著改善混凝土的性能，提高混凝土的耐久性。有效的控制混凝土及水泥砂浆早期的塑性收缩、干缩等非结构性裂缝的产生和发展，有效阻碍骨料的离析，提高混凝土工程质量。4）采用湖南岳阳洞庭湖河砂通过试验证明，采用乌江砂配制的C60砼工作性能和强度能满足实际施工需要。但相对而言，乌江砂含泥量略偏高、需水率偏高；而湖南岳阳砂硬度高、含泥量小、轻物质含量少、需水量小。再者，岳阳砂的各项物理性能指标较稳定；砂率对混凝土强度、工

13、作性不是很敏感，砂率选择的范围较大，试配表明砂率在32%39%都能满足要求。5）缓凝时间的确定考虑到重庆天气夏季气温偏高、工地现场施工情况等诸多因素，宜使用缓凝高效减水剂，缓凝时间由结构砼方量及季节变化而定。采用正交试验优化三掺法配合比考核指标确定影响混凝土配合比的主要因素：水灰比（A）、水泥用量（B）、外加剂掺量（C）、硅灰掺量（D）、纤维掺量（E）、将C60混凝土拌和物工作性指标（坍落度、扩展度）与混凝土的抗压强度（3d、7d、28d）作为正交试验考核指标影响因素和各因素水平确定以水胶比（A）、水泥（B）、硅灰（C）、高效减水剂（D）和纤维（E）作为影响因素。1）水胶比直接影响混凝土的和易

14、性与强度；实践证明灰水比与混凝土强度呈线形关系，灰水比越大则强度越高，反之则越低。水胶比取0.32、0.34和0.362）水泥用量在规范要求的范围内，尽量降低水泥用量，减小水化热，有效控制箱梁早期裂缝的产生，综上所述，水泥用量取450kg、470kg和490kg三个水平。3）硅灰掺量：硅灰的掺入将极大的改善混凝土和易性，提高早期、后期强度，保证箱梁4d张拉；对降低水灰比，减少水泥用量贡献非常大。考虑混凝土的经济性分别取30kg、40kg和50kg三个水平。4）高效减水剂：随着高效减水剂的掺量增加，混凝土拌和物流动性增大，坍落度损失降低，但宜出现泌水和离析现象。综上所述，采用1.0%、1.2%和

15、1.4%三个水平。5）纤维掺量：纤维掺入较多对混凝土的早期裂缝，混凝土拌和物泌水、离析有较好的效果，但成本太高。通过试验取用0.9kg、1.0kg和1.1kg三个水平。正交试验设计方案按表17的正交试验设计方案，分别进行9种组合材料单位用量计算和试配试验，测定各种配合比的坍落度和标准龄期抗压强度，分别确定最优配合比参数。C60配合比正交设计方及结果分析表15编号因素落mmll坍度扩展度mm强度（MPa）水胶比（A）水泥用量（B）kg外加剂掺量（C）硅灰掺量（D）纤维掺量（E）3d7d28d1（1）0.32（1）450（1）1.0（1）30（1）0.919549051.461.071.92（1）

16、0.32（2）470（2）1.2（2）40（2）1.020551053.867.975.23（1）0.32（3）490（3）1.4（3）50（3）1.121052054.163.372.24（2）0.34（1）450（1）1.0（1）30（3）1.120053051.161.371.25（2）0.34（2）470（2）1.2（2）40（1）0.919050054.368.676.86（2）0.34（3）490（3）1.4（3）50（2）1.020551054.163.372.27（3）0.36（1）450（1）1.0（1）30（2）1.021050548.561.770.88（3）0.36（2

17、）470（2）1.2（2）40（1）0.921252055.063.573.99（3）0.36（3）490（3）1.4（3）50（3）1.120051553.562.877.0混凝土配合比的推荐是混凝土评定指标，其主要评定指标是坍落度和强度等。根据正交试验结果，通过技术经济比较确定最优配合比参数，其对应的组成材料的单位用量比例为N5对应的配合比，即推荐配合比。并对推荐配合比加以推荐，验证配合比的结果见表16混凝土推荐配合比验证试验结果表16材料名称产地规格型号配合比单位用量kg/m3水泥重庆南川嘉南水泥有限公司P.O52.5R1.00470碎石重庆武隆县龙兴江5一25mm连续级配2.31108

18、5河砂湖南岳阳洞庭湖中粗砂II区1.447680水彭水乌江水0.372175微硅粉四川宜宾利天律材厂“利天”LT微硅粉0.08540纤维山东泰安现代化学建材有限责任公司“傲峰”19mm聚丙烯网状纤维0.00190.9外加剂重庆旭鸿建材科技公司XH型0.0136.12坍落度mm195试配强度MPa69.9实测强度MPa7d62.728d75.028d74.6弹性模量3d3.65X1047d4.09X10428d4.83X104结论原材料符合验证要求，拌和物各项性能指标满足试配要求，28d强度、弹性模量满足要求。配合比质量控制在整个施工期内，碎石、砂的供应受市场需求、料源等影响，质量经常变动。水泥

