《混凝土》2016年第二期
C50自密实钢管混凝土施工技术研究与应用 张海霞;崔鑫;王龙志;李金龙;范兆付;153-156
摘要： 南水北调工程河南庞村钢管混凝土无推力系杆拱桥项目设计采用C50高强、微膨胀、自密实混凝土灌注施工，混凝土灌注施工工艺为顶升法。通过优选骨料级配、使用微膨胀剂、高效减水剂等措施优化混凝土配合比，制备出性能参数符合顶升法施工要求的C50自密实钢管混凝土。混凝土灌注施工中，通过控制混凝土生产和运输，保证混凝土的连续灌注；通过清洗钢管、预灌砂浆、灌注节奏的控制，保证了混凝土与钢管的粘结与饱满；通过覆盖湿润的养护布连续养护14d，保证了钢管混凝土的强度的顺利发展，通过以上措施的综合应用，经敲击法检验，混凝土于钢管内粘结牢靠、无缺陷、强度发展正常。
0 引言
钢管混凝土是指在钢管中充填混凝土而形成的结构，具有良好的力学性能，施工简捷。目前，钢管混凝土浇筑方式有三种：一是多点开孔倒喂灌入+振捣密实法；二是高位抛落法；三是泵送顶升法[1]。三种施工方法中，使用最多的为后两种。但高位抛落法由于下抛高度不同，导致产生气泡多且排气不均匀，特别是钢管内有隔板时易形成脱管等隐患，且抛落高度不能过大，因此越来越多的工程采用泵送顶升法。泵送顶升法是利用混凝土输送泵的泵送压力将混凝土由钢管底部灌入，从下向上顶升，在钢管一定部位开排气孔，混凝土至排气孔后逐次封闭排气孔，直至混凝土注满整根钢管为止。
依托南水北调某重点大桥施工工程，对钢管混凝土的技术控制要点、配制技术、灌注施工工法、养护技术、检测技术进行系统分析研究，以促进国内钢管混凝土应用技术的发展，推进钢管混凝土工程技术的提高。
１ 工程简介
南水北调庞村大桥，位于郑州市南出口暨郑州至新郑快速通道K6+035.7里程处，桥梁跨径布置为：25m+164.4m+25m，桥梁全长为220.4m。全桥位于10000m竖曲线中，主桥采用下承桁架式钢管混凝土无推力系杆拱桥，整体结构体系为内部高次超静定，外部静定结构；引桥上部采用25m跨装配式预应力混凝土小箱梁。桥梁平面线形为直线，与南水北调主干渠50o斜交。
主拱拱肋钢管混凝土桁式结构，拱轴采用悬链线，计算跨径L=160m，计算矢高f=32m，矢跨比f/L=1/5，拱轴系数m=1.3。主拱拱肋为4肢钢管桁架式断面，每一拱肋为两片由腹杆钢管与上、下弦杆钢管焊接形成的桁架片横向连接形 成。桁架横向连接采用缀板与横隔板结合方式将两片桁架片连接为一整体，组成一条拱肋。拱肋钢管桁架为等截面布置，拱肋高3.8m，拱肋宽2.1m。标准段拱肋上、下弦杆钢管均采用φ900×16㎜的直缝焊接管，在拱脚至桥面以上约13m范围内拱肋弦管采用φ900×20㎜钢管；腹杆采用φ351×12㎜无缝钢管；桁架中钢管及横向连接钢板均采用Q345C钢焊接连接。桥梁总体平面布置如图1所示。
2 关键技术控制要点
该工程钢管直径达到900mm，基本属于大体积混凝土，且该工程施工时间处于夏季，混凝土浇筑采用顶升法，因此需重点解决混凝土施工过程中以下几个关键问题。
（1）混凝土状态的控制
混凝土采用顶升法技术施工，因此应依据自密实混凝土进行控制。自密实混凝土是指具有高流动度、不离析、均匀性和稳定性，且浇筑时依靠其自重流动，无需振捣而达到密实的混凝土。它要求混凝土坍落度和扩展度要达到一定的要求，混凝土粘度较小，和易性较好，不存在离析泌水现象。对混凝土拌合物状态要求如表1。
表1 混凝土拌合物指标控制要求
指标要求
主控指标
选控指标（任选其一）
参考指标
含气量
坍落度
扩展度
1h坍落度损失
扩展时间
倒置坍落度筒排空时间
V漏斗试验
U型箱试验
L型流平仪
压力泌水率
参数要求
2.5～3.5%
240±20mm
650±50mm
≤20mm
≤15s
≤12s
≤20s
≥300mm
≥0.80
≤20%
（2）混凝土低收缩或微膨胀性能控制
