潘本金，王蒙蒙

(陕西路桥集团有限公司，陕西 西安 710068)

0 引言

随着我国高速公路建设事业的飞速发展，桥梁施工由平原区转入山区，高墩、大跨桥梁设计不断涌现，施工质量要求不断提高，对桥梁混凝土施工性能提出了更高要求[1]，高性能混凝土是指强度等级不小于C60的混凝土，作为一种新的建筑材料，其抗压强度高、抗变形能力强、密度大、空隙率低、易于泵送的高性能优越性，在高墩、大跨度桥梁结构中得到广泛应用。决定高性能混凝土的主要因素有：一是选择质地好、强度高的集料；二是选用高强水泥，活性高，已水化水泥所产生的水泥凝胶体积对该体积与毛细管空腔体积总和之比大；三是选择掺入高性能减水剂、添加掺合料方法取得较好的泵送性。随着施工科技的进步，高强混凝土的流态化是目前混凝土发展的方向，制取高性能混凝土主要从改善混凝土的胶结材料、硬化体、增强材料的复合结构入手，使各种材料间作用满足设计强度形成较高的工作性、泵送性。由于混凝土的强度取决于水泥浆的强度、水泥浆与集料的黏结强度、集料的强度，因此选择优质的原材料、选取较低水胶比、使用高效减水剂探索添加掺合料来优化设计配合比是高性能泵送混凝土设计与施工的首要任务[2-4]。

1 工程概况

旬邑至陕甘界高速公路梁渠沟大桥坐落旬邑县湫坡头镇车门村南，路线自北向南设置梁渠沟大桥跨越该沟，桥梁起点桩号K305+161,终点桩号K305+919,全长758 m，桥宽25.5 m，最大桥高118.5 m。主桥为(75+2×140+75)m波形钢腹板预应力混凝土连续刚构桥,分双幅修建，主梁结构形式为腹板采用耐候钢钢腹板，顶、底板采用C60混凝土的单箱单室截面，设计钢腹板总重1 530.6 t，C60混凝土12 680 m3。是整个旬邑至陕甘界高速公路的关键控制性工程之一，为省内在建首座钢腹板预应力混凝土连续刚构桥，墩位所处地形起伏较大，地势险要，施工难度大。主桥波形钢腹板悬臂箱梁为高墩、大跨桥梁，梁体采用挂篮悬灌浇筑施工，混凝土集中拌合，罐车运输，采用拖式泵从沟底向墩顶泵送C60混凝土施工。

2 高性能混凝土配合比设计原则

高性能混凝土设计是在高强度混凝土施工过程中反复试验，不断总结和探索，添加优质掺合料等方法，才能掌握的混凝土配合比试验方法，需要按照以下原则进行。

2.1 最小水泥用量原则

混凝土配合比设计，按照《桥规》要求，既要满足最大水泥用量不宜超过500 kg/m3,又要满足混凝土强度要求，在选择满足试配强度符合要求的情况下，选取最小水泥用量，控制混凝土凝结升温效果。

2.2 水胶比原则

根据《桥规》规定，结合混凝土强度等级和现场材料，选择合理的水胶比，水胶比过小不利于泵送，水胶比过大会影响混凝土强度。

2.3 密实体积原则

在混凝土配置过程中，是以粗集料为骨架结构，细集料作为填充空间，水泥比表面积较大，用来包裹集料表面形成胶结体，再以优质掺合料、高性能减水剂提高混凝土的工作性能。

2.4 最小用水量原则

在使用了高效减水剂的情况下，配合比计算时，在满足泵送混凝土坍落度技术要求的同时，要减掉因高效减水剂作用而替代的部分用水量，扣除集料天然含水量，在满足工作性能上控制最小用水量。

2.5 最佳工作性原则

高性能混凝土需要有良好的泵送性和工作性，通过添加掺合料，在混凝土完成拌合后，混凝土料质地均匀，不得有离析、泌水现象，在混凝土运输、泵送、浇筑过程中，坍落度损失较小，混凝土浇筑开始到结束时间的终凝时间确定。泵送性能良好，不易产生堵管现象。

3 C60高性能混凝土配合比设计

3.1 原材料选用

1)水泥：水泥是影响混凝土强度的主要因素。应使用矿物结构合理、细度合格的高强度水泥。本工程采用海螺水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥P.O52.5，其各项指标如表1所示。

