C30自密实混凝土在赤石大桥维修工程中的应用总结

C30自密实混凝土在赤石大桥维修工程中的应用总结编制： 审核： 批准： 福建省恒通路桥工程有限公司 二O二三年五月自密实混凝土简介前言在混凝土浇注过程中，由于受到施工环境及条件的影响，可能会出现振捣不足或过振的情况。而普通混凝土会因为振捣不足产生空洞、蜂窝、麻面、露筋等质量缺陷，影响混凝土的力学性能、耐久性，乃至最终影响到建筑物的安全可靠性能：而过振则会造成混凝土面水泥浆与砂的分离，使混凝土外观不美观，从而影响到建筑物的整体外观效果。因此，在二十世纪八十年代后期，日本的学者首先提出“自密实混凝土”的概念。并进行了大量的实验、研究，同时将自密实混凝土应用在众多工程实际中，并取得了成功。而我国自90年代初期开始对自密实混凝土进行研究，现已广泛应用，在多项工程实践中取得到成功，研究成果总体上已达到国际先进水平。2、自密实混凝土的性能特点自密实混凝土（也叫做为高流态混凝土，Self-Consolidating Concrete 简称 SCC）是指在自身重力作用下能够流动、密实，即使存在致密钢筋也能完全填充模板，同时获得很好均质性，并且不需要附加振动的混凝土。自密实混凝土属于高性能混凝土的一种。该混凝土流动性好，具有良好的施工性能和填充性能，而且骨料不离析，混凝土硬化后具有良好的力学性能和耐久性。相对于普通混凝土有以下优点：（1）提高混凝土的密实性、耐久性和表面质量，避免漏振、过振、对模板冲击磨损移位等施工中的人为因素以及配筋密集、结构形成复杂等不利条件对施工质量的影响。（2）降低作业强度，避免工人长时间手持振动棒导致“手臂振动综合症”，节省劳力、振捣机具和电能消耗。（3）可消除振捣噪声，改善环境，缓解施工扰民的矛盾。（4）简化工序，提高浇筑速度、缩短工期，提高效率。（5）大量利用工业废料做掺合料，利于生态环境的保护，降低混凝土水化热。因此自密实混凝土技术、经济综合效益显著，可提高混凝土工程质量、强度等级越高费用越低、具有绿色环保性。由于具有这些优点，近年来得到国际国内广泛研发应用。3、自密实混凝土的自密实机理由于自密实混凝土的自身特点，混凝土拌合物的质量是否均匀稳定，使用效果的好坏，关键在于如何处理砂浆体粘度、粗骨科颗粒的大小与分布、骨料颗粒的形状、粗骨料—砂浆浆体之间的体积比等问题。因而需要通过掺入外加剂、调整混凝土中粗骨料含量、粗细骨料比例、砂浆体粘度和水泥浆体总量等途径，使混凝土拌合物的屈服应力减小到适宜范围，同时又具有足够的塑性粘度使混凝土具有良好的粘聚性和保水性。从而在混凝土拌合物流动性能优良的同时，能够在流动和浇筑过程中使粗骨料不与砂浆体分离，均匀分布在浇筑模型内，形成密实且均匀的结构，达到自密实混凝土抗离析性能的要求。自密实混凝土的自密实性能可以归结为砂浆基材的流变体系和粗骨料品质、级配的综合效果。因此要配制出自密实性能优越的自密实混凝土，需要选择性能良好的砂浆基材和使用形状指数较好、尺寸和级配合理的粗骨料，以保证自密实混凝土的良好工作性能。4、自密实混凝土的应用范围自密实混凝土多应用于：1.浇筑量大，浇筑深度及浇筑高度高的高层及超高层结构中；2.结构复杂，配筋紧密，施工空间狭小等施工不便的工程中；3.钢管混凝土中；4.工程进度紧张，需24小时施工或者施工环境噪声控制极为严格的工程项目中；5.地下或水下等施工不便或普通混凝土无法施工的特殊项目中。自密实混凝土的设计2.1、设计思路自密实混凝土的配合比设计,需要充分考虑自密实混凝土流动性、抗离析性、自密实性、浆体用量和体积稳定性之间的相互关系及其矛盾。自密实混凝土对工作性能和耐久性的要求较高，因此自密实混凝土配合比设计应该主要在这两方面下功夫。配制自密实混凝土的原理是通过外加剂、胶结材料和粗细骨料的选择与合理搭配和精心的配合比设计,将混凝土的屈服应力减小到足以被因自重产生的剪应力克服,使混凝土流动性增大,同时又具有足够的塑性粘度,令骨料悬浮于水泥浆中,不出现离析和泌水问题,能自由流淌并充分填充模板内的空间,形成密实且均匀的胶凝结构。