由于混凝土属于自收缩性材料，混凝土坍落度越大，自收缩越大。钢管中的自密实混凝土由于收缩会产生空鼓及脱壁现象，对钢管混凝土的使用性能产生不利影响，因此在混凝土中适当掺加膨胀剂，减少自密实混凝土的收缩。
（3）混凝土水化热的控制
要配制工作性能良好的自密实混凝土，混凝土中的胶凝材料用量需要达到足够的用量。但该自密实钢管混凝土体积较大，比较容易产生较大的水化热，而水化热过大会导致混凝土产生温差裂缝，从而形成质量缺陷，因此该工程自密实混凝土水化热的控制非常重要。
（4）混凝土浇筑的连贯性控制
由于自密实钢管混凝土特殊的性能及施工工艺，以及施工所处的地点和时间段，在混凝土浇筑过程中保证运输及浇筑的连贯性是钢管混凝土质量控制的重点。
３ 自密实钢管混凝土的配制技术研究
3.1 原材料选择
（1）水泥：郑州天瑞水泥有限公司P·O52.5水泥，水泥检测结果如表2所示。
表2 水泥检测结果
试验项目
比表面积 m2/kg
凝结时间 min
安定性 mm
抗折强度 MPa
抗压强度 MPa
初凝
终凝
国家标准
≥300
≥45
≤600
≤5
≥4.0
≥7.0
≥23.0
≥52.5
检测结果
359
120
164
2.0
6.3
9.3
35.4
61.7
（2）粉煤灰：洛阳首龙铝业有限责任公司F类Ⅰ级粉煤灰，粉煤灰检测结果如表3所示[2]。
表3 粉煤灰检测结果
试验项目
单位
标准要求
试验结果
需水量比
%
≤95
93
烧失量
%
≤5
2
SO3含量
%
≤3
0.43
游离氧化钙含量
%
≤1
0.03
（3）砂：南阳Ⅱ区中砂，河砂检测结果如表4所示。
表4 河砂检测结果
试验项目
表观密度 g/cm3
细度模数
密度 g/cm3
云母含量 %
含泥量 %
国家标准
＞2.5
2.3～3.0
＞1.350
≤1.0
≤2.0
试验结果
2.699
2.76
1.538
0.6
0.9
（4）石子：郑州市贾峪镇产5～20mm连续级配石子，掺配质量比为10～20mm：0～5mm=60：40，石子检测结果如表5所示。
表5 碎石检测结果
试验项目
表观密度
饱和面密度
含泥量
针片状含量
压碎值
国家标准
＞2.5 g/cm3
/
＜1.0%
＜15%
＜20%
5～10mm检测结果
2.746 g/cm3
2.718 g/cm3
0.2%
1.5%
/
10～20mm检测结果
2.743 g/cm3
2.721 g/cm3
0.2%
3.3%
15.7%
（5）减水剂：山西黄河新型化工有限公司HJSX-A聚羧酸高性能减水剂，检测指标如表6所示。
表6 减水率检测结果
试验项目
含固量
pH值
氯离子含量
总碱量
减水率
检测结果
32.6%
7.6
0.053%
2.2%
33.9%
（6）膨胀剂：山西黄河新型化工有限公司HJUEA型膨胀剂，检测指标如表7所示。
表7 膨胀剂检测结果
试验项目
常压泌水率
限制膨胀率
抗压强度比
1d
28d
检测结果
71%
0.027%
114%
106%
3.2 自密实钢管混凝土的配制方法及性能
综合前期试验成果及工程实践总结，自密实钢管混凝土配制技术路线为[3-6]：优选矿物掺合料→确定掺合料最佳掺量→胶凝材料与外加剂适应性试验→确定掺合料和膨胀剂的比例→调整混凝土和易性→满足技术指标混凝土的试件成型→根据工作性能、力学性能及耐久性能和膨胀性能确定最优配合比→模拟泵送顶升过程进行性能测试→确定最终施工配比。应用以上方法，C50自密实钢管混凝土配合比及性能指标如表8、表9所示。
表8C50自密实钢管混凝土配合比
混凝土配合比 kg/m3
水泥
河砂
碎石
水
粉煤灰
膨胀剂
外加剂
366
686
1120
156
73
49
5.8
表9 自密实钢管混凝土性能试验结果
检测项目
坍落扩展度mm
含气量
1h坍落扩展度mm
倒置坍落度筒排空时间
14d限制膨胀率 %
42d限制干缩率 %
强度MPa
7d
28d
检测结果
240/620
3.4%
225/560
10s
2.6×10-4
