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智能+路桥工程混凝土调整实用技术-9
admin在2022-03-16发布 频道:行业资讯 标签:倪晓燕 王耀文 胡紫日
     
9 机制砂配制C50混凝土在预制箱梁中的应用
9.1 项目背景介绍
  混凝土配合比设计是混凝土学科的技术核心,如何进行混凝土配合比设计、提高配合比设计的效率、降低成本提高企业的市场竞争力是混凝土技术人员经常面对的问题。混凝土掺和料技术的发展促进了混凝土配合比技术的提升,外加剂技术的进步改善了混凝土的施工性能。对环境与混凝土性能关系的认知已提高到与强度同等重要的地位,构筑物使用领域的不断扩大,使混凝土在不同工程领域范围内性能要求不断深化。C50箱梁生产多以天然河砂作为细骨料,很少使用机制砂生产箱梁。在当前环保压力的形势下,深河方圆200km 已无合格的天然河砂,远距离运输的河砂260元/t,势必增加工程成本。本项目结合实际,进行试验研究机制砂配制C50预制混凝土箱梁,并成功应用于生产,取得良好的社会效益和经济效益。
  我公司于2013年年初已着手混凝土配合比设计方法的试验研究、创新的“类比法设计泵送混凝土配合比的研究与应用”,获漯河市科学技术进步一等奖,以该科技成果撰写的论文“类比法设计泵送混凝土配合比”于2014年发表在全国中文核心期刊《混凝土》杂志中,并收录于中国建材工业出版社出版的《商品混凝土生产与应用技术》一书中。
综合机制砂和箱梁施工工艺特点,结合已有成果,研究出适合本项目适用的配合比参数,并通过精心的生产管理,取得良好的社会效益和经济效益。
9.2 配合比设计
9.2.1 确定配合比
1. 确定混凝土坍落度
  混凝土是一门试验科学,配合比设计(计算)是仅供参考的初步比例,其最终配比应通过实验室验证并调整后获得。随着混凝土技术的进步,坍落度已不是评价混凝土流动性的唯一指标,但坍落度仍是目前世界上应用最普遍也是最简单的测试和评价混凝土流动性的试验方法。混凝土的工作环境、设计强度、耐久性、工程部位、混凝土浇筑的工艺、施工速度、运输距离、气温条件等因素的差异决定混凝土拌和物具有不同的坍落度要求,具有良好的流动性、匀质性混凝土拌和物是混凝土硬化后具有良好的强度和耐久性的前提和保障。因此,混凝土拌和物的工作性指标是混凝土配合比设计时首先要考虑的因素。
2. 混凝土配制强度
  混凝土主要作为建筑承重材料使用,抗压强度是混凝土的主要性能指标之一,混凝土
抗压强度受到施工条件、结构、养护、环境等因素影响。在混凝土配合比设计时要综合考虑各种可能出现的因素所引起的强度变化。混凝土抗压强度必须达到设计要求,混凝土强度等级保证率不低于95%。箱梁要求7d张拉,应控制C50混凝土强度7d不低于90%,28d混凝土抗压强度不低于60MPa,以此为混凝土配制强度。
3. 水胶比的确定
在混凝土的生产过程中,根据所使用的原材料,根据预拌混凝土生产实际,建立“胶水比-混凝土强度”的范围,在配合比设计时直接利用两者的关系确立水胶比。见表9-1。
表9-1 各强度等级矿物掺和料掺量与水胶比推荐选用表
强度等级 粉煤灰单掺 粉煤灰、矿粉双掺
水胶比 掺量 水胶比 掺量
C10 0.70~0.66 30%~40% 0.68~0.64 40%~50%
C15  0.66~0.63 0.63~0.60
C10 0.68~0.64 40%~50% 0.66~0.62 50%~60%
C15 0.63~0.60 0.61~0.58
C20 0.62~0.57 20%~30% 0.60~0.58 30%~40%