2.2、设计原材料（1）水泥 水泥强度等级根据混凝土的试配强度等级选择，同时考虑与减水剂相容性问题，通常自密实混凝土比普通混凝土水泥用量多、水泥强度等级高。《自密实混凝土应用技术规程》（JGJ/T 283-2012）中规定，使用矿物掺合料的自密实混凝土，宜选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。（2）矿物掺合料 为了保证自密实混凝土大塌落度、高流动性能的要求就必须要添加大量的胶凝材料，而胶凝材料如果只采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，根据此类水泥的高水化热的特性可以预见后续会产生大量的收缩裂缝，因此必须考虑添加其他水化热较低的胶凝材料。常用矿物掺合料：各种母岩的磨细石粉、粉煤灰、磨细矿渣、硅灰等。矿物掺合料能改善自密实混凝土的流动性能和抗离析能力，提高硬化混凝土的强度和耐久性。不同矿物掺合料复合使用具有超叠加效应自密实混凝土配置通常将两种矿物掺合料复合使用。参阅相关资料，并结合采购情况本次自密实混凝土配合比矿物掺合料采用粉煤灰和石灰石粉。粉煤灰能显著地降低水泥水化产生的温升，因为它的掺入，在保持混凝土的胶结材总量不变的条件下，相应地降低了混凝土中水泥的用量。因而，水泥的水化热量降低，掺量增大时，降低更多。尽管其本身在混凝土中将产生火山灰反应，要放出水化热，但是，这种反应滞后于混凝土中的水泥水化反应，而且时间也拉得很长，其反应热可以忽略。所以，粉煤灰有良好的温峰削减效应，能减少因温升过大造成的混凝土开裂，提高混凝土的体积稳定性。另外，水泥粒子通常其平均粒径为20~30μm,而粉煤灰(I,Ⅱ级)的平均粒径比水泥小，超细粉煤灰更小，平均粒径3~6μm。因此，如果在水泥中掺入粉煤灰，则可大幅度改善胶凝材料颗粒的填充性，提高水泥石的致密度。石灰石粉是非活性材料，细度很小，它不但补充了混凝土中缺少的细颗粒，增大了固体的表面积对水体积的比例，而且石灰石粉能和水泥、水形成柔软的浆体，既增加了混凝土的浆量，又改善了混凝土的和易性。其主要作用有：1)混凝土中掺入一定量的石灰石粉可以增加其坍落度，这在水泥用量较少的情况下更加明显，从而有利于混凝土的泵送施工；掺石灰石粉的混凝土能延缓混凝土坍落度的损失，达到相同损失程度的时间可延长15min以上。2)石灰石粉有保水增稠的作用。石粉可以吸收混凝土中的水分，在一定程度上增大了混凝土单方用水量。随着石粉用量的增高，混凝土黏度不断增大，有效降低了混凝士拌合物离析和泌水的风险。3)石灰石粉与各种系列的外加剂相容性好，其中对聚羧酸系高效减水剂的相容性最好。4)掺石灰石粉可加速混凝土中气泡的排出，从而有效地降低构件表面气泡出现的概率。骨料 自密实混凝土粗骨料宜采用连续级配或2个单粒径级配的石子，最大粒径不宜大于20mm，对于结构紧密形状复杂的结构最大粒径不宜大于16mm；石子的含泥量≤1.0％、泥块含量≤0.3％、针片状颗粒含量≤8％；细骨料宜采用级配Ⅱ区中砂，含泥量≤3.0%，泥块含量≤1.0%。为提升混凝土和易性好，本次自密实混凝土粗骨料采用反击式破碎机破碎的碎石，控制石子最大粒径16mm,细集料采用机制砂。化学外加剂 高性能减水剂是自密实混凝土产生的前提，自密实混凝土随着高性能减水剂的发展而产生的，减水剂对其性能有决定响。减水剂的作用相当于振捣棒，均匀分散水泥颗粒于水形成浆体，骨料通过浆体浮力和粘聚力悬浮于水泥浆中。《自密实混凝土应用技术规程》（JGJ/T 283-2012）中规定，宜选用聚羧酸系高性能减水剂。聚羧酸系高性能减水剂具有掺量低、减水率高、混凝土强度增长快、混凝土拌合物塌落度损失小、拌合物粘滞阻力小等有点，而且相比于其他类型高性能减水剂，聚羧酸系高性能减水剂还具有引气功能，可以明显改善混凝土的收缩性能。