表1 水泥指标检测一览表

2)中砂：中砂对C60以上混凝土和易性的影响比粗集料要大。一般应选用级配较好、含泥量小、石英颗粒含量较多的江砂或河砂。本工程采用产地杨凌梅花砂场河砂，其各项指标如表2所示。

表2 细集料各项指标检测结果一览表

3)粗集料：粗集料主要起骨架作用，骨料的性能对于高强度混凝土的抗压强度起到决定性作用。粗集料的抗压强度、外表特征、粒径、杂质含量等对强度有重要的影响。本工程采用银川永康石料厂碎石，采用5 mm～10 mm，10 mm～20 mm两种级配碎石组合成的5 mm～20 mm连续级配。其组成比例为：5 mm～10 mm占15%，10 mm～20 mm占85%，其各项指标如表3所示。

表3 粗集料指标检测一览表

4)水：采用饮用水，水质满足使用要求。

5)外加剂：选用山西黄腾的聚羧酸高性能减水剂(HT-HPC)，掺量为胶凝材料用量的1.3%(减水率为27.3%)。

6)掺合料：根据查阅相关文献，广泛汲取现有经验，拟采用陕西正元的F类Ⅰ级粉煤灰，采用韩城大唐盛龙的粒化高炉(S95)矿渣粉进行试配。

3.2 配合比设计

1)确定混凝土配制强度：设计要求混凝土强度fcu，k=60 MPa，混凝土配制强度fcu，o=1.15fcu，k=1.15×60=69.0 MPa。

2)确定水胶比(W/B)：(W/B)=(αa·fb)/(fcu,o+αa·αb·fb)

(1)

其中，αa取0.53；αb取0.20；fcu,o为混凝土配制强度，取69.0；fb为水泥强度实测值，取59.7。

代入式(1)得：(0.53×59.7)/(69.0+0.53×0.20×59.7)=0.42。

依据JTG/T F50—2011公路工程桥涵施工技术规范，查表6.15.9-1最大水胶比为0.32，考虑混凝土耐久性和原材料特性故选用基准配合比水胶比为0.29。

3)选定单位用水量：根据施工设计泵送混凝土拌合物坍落度180 mm～220 mm,碎石最大粒径26.5 mm。依据配合比设计规程确定混凝土单位用水量248 kg,聚羧酸高性能减水剂(HT-HPC)，掺量为胶凝材料用量的1.3%，减水率为27.3%。故用水量为248×(1-27.3%)=180 kg,采用180 kg用水量进行试拌，坍落度不能满足设计要求，故对单位用水量进行调整，最终调整单位用水量为156 kg时，混凝土和易性满足设计及施工要求。

4)计算单位水泥用量：混凝土单位用水量mwo=156 kg/m3，水胶比W/B=0.29。

混凝土单位胶凝材料用量为：mbo=mwo/(W/B)=156÷0.29=538 kg/m3，按耐久性校核单位胶凝材料用量，按桥规JTG/T F50—2011要求，其水泥用量和水胶比均符合要求，因此确定水胶比为0.29，胶凝材料用量调整为538 kg。计算掺合料(粉煤灰+矿渣粉)用量mfo=mboβf=538×0.20=108 kg，粉煤灰∶矿渣粉=6∶4，粉煤灰：108×0.6=65，矿粉：108×0.4=43。计算单位水泥用量mco=mbo-mfo=538-108=430 kg。

5)选定砂率：选用砂率βs=40%。

6)外加剂用量mad=mbo，βa=538×1.3%=6.994 kg，采用重量法计算粗、细集料的单位用量mco+mgo+mso+mwo+mfo=mcp=2 500，βs=mso/(mso+mgo)×100%=40%，求得mso=722 kg，mgo=1 084 kg，根据质量法计算的初步配合比为：

水泥∶水∶砂∶碎石∶粉煤灰∶矿渣粉∶外加剂=430∶156∶722∶1 084∶65∶43∶6.994=1∶0.36∶1.68∶2.52∶0.15∶0.10∶0.016。

3.3 基准配合比确定

实测混凝土拌合物单位质量mcp=2 510 kg/m3(如表4所示)，试验配合比表观密度计算值ρcc=430+722+1 084+156+65+43=2 500 kg/m3，校正系数ò=ρct/ρcc=1.01，因混凝土表观密度实测值与计算值之差的绝对值为0.4%，小于2%，所以确定C60泵送混凝土基准配合比为：