C25 0.56~0.52 0.55~0.52
C20 0.59~0.54 30%~40% 0.57~0.53 40%~50%
C25 0.53~0.50 0.51~0.49
C20 0.57~0.53 35%~45% 0.55~0.52 45%~55%
C25 0.51~0.48 0.49~0.47
C30 0.49~0.46 20%~30% 0.48~0.45 30%~40%
C35 0.44~0.41 0.43~0.40
C30 0.47~0.44 30%~40% 0.47~0.43 35%~45%
C35 0.42~0.39 0.42~0.38
C40 0.41~0.38 15%~25% 0.40~0.37 20%~30%
C45 0.38~0.36 0.38~0.35
C40 0.40~0.37 20%~30% 0.39~0.36 30%~40%
C45 0.36~0.34 0.35~0.33
C50 0.34~0.32 <15% 0.34~0.32 <20%
C55 0.32~0.30 0.32~0.30
C60 0.31~0.29 0.31~0.29
C50 0.33~0.31 15%~25% 0.32~0.29 0.33~0.31
C55 0.32~0.29 0.31~0.28
C60 0.31~0.28 20%~30%
>C60,<C80  0.28~0.33  —
>C80,<C100 0.26~0.28  —
C100 0.24~0.26  —
  注:1. 所用水泥为P·042.5,长期统计28d抗压强度平均值为47.0MPa,矿物掺和料为Ⅱ级粉煤,S95级矿渣粉;
2. 矿物掺和料的掺量根据气温变化,可以调整幅度±5%,即夏季比春秋季、比冬期掺量逐步增多;
3. 单掺要比复掺的掺量低10%左右;
4. 高强混凝土可使用P·052.5水泥,S105级矿粉,适当加入硅灰。
4. 用水量及胶凝材料用量
   混凝土胶凝材料浆体包裹在混凝土骨料的表面,减小骨料颗粒之间摩擦力,增大混凝土的工作性。如果把混凝土看作悬浮体结构,骨料悬浮在浆体中,浆体作为连续介质为骨料提供一个变动的变形空间,因此浆体是确保混凝土工作性的必要条件。混凝土浆体越多,骨料间的摩擦力就越小,混凝土坍落度就越大,混凝土的浆体量与坍落度有良好的相关性。混凝土坍落度大小直接决定浆体的用量。
  根据表9-1的工程实践经验可以确立基准水胶比为0.34,粉煤灰掺量为15%。
  浆体用量过少,保水性差易泌水、离析,要提高混凝土的坍落度必然要提高混凝土的浆体量。混凝土浆体量增大,混凝土体积稳定性变差,混凝土收缩、变形裂缝的概率增大。因此,要保持混凝土良好的体积稳定性,提高耐久性,在满足混凝土施工的前提下,尽量选择较小的坍落度以降低混凝土浆体量。
  混凝土拌和物中的浆体量主要起到两方面的作用,首先填充粗细骨料间的空隙。当浆体充分填充骨料间空隙后,富裕的浆体包裹在骨料表面减少骨料间的摩擦力,改善混凝土拌和物的工作性。一般来说,富裕浆体越多,包裹在骨料表面的浆体厚度越厚,越便于流动,混凝土拌和物的坍落度相对也就越大。混凝土拌和物骨料的综合空隙体积可以利用粗骨料空隙率乘以细骨料空隙率近似获得,试验表明混凝土拌和物浆体充分填充骨料空隙后,浆体量每增加10L/m3,混凝土拌和物坍落度变化20mm 左右。
  混凝土拌和物浆体量y与混凝土坍落度x之间的线性关系:
y=0.5x+V石空+V砂空+15 (3.0-Mx) (9-1)