减水剂的掺量以及与水泥、矿物掺合料的相容性应经试验确定。消泡剂 水泥混凝土通用消泡剂，用量0.1%~0.5%。2.3、C30自密实混凝土配合比设计2.3.1实验原料胶凝材料。水泥：福建顺昌练石水泥厂生厂的P·O42.5普通硅酸盐水泥，28d抗压强度48.7MPa，比表面积359m2/kg，表观密度3100kg/m3 ；粉煤灰：厦门益材有限公司F类Ⅱ级粉煤灰，表观密度2400kg/m3 ；石灰石粉：福建松溪县重钙粉厂石灰石粉，表观密度2748kg/m3 ；（2）骨料。粗骨料：福建省松溪县三和矿业有限责任公司料场加工，碎石规格分别为4.75-9.5mm、9.5-16mm，含泥量0.6％、泥块含量0％、针片状颗粒含量3.2％；细骨料：河砂，级配Ⅱ区中砂，细度模数2.44，含泥量2.4%，泥块含量0.8%。其他性能符合JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》。（3）外加剂。厦门特朗漫科技有限公司聚羧酸系高性能减水剂，减水率≥25%，固含量12%，掺量0.8%~1.5%，其性能符合GB8076—2008《混凝土外加剂》和GB50119—2013《混凝土外加剂应用技术规范》。2.3.2实验结果与分析根据JGJ/T283—2012与JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》进行C30自密实混凝土配合比设计。在实验中，由于配置的是自密实混凝土，所以坍落度不作为考量混凝土工作性能的指标之一，主要以扩展度表征。2.3.3混凝土配合比设计试验试验过程配合比及工作性能汇总见表1。表1 试配过程各组配合比及工作性能汇总序号材料用料/（kg/m3)扩展度/mm 500/s7d强度/MPa28d强度/MPa60d强度/MPa矿物掺量（体积比）水泥粉煤灰矿粉石砂水外加剂粉煤灰矿粉135970709457551765.99 6701.519.031.117%15%229198989457551765.84 6401.719.935.424%21%3285571509457551765.90 6201.917.72412%32%4280143569457551765.75 6602.522.934.135%12%528518809457551765.68 5402.223.638.846%0%备注：1、筛分试验确定石子的掺配比例为0-5mm、10-16mm 25:75。第一组实验自密实混凝土扩展度达到670mm，其28d抗压强度为31.1MPa，满足设计要求。第二组实验自实混凝土扩展度达到640mm，其28d抗压强度为35.4MPa，满足设计要求。第三组实验自密实混凝土扩展度达到620mm，其28d抗压强度为24.0MPa，不满足设计要求。第四组实验自密实混凝土扩展度达到660mm，偏粘滞，其28d抗压强度为34.1MPa，满足设计要求。第五组实验自密实混凝土扩展度达到540mm，偏粘滞，其28d抗压强度为38.8MPa，混凝土黏度较大，较干，塌落度不达标。2.3.4试验结果分析规范提出的理论用水量是160-180L，本次试验理论用水量采用180L,减水剂用量1.2-1.5%，减水剂超掺容易导致离析，试验时应先调试合理的减速剂掺量；由于本次试验采用的机制砂，考虑砂的圆润度不足，经查询相关文章控制砂率不超过44%，从试验结果来看是合适的，之前的试验也采用过47%及以上的高砂率，发现离析或堆积情况，分析原因之一就是砂率偏高；胶凝材料用量的确定，2012版规范给出了胶凝材料的计算公式，但是根据自密实混凝土是采用绝对体积法计算，采用2012版的胶凝材料计算公式后，体积无法匹配，因此先采用绝对体积法计算出胶凝材料的总体积，再根据各类矿物掺合物的掺配比例计算水泥用量，并确保有效胶凝含量不低于J55规范要求。