水泥∶水∶砂∶碎石∶粉煤灰∶矿渣粉∶外加剂=430∶156∶722∶1 084∶65∶43∶6.994。

表4 混凝土拌合物试验结果表

根据标准配合比(见表5，表6)，在其单位用水量不动的情况下，按基准配合比的水胶比±0.02、砂率±1%，三种配合比即为：

表5 混凝土7 d，28 d力学性能试验检测表

表6 混凝土工作性能检测表

1)水胶比为0.27、砂率39%。

水泥∶水∶砂∶碎石∶粉煤灰∶矿渣粉∶外加剂=462∶156∶689∶1 077∶70∶46∶7.514。

2)水胶比为0.29、砂率40%。

水泥∶水∶砂∶碎石∶粉煤灰∶矿渣粉∶外加剂=430∶156∶722∶1 084∶65∶43∶6.994。

3)水胶比为0.31、砂率41%。

水泥∶水∶砂∶碎石∶粉煤灰∶矿渣粉∶外加剂=402∶156∶755∶1 086∶61∶40∶6.539。

根据试验混凝土拌合物工作性7 d,28 d的力学及工作性能，拟采用水胶比为0.29、砂率40%的配合比，配合比为水泥∶水∶砂∶碎石∶粉煤灰∶矿渣粉∶外加剂=430∶156∶722∶1 084∶65∶43∶6.994(见表7)。

表7 混凝土配合比选定结果表 kg/m3

4 高性能混凝土施工质量控制

在整个施工期内，碎石、中砂的供应受市场需求、料源等因素影响，质量经常变动，这些问题给高性能混凝土施工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，从以下方面加强管理。

4.1 施工配合比管理

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，每次配料时连续测定砂子含水量。

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，定期检定混凝土搅拌机的计量系统。

4.2 高性能混凝土泵送施工要求

4.2.1 泵机及泵管的选择

根据本工程的现实情况，依据相关技术规程对泵送高度119 m以上的悬臂箱梁浇筑选用中联HBT90.21.22OSU地泵，最大输出压力28 MPa。高墩悬臂箱梁施工输送管道拆装不便，因此输送管采用特制耐磨超高压管道，厚度为6 mm，由于管径过大的输送管抗爆能力差，管径过小，输送阻力大，而且混凝土在管道内流动较慢、滞留时间长，影响混凝土的性能。本工程采用的是125 mm的输送管。

4.2.2 泵管的使用冲洗

每次混凝土浇筑前，检查平管内部是否存在沉淀残渣进行清理，后打水充分湿润管道并检查是否存在漏水现象，检修完成后用与混凝土相同强度的砂浆，再次湿润管道正常浇筑混凝土。混凝土浇筑完成后，在泵车料斗内放水，用水混凝土压至浇筑部位，然后再次使用水彻底清洗管道。

4.2.3 泵送施工过程注意事项

每次输送混凝土前用适量的与混凝土成分相同的水泥浆或水泥砂浆润滑输送管内壁，由试验人员检测每车混凝土的工作性能，在罐车内反转罐体使其搅拌均匀后入泵。混凝土必须保证连续不间断。泵送混凝土时，收料斗内要有足够的混凝土，防止吸入空气形成阻塞。

4.2.4 施工质量验证

2019年5月15日C60高性能混凝土正式投入生产，到2020年7月持续施工，混凝土保水性、流动性、保塑性良好，提高了一次性泵送率，入模后无离析、泌水现象，拆模后混凝土表面色泽一致，无砂带且气泡明显减少，设计图纸要求混凝土强度达到设计强度的90%，且混凝土弹性模量不小于85%(3.6×104MPa)，方可进行预应力张拉施工，前期混凝土强度增长快，5 d满足设计图纸要求，既满足了工程质量，又加快施工速度。经优化后的高强度C60混凝土提高了泵送率，同时降低了施工现场因堵管造成混凝土的浪费及管道拆装费(见表8)。

表8 混凝土强度及弹性模量实测表 MPa

5 结语

优化设计的C60高强混凝土配合比施工，添加了优质粉煤灰、矿渣粉掺合料，具有较好的工作性、可泵送性、抗压强度和耐久性。成功的实施了在高墩、大跨桥梁条件下混凝土的施工，实践证明高性能混凝土应用于梁渠沟大桥施工是十分有利和合理的。高性能混凝土配合比的应用，有效地加快了施工速度，节约了费用，促进了混凝土方面的技术进步，为我公司桥梁后续施工积累了丰富的经验。