19、实际强度基本稳定，但水泥温度也发生过很高的情况。这些问题，给配合比管理提出了更高的要求。在试验室配置符合要求的高强混凝土比较容易，而在整个施工过程中，稳定质量水平较为困难。一些在普通情况下不太敏感的因素，在低水灰比情况下会变得相当敏感，这就要求在整个施工过程中必须注意各种条件、因素的变化，并且要根据变化，随时调整配合比和各种工艺参数。在实际施工过程中，从以下方面加强了管理：1）坚持配合比调整由试验室专人专管、实施试验室主任严格把关,项目总工批准的原则。2）严格控制水灰比：骨料的含水量应在用水量中扣除，每天需测定骨料含水量，每次配料时应采用水量自动测定仪连续测定砂子含水量，在任何情况下都不得添加

20、额外水量；探测砼拌和物温度，必要时测定砼水化热，控制温升，延长和保证工作时间；3）材料部门将原材料供应的变化、波动及时通知试验室，试验室根据材料进场抽检结果，适时调整。4）由试验室将配合比调整的原因、方法、注意事项给各部门交底，并与监理工程师沟通。所有参与操作人员进行技术交底，完善各项记录文件。5）定期检定混凝土搅拌机的计量系统。6）合理安排工艺和工序，计算各阶段所需时间，合理缩短砼从搅拌到浇捣完毕的时间，浇筑混凝土过程中，试验人员全过程监控。C60混凝土强度评定将混凝土的28天试块强度按公路工程质量检验评定标准JTGF80/1-2004中附录D数理统计评定要求进行评定，以同批混凝土一个季度内

21、为例进行如下评定，结果满足设计和规范要求。C60混凝土试块强度汇总统计表表17组数n=180数据分析满足条件结论系数K1=1.60K2=0.85Rn-K1Sn=61.7MPa61.7=Rn-K1Sn三0.9R=54Rmin=61MPa评定合格Rn=67.5MPa0.9R=54MPa61=RminK2R=51Sn=3.60.85R=51MPa效益分析3.1经济效益1）利用工地试验室资源进行C60砼的各组正交混凝土强度等级试验结果对比及最佳配合比的确认，有效地缩短试验时间，加快施工进度，大大地节省了外委试验费用，也为项目C60砼施工积累了经验。2）经试配后的C60混凝土设计改变了原设计内容，已转换

22、为设计变更，C60砼合同单价为972元/m3，而业主已给定C60砼的变更单价为1482元/m3，全桥C60砼方量为17418.2m3，可增加利润700万元左右。3）由于增加了微硅粉和网状聚丙烯纤维，箱梁未出现砼裂缝，大大减少了大桥的后期养护费用。4）箱梁设计张拉强度为C60砼设计强度的85%（即51Mpa）,张拉龄期不少于4天，由于三掺法的C60砼强度达到51Mpa一般需要4天，而普通C60砼需要5天，则每施工一个箱梁节段能节省工期1天，全桥共计节省30天的工期，节省项目管理开支45万元左右。3.2质量效益1）满足混凝土强度要求，有效地控制混凝土及水泥砂浆早期的塑性收缩、干缩等非结构性裂缝的产

23、生和发展，防止混凝土开裂，减少工程维护费用，保证了箱梁施工质量。2）砼性能满足实际施工要求，即能满足长距离、垂直高度大的泵送要求。3）通过反复研究、综合比选优化施工方案，针对高温、高墩、长距离、泵送等特点，提出了专项施工控制标准，保证了箱梁混凝土整体质量达到优良。进度控制效益1）尽管掺配了网状聚丙烯纤维，混凝土的流动性受到一定影响，但因专项施工措施控制得当，砼的泵送顺利，浇注速度正常，确保箱梁节段施工周期控制在8天之内。2）有效保证了设计要求的4天张拉强度要求，确保梁段8天的施工周期，进度正常有序。若不掺加硅灰和纤维混凝土强度一般要6天才能达到设计张拉强度（即60X0.85%=51MPa）。社会效益此新材料的成功实施，丰富了施工单位高墩大跨桥梁在高强砼施工领域的技术经验，有效地促进了技术进步，为推广应用奠定了基础，对类似的现场施工具有很好的借鉴作用。主要结论（1）采用正交试验优化设计所确定的C60配合比具有良好的工作度、可泵性、强度和耐久性。成功实施了在重庆地区高温、大跨、高墩条件下混凝土的施工。（2）施工结果表明，在一定条件下，掺入硅