随着粉煤灰比例的增大强度增长明显，本次试验粉煤灰掺量最高到40%。2.3.5石灰石粉含量对自密实混凝土的强度影响从试验中可以看出，当石灰石粉掺量不超过20%时，混凝土各龄期抗压强度随着掺量的增加而增大，当石灰石粉掺量不超过20%时，混凝土各龄期抗压强度随着掺量的增加而减小，所以混凝土中石灰石粉的掺量不宜过大，适宜掺量应控制在20%以内。2.4生产实践验证择优考虑后，确认表1中的序号1混凝土配比为实际生产配合比，根据生产材料进行微调，在站内进行实践生产，数据如表3所示。表3 生产配合比强度等级水胶比砂率%容总kg/m3配合比材料用料/（kg/m3)水泥粉煤灰矿粉石5-10mm石10-16mm砂水外加剂C30自密实大流态0.3947237428014356227 529 7551747.19 其中粗集料石子采用两种规格：细石子（5mm~10mm）：粗石子（10mm~16mm）=25:85。实验结果显示，以表3配合比所配制的C30自密实混凝土未出现泌浆现象，所制混凝土扩展度达到680mm，J—环与V—漏斗试验显示自密实混凝土工作性能良好，28d抗压强度为35.0MPa，满足设计强度要求，完成低标号自密实混凝土配合比设计。2.5成本核算水泥465元/吨，S95矿渣206元/吨，II级粉煤灰190元/吨，碎石5-10mm：66元/吨，碎石10-20mm：66元/吨，河砂130元/吨，减水剂2800元/吨，根据最终设计方案核算：原材料水泥粉煤灰矿粉石5-10mm石10-16mm砂水外加剂元/m3130.20 27.17 11.42 14.95 34.88 98.15 0.70 20.12 单价337.59
与机械振捣相比，经济效益还表现在：（1）不存在扰民问题，可24h作业，故可缩短工期；（2）由于取消了振捣机械及振捣工序，因而可以减少能耗、机械费用及人工费用。
自密实混凝土实践应用3.1、项目概况2021年10月，我司中标赤石大桥维修处治工程。福建省武夷山市赤石大桥位于武夷山景区北入口，在武夷山市区通往景区的道路上。该桥建于1969年，上部结构为：第一跨及第四跨为实腹式钢筋混凝土双曲拱、第二跨及第三跨为空腹式钢筋混凝土双曲拱，桥梁跨径布置为 14m+2×30m+13.0m，下部结构桥台采用 U 台，桥墩采用实体墩，墩台均采用扩大基础。桥梁全长 116.7 米；桥面布置为 6+2×1.0 米=8 米，桥址处正交横跨黄泊溪。设计荷载等级为汽车-13 级、拖-60级。2020年6月厦门合诚工程检测有限公司提供的《赤石大桥桥梁检测报告》显示，桥梁总体技术状况评定为4类。主要修复方案采用钢筋混凝土将双曲拱改造成实体截面，提高桥梁承载能力，达到公路-II级荷载要求。由于操作空间狭小、配筋紧密，模板安装后振捣棒无法进入构件（即使插入也无法移动），因此设计采用C30自密实混凝土填充双曲拱的方案。图3-1 赤石大桥病害处治立面图图3-2赤石大桥主拱圈改造钢筋构造图3.2 主拱圈施工过程采用6方混凝土罐车先同步对称浇筑完成第一跨和第四跨拱圈，从桥面上提前钻好的?200mm灌注孔灌入，采用漏斗承接混凝土，漏斗下接砼输送软管，便于混凝土顺利流入主拱圈。拱板及侧模适当位置设置观察孔（或观察窗）可以更方便的观察混凝土的工作性，主拱圈浇筑完成后采用C30砼填封。第一跨和第四跨拱圈浇筑完成后，再浇筑混凝土浇筑第二、第三跨拱圈。浇筑砼按纵向分段，从拱脚开始均衡对称向拱顶浇筑，底板和拱波全断面同时施工。具体布孔位置见附图。图3-3 第二、三跨灌注布孔立面图图3-4 第一、四跨灌注布孔立面图图3-5 灌注孔布置横截面图浇筑过程中出现多次堵管情况，原因分析及应对措施：用水量调整不及时。主要是堆积状态的砂，上中和距地面的底层含水率变化较大，试验室及拌合站没有根据砂石料的含水量情况及时调整，导致拌合物发生离析，石子和浆体分离，使得流动性更好的浆体先被流出，而石子聚集造成堵管。