  式中,V石空为石子空隙率;V砂空为砂空隙率;犡为混凝土拌和物配制目标坍落度(mm);Mx 为砂细度模数。本项目C50箱梁所用碎石径满足5~20mm,压碎值小于10%,针片状含量不超过8%,空隙率43%,砂细度模数2.7,空隙率42%。C50箱梁混凝土设计坍落度为(200±20)mm,取200mm,代入式(9-1)可以初步计算浆体用量约为326L/m3。混凝土中胶凝材料浆体总量由胶凝材料用量和、用水量和含气量组成,在使用非引气型减水剂时,混凝土胶凝材料浆体体积(V浆)由胶凝材料体积(V胶)和水的体积(V水)两部分构成,即
V浆=V胶+V水(9-2)
  因为体积v=m/ρ,则式(9-2)可以变形为
V浆=m胶/ρ胶+m水/ρ水(9-3)
  胶凝材料密度为
ρB=1/(αC/ρC+αF/ρF+αK/ρK)   (9-4)
  式中 αC、αF、αK———水泥、粉煤灰、矿粉占胶凝材料的质量百分比;
  ρB、ρC、ρF、ρK———胶凝材料、水泥、粉煤灰、矿粉的密度。
  本项目箱梁混凝土水泥密度为3.1×103kg/m3,粉煤灰为2.2×103kg/m3,粉煤灰掺
量为15%,代入式(9-4)计算可得胶凝材料密度为2.2×103kg/m3,又因为水胶比为水的质量与胶凝材料质量的比值,即
W/B=m水/m胶
  在已知混凝土胶凝材料浆体用量为310m3和水胶比为0.34的情况下,联立上述两个方程即可解出胶凝材料用量和用水量。即
V浆=m胶/ρ胶+m水/ρ水=m胶/2.92+m水=326
  因为水胶比为0.33,则m水=0.33m胶,代入上述方程可得:
m胶/2.92+0.33m胶=326
解得,混凝土胶凝材料用量:m胶=485.7kg/m3,取485kg/m3,用水量为
m水=0.33m胶=485×0.33=160kg/m3
5. 外加剂用量的确定
  外加剂减水率与外加剂掺量具有直接的关系,一般来说掺量越多,减水率越高。在低于外加剂饱和掺量时,外加剂的掺量与其对应的减水率近似于线性变化。因此,混凝土外加剂掺量可以按照下式进行近似计算:
μ=(W0-W)/ W0×μ0/β0×100% (9-5)
  式中 μ———外加剂掺量(%);
  μ0———外加剂饱和掺量(%);
  β0———外加剂饱和减水率(%);
  W———配制混凝土的用水量(kg/m3);
  W0———达到混凝土设计目标坍落度时基准用水量。
  W0=W1+(T-80)/20×5+10×(2.7-Mx)
  式中 W1———坍落度7~9cm 的基准混凝土用水量,与石子最大粒径有关;
  T———坍落度;
  Mx———砂细度模数,一般来说,砂细度模数越小,细骨料砂的比表面积越大,用水量相对越高,砂细度模数越大,细骨料砂的比表面积越小,用水量也相对越小。
  本项目外加剂饱和掺量为2.5%,饱和减水率为40%,利用上述公式可以计算出用水量为245kg/m3,因W=160kg/m3,可以计算出外加剂掺量为2.2%,外加剂用量为
m外=B×μ=485×2.2%=10.7kg/m3
  式中 m外———外加剂用量;
  B———胶凝材料用量;
  μ———外加剂掺量。
6. 砂、石用量
  在预拌混凝土中,石子都是松散悬浮在砂浆中,形成工作性良好的拌和物,见表9-2。
表9-2 基准混凝土用水量与石子最大粒径系数表
最大粒径(mm) 碎石 卵石
16.0 20.0 25.0 31.5 10.0 20.02 5.0 31.5
用水量(kg/m3) 230 215 210 205 215 195 190 185
  用假定容重减去其他原材料质量,即可求得每立方米砂的用量。假定C50混凝土容重为2450kg/m3,得:
485+mS+1302+160+10.7=2450

mS=2450-485-1032-160-10.7=762.3kg/m3
取762kg/m3。
  综上可以获得基本试验配合比见表9-3。
表9-3 C50试验基本配合比(kg/m3)
强度等级 胶凝材料 水泥 粉煤灰 粗骨料 细骨料 减水剂
C50 485 412 73 1032 762 7 160
9.2.2 C50混凝土配合比试验
  水胶比的大小对混凝土的强度和耐久性具有重要影响,根据前面确定的水胶比0.33,为保证混凝土质量的稳定性,在配合比试验过程中,采用砂率、胶凝材料用量以及外加剂用量不变,水胶比从0.29以0.02逐步增大至0.37。从试验结果来看,坍落度随着水胶比的增加而增大,随水胶比的降低而降低,虽然在各个水胶比下试验通过微调外加剂用量都可以获得满意的工作性。但混凝土强度在水胶比低于0.31时明显偏高,水胶比高于0.37时,混凝土强度有不能满足C50混凝土7d张拉要求(表9-4)。因此,在水胶比0.31~0.35可以获得满意的工作性和强度,水胶比取0.33,也便于混凝土生产质量控制。
表9-4 不同水胶比下的混凝土强度值
水胶比 0.29 0.31 0.33 0.35 0.37
龄期(d) 7 28 7 28 7 28 7 28 7 28
强度(MPa) 60.7 72.5 55.8 65.9 53.1 62.5 49.7 58.8 43.3 52.8
  试验确定砂率时,采用胶凝材料用量、水胶比及外加剂掺量不变,砂率从38%依次增加2%至44%,通过试验发现,C50混凝土坍落度随着砂率的增加呈现先增加后降低的现象,且砂率为38%时达到最大值。因此,砂率在36%~42%变化时,存在一个最佳砂率42%,在最佳砂率情况下既有利于混凝土流动性的提高,也可以使混凝土黏聚性良好。
  C50箱梁所用不同于其他普通混凝土,有些因素对强度等级C40以下的混凝土性能影响不大,但对C50及C50以上混凝土的性能却有显著的影响。在确定基准配合比的基础上,为保证一些不确定因素对混凝土工作性及强度产生不利影响,再进行5~10次的重复试验,检测其平均强度值不应低于配制的强度值,且观察混凝土拌和物工作性的稳定性。每次混凝土试验均应认真测试混凝土工作性、强度,并测试实测容重,当混凝土拌和物实测容重与假定之差的绝对值不超过假定容重的2%时,可不调整。通过试验,所设计的配合比假定容重与实测容重的差值在允许范围之内,不作调整。
9.2.3 混凝土生产、浇筑及后期养护质量控制
1. 混凝土生产
  C50混凝土的质量要求高于普通混凝土,在生产过程中应严格各环节控制,具体做到以下几点:
  (1)生产过程中,增加砂石含水率检测频率,控制混凝土生产用水量,通过试验发现水胶比波动±0.02,混凝土质量基本在可控范围内。
  (2)每月定时校检混凝土生产计量系统,控制生产实际重量与计算机采集数据的吻合度;
  (3)检测外加剂与水泥等原材料的相容性,根据需要及时调整外加剂或调整其用量,确保混凝土拌和物工作性。
  (4)混凝土生产过程中,较普通混凝土生产适当延长搅拌时间,确保混凝土拌和物搅拌均匀。
  (5)混凝土公司调度员应时刻保持与工地联系,掌握施工现场混凝土浇筑情况,根据施工速度合理调度车辆,确保施工现场不积车,不断料。
2.C50箱梁施工
  C50箱梁质量要求严格,为保证混凝土工程质量,在施工工程中需做好以下工作:
  (1)混凝土运至施工现场应及时检测、浇筑,避免等待时间过长,混凝土工作性降低,不便于施工。
  (2)箱梁浇筑时,先浇筑底板,按照从低到高的顺序,整体分层分段浇筑,然后再浇筑顶板和肋板。