应对措施：试验员每次根据现场情况对增加对砂石含水率检测频率及时通知拌合站调整用水量。骨料级配不好。备料不充分某档石子临时断档或料场更换等原因，导致粗骨料粒径过大、用料偏多，细骨料用料偏少，导致拌合物流动性不达标。应对措施：加强后台原材料管控工作，固定合格料场，每批次来料后及时检查级配情况确认合格后再进行拌合工作；砼罐车到现场，浇筑前先检测混凝土的扩展度，确认合格后再进行浇筑。气塞效应。罐车出料口与漏斗之间的落差较大，灌注速度较快，则易将过大量空气带入导管产生高压气塞。应对措施：根据灌注高度专门焊接了一个钢筋托架，使罐车出料口刚好与漏斗齐平，同时注意控制浇筑速度，防止过快，宁慢务快。埋管深度过大。由于漏斗自制的小漏斗，储量偏小，随着混凝土的灌入灌注阻力不断增大，最终上部砼自重不足导致无法灌注停滞。应对措施：观察灌注速度变化及时拔罐，由于不是水下混凝土施工，可以剥离混凝土面，但主要不要悬空太多，导致骨料离析。管道弯曲。由于拱桥的结构特点管道弯曲角度经常小于135。，导致下端弯管后的混凝土流速缓慢，而上部垂直端的混凝土流速很快，上都管道很快被填满，导致溢料。这个情况尝试过天泵也未能解决，主要是天泵的胶管刚度较大，弯管困难，而且勉强弯管后在气盲板效应下需要更大的压力才能正常泵料，容易导致胶管失控产生伤人险情。应对措施：由于是第一次施工经验也不足，当时经探讨后的方案是尽量减短弯管后段的长度消除盲板效应，有条件的地方采用弯管后直接接上流槽的方式解决。图3-5 弯管浇筑方案图随着工程机械的发展，个人觉得当时这种情况可以用下图这种小型二次机构泵，采用低压泵送的方式解决。这种二次结构泵可以接软管，压力适中，特别适合一次性方量不大的小型工程。总结自密实混凝土具有许多优点和广阔的工程应用前景。目前虽然对自密实混凝土已经有了较多的试验研究和理论分析，但还是缺乏系统研究，也没有提出具有普遍适应性的配合比设计方法。由于自密实混凝土与振实混凝土不管在性能上还是组成上都存在明显差异。因此，必须以自密实混凝土的特点为依据，发展出一种新的、有效的配合比设计以及工作性能评价方法，让自密实混凝土更容易在实际应用中被掌握。砂率变化，可导致集料的空隙率和表面积的变化，因而水泥混凝土拌合物的和易性也随之变化。砂率过大，空隙率及表面积大，拌合物干稠，流动性差；砂率过小，砂浆数量不足流动性降低，且影响黏聚性和保水性，使拌合物粗涩、粗骨料离析、水泥浆流失，甚至出现溃散等不良现象。试验中我们出现了流动度过大现象而且伴有少量泌水，所以后期我们增加了砂率来改善。2、水胶比较小，则水泥浆干稠，水泥混凝土的拌合物流动性低，当水胶比小于某一极限以下时，在一定施工方法下就难以保证密实成型；反之，水胶比较大，水泥浆就稀，拌合物流动性虽然较大，但粘聚性和保水性就会变差，当水胶比大于某一极限值时将产生泌水、离析现象，会严重影响混凝土强度。3、减水剂是自密实混凝土配制的关键原料，要求既具有高减水率又不造成拌合物的离析、泌水。采用聚羧酸高性能减水剂，可以在对浆体影响最小的情况下，改善混凝土的工作性能，同时可以提高混凝土早期强度。4、骨料性能，自密实混凝土对骨料性能要求很高，应严格控制骨料中的针片状含量和级配。对于粗骨料最大粒径的选择，根据试配试验情况，可选择较大粒径，但不宜超过20mm。骨料中的含泥量和泥块含量也应严格控制，含泥量和泥块含量过大不但会增加对用水量和减水剂的需求量，还会引起混凝土拌和物流动度异常损失。5、矿物掺合料的加入改善了水泥与减水剂的相容性，表现为增大拌合物的流动能力，改善离析、泌水、泌浆等情况，使拌合物均匀密实。为使混凝土凝土拌合物达到较好的工作性能，根据净浆流动度试验及自密实混凝土配合比试验结果，原状粉煤灰掺量可达60%，最佳掺量为20%左右，本实验掺入量为17%，磨细石灰石约为15%。