  (3)箱梁混凝土振捣采用插入式振捣棒和平板振动器振动,底板则以插入式振捣棒,局部可采用木槌敲打。平板振动器安装位置统一,且功率相同,统一开启振动,振动时间控制在15~25s。使用振捣棒进行插入式振捣时,应插入混凝土深度50~100mm 和模板距离不少于50mm,防止破坏模板,振动棒移动距离为振捣棒作用半径的1.5倍,即不大于45~60cm。
  (4)混凝土浇筑振捣完毕,顶板拉毛后及时进行覆盖保湿,梁拆模后应及时进行不间断喷淋保湿,且不低于7d,养护水温与混凝土表面温差不得大于15°C (图9-1)。
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图9-1 梁拆模后现场实物
9.3 箱梁容易出现的问题及预防措施
9.3.1 箱梁表面色差问题
  箱梁在浇筑、振捣、养护过程中,容易出现色差问题,色差虽然对安全影响不大,但影响梁外观美感。只要施工过程中加以预防还是可以避免的,针对色差形成的原因,笔者认为可以从以下几个方面加以预防。
  (1)发现露天堆放的模板表面出现锈斑时,应采用钢丝刷进行除锈并清除表面锈粉,如果不清理或清理后未清理表面锈粉,容易导致靠近锈斑位置的混凝土表面发黄。
  (2)涂刷脱模剂时应使用滚刷对模板进行均匀涂抹,保证表面有光感,并及时浇筑混凝土,防止模板污染影响混凝土外观质量。如遇到特殊天气不能及时浇筑,经采用对模板进行覆盖,防止模板污染。
  (3)采用吊罐浇筑混凝土时,下料时开口较大,下料口高度过高,导致混凝土散落在箱梁翼缘板模板上早凝导致翼缘板表面混凝土表面出现白斑。
  (4)控制混凝土拌和物坍落度稳定,防止泌水、制离析引起箱梁浇筑后产生色差。
  (5)避免混凝土供应中断,混凝土浇筑间隔时间过长,箱梁表面出现色差。在生产过程中通过上述措施,浇筑的混凝土箱梁表面颜色均匀一致,无较大色差出现(图9-2)。
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图9-2 箱梁表面颜色
9.3.2 箱梁表面气泡、气孔预防箱梁侧面面积较大,施工过程中如稍不注意,有可能出现气泡,有时气泡直径1~4mm,深度1~3mm,气泡较多时每平方米气泡面积超过35~50cm。
  (1)严格控制混凝土坍落度,按照设计坍落度要求满足180~220mm。
  (2)控制粗骨料质量,尤其控制石子中针片状含量,防止超标,严格控制其含量低于8%,防止针片状过量造成粗骨料局部堆积。
  (3)箱梁腹板浇筑过程中采用分层浇筑,平板振动器配合振动棒振捣,避免单层浇筑厚度超过500mm,防止浇筑过厚不利于气泡排除。
在生产实践中反复试验,箱梁表面基本无较大气孔,箱梁表面质量较好(图9-3)。
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图9-3 箱梁表面
9.3.3 箱梁的腹板存在水波纹
  预防箱梁腹板出现水纹,重点是避免混凝土离析、泌水。造成混凝土离析泌水主要有以下原因:
  (1)砂石含水率变大,生产操作人员调整不及时,混凝土出现离析、泌水。
  (2)混凝土搅拌时间短,拌和物存在局部搅拌不均,外加剂效能没有充分发挥,混凝土浇筑后外加剂继续作用产生混凝土泌水。
  (3)过度振捣,造成混凝土离析分层。
经过上述调整,腹板位置的水波纹情况基本消除。
9.3.4 箱梁混凝土强度增长缓慢影响张拉
  后张法箱梁混凝土要求7d强度不低于90%,若箱梁混凝土强度增长缓慢则影响张拉的进行。造成混凝土强度低主要有以下几点:
  (1)混凝土生产过程中,质量控制差,混凝土配合比严重偏离设计配合比造成水胶比过大,或砂石原材料偏离配合比试验原材料质量。
  (2)混凝土拆模后,未进行保湿养护造成表面水泥水化停止,表面硬度低,回弹强度低。
  在混凝土生产过程中,通过严格控制原材料质量和施工单位规范养护,基本未出现早期强度不足(表9-5),影响张拉工序现象。
表9-5 C50箱梁不同龄期回弹强度值(MPa)
序号强度(MPa) 龄期(d)
3 7 28
  标准养护 回弹 标准养护 回弹 标准养护 回弹
1 41.7 42.1 52.9 50.2 65.8 60.2
9 40.4 41.0 54.1 49.3 68.0 62.3
3 41.8 41.1 53.3 50.6 62.7 60.4
4 44.6 40.7 52.6 47.8 62.8 58.7
5 43.5 39.4 51.9 48.2 64.2 57.9
(3)结论
  通过对上述环节严格、有效地控制,结合工程实践验证使整个生产过程质量可控,外观良好,取得良好的社会效益。
  ①针对C50混凝土特点,选择水泥强度稳定的水泥,优选质地坚硬、粒形、级配良好的骨料,是保证混凝土质量的前提。
  ②针对C50箱梁混凝土7d张拉的特点,合理设计混凝土配合比,选择粉煤灰掺量15%,以满足7d强度不低于90%的强度要求。
  ③依照计算配合比为基础,通过固定水胶比,试验38%、40%、42%和44%几个砂率进行试验,根据工作性和强度试验确定混凝土生产配合比砂率为42%。使用0.29、0.31、0.33、0.35、0.137等水胶比进行试验验证,确定水胶比在0.32~0.36,均可以满足混凝土强度设计要求,为混凝土中确立水胶比0.33,以±0.02为生产控制范围提供依据。
  ④针对C50混凝土及箱梁的特点,提出生产、浇筑过程的一些具体措施,以便控制混凝土质量。
  ⑤结合以往箱梁生产过程中容易出现的问题,分析原因,提出预防措施。
9.4 实际应用效果及推广情况
  深河市新西环工程共设计五座桥梁:沙河大桥、澧河大桥、唐河大桥、跨宁洛高速立交桥、跨漯舞铁路立交桥,工程总投资8.5亿元,共有C50预制混凝土箱梁965片,箱梁长度分为30m 和35m 两种。深河市城市投资控股集团有限公司组织漯河市公路事业发展中心、深河信运监理咨询有限公司、郑州市交通规划勘察设计研究院、中铁八局第七工程有限责任公司等参建单位对箱梁混凝土拌和物工作性、混凝土箱梁回弹推定值、28d标准养护混凝土强度完全符合设计和规范要求;外观光洁,无气泡,无蜂窝麻面,未见肉眼可见裂缝,达到清水混凝土质量标准。
  五座桥梁推广应用可有效提升混凝土质量水平,为创建优质工程奠定了基础,同时也为其他桥梁建设提供了质量标准。
  与当前国内外同类技术主要参数、效益、市场竞争力的比较经对国内C50预制混凝土箱梁的生产状况调查,一是全部使用河砂配制混凝土;二是以河砂为主要细骨料配制混凝土;三是以机制砂为主要细骨料配制混凝土。经调研分析,全部使用机制砂配制C50预制混凝土箱梁明显优于以河砂为主要细骨料、以机制砂为主要细骨料配制混凝土箱梁的经济效益、社会效益和环保效益。
  国家对环境保护力度的加大,限制天然河砂的开采,带来天然河砂价格上扬,混凝土成本大幅度增加,使用机制砂配制的混凝土成本远远低于天然河砂配制的混凝土,机制砂替代天然河砂配制混凝土已成为工程燃眉之急。
  作者:倪晓燕 王耀文 胡紫日
信息来源:混凝土视频网 
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