1.8×10-4
57.1
67.4
4 自密实钢管混凝土的工程应用
4.1 灌注顺序的确定
钢管混凝土灌注时，自钢管两端同时顶升灌注，灌注顺序为：第一批次（下弦内侧管1、A）——第二批次（下弦外侧管3、C）——第三批次（上弦内侧管2、B）——第四批次（上弦外侧管4、D）。已灌注的上一批次混凝土强度达到80%设计强度后才能进行下一批次钢管拱的混凝土灌注。拱肋混凝土浇筑顺序如图2所示。
4.2 混凝土生产与运输
现场混凝土搅拌站对混凝土进行集中生产，使用混凝土搅拌罐车将混凝土运输至施工现场，混凝土在运输过程中必须持续低速旋转。每盘混凝土的搅拌时间不少于90s，并逐车检测混凝土的坍落度和扩展度，对不符合钢管混凝土工作性能要求的混凝土严禁出厂。
4.3 灌注孔以下钢管拱肋混凝土的灌注
使用汽车泵从每根钢管拱的灌注孔灌入混凝土，从拱脚下浇筑至设计位置，每次浇筑高度不超过30cm，在浇筑完成后立即清理灌注孔。钢管混凝土灌注孔布置立面图如图3所示。
4.4 混凝土顶升灌注施工
混凝土顶升灌注技术如下[7-9]：
（1）清洗钢管拱肋壁
在钢管拱根部拱脚下方设置φ100mm的临时排渣孔，用混凝土泵从两侧向拱内压筑清水，水至拱顶由出浆孔流出后，打开拱脚处的排渣闸阀，让管内水及渣物流出，沉积在管底的杂物用勺子由排渣口清出，然后焊接排渣孔。
（2）灌注水泥砂浆
泵送混凝土前首先泵送1m3与混凝土同配比的砂浆，以免粗骨料反弹以及接头处混凝土质量差，同时砂浆还可在泵送过程中起到润滑管壁的作用。混凝土灌筑完成时，砂浆将全部由出浆孔排出。
（3）拱肋混凝土顶升灌注施工
拱肋混凝土顶升施工应安排在早晚进行，以避免高温施工对混凝土后期性能造成不利影响。
开始泵送时泵车应处于低速泵送状态，此时应注意观察泵机的工作压力和各部件的工作情况，待泵送顺利后恢复正常速度连续灌注混凝土，并保持慢速、均匀、对称、低压的灌注工艺，灌注过程中随时用锤击法了解混凝土的顶升高程，以便随时调整灌注速度，并保持两端混凝土高差在2.5m以内。钢管拱肋混凝土顶面高出灌注口2m以后，在拱顶出浆口往弦管内注入稀稠适度的水泥净浆，以达到润滑管壁、减少泵送阻力的作用。每根钢管内的混凝土宜在3.5h以内灌注完成，最长灌注时间间隔不得超过首批灌注混凝土的初凝时间，直至拱顶出浆孔流出均匀、稳定混凝土为止。灌注暂停时，每隔2～3分钟应泵送2～3次，以防止混凝土假凝堵塞输送管道。
施工温度宜在5℃～35℃，当钢管温度高于55℃时应采取有效措施降低钢管温度。在灌注顶升过程中，严禁反泵。泵送时，泵车料斗内混凝土不得少于其容量的2/3，以避免在泵送过程中吸入空气，泵送顶升速度不易过快，宜使用小排量泵机。
混凝土顶升至距排气孔约2.5m时，应由两台混凝土泵同时泵送改为两泵交替泵送，泵送混凝土量控制在0.5 m3左右，以减小混凝土对管道的压力。当混凝土顶面升至与拱顶相差1.0m时，要放慢混凝土的泵送速度，每泵送5～6次停止1min，以利于管内气体排出。当拱顶出浆口流出稳定混凝土后，停泵约15min左右，让混凝土沉降充分后再次泵送使混凝土注满钢管，稳压1min后关闭进料口阀门、拆除输送泵管。灌注完毕30min后，观察拱顶混凝土有无回落下沉，若有下沉，则人工补满。
混凝土接近拱顶面时，严格控制泵送速度，防止混凝土超过拱顶截面时产生振动而引起钢管拱和支架纵向失稳。
在混凝土灌注完成后立即用高压水枪冲洗钢管拱外壁上的混凝土和水泥浆。待混凝土终凝后，卸掉混凝土灌注短管的开关闸阀。
4.5 钢管拱肋混凝土的养护
混凝土灌注完毕后，为保证灌注的混凝土在规定龄期内达到设计性能要求，结合钢管混凝土、自密实混凝土特点制定了下列养护措施：
（1）应在灌注混凝土结束后对钢管拱顶部混凝土表面用土工布加以覆盖养护并铺设洒水管保湿、降温。
（2）对掺用高效缓凝减水剂及膨胀剂的混凝土，养护时间不得少于14d。
（3）洒水次数应能保持土工布处于湿润状态。
（4）混凝土强度达到设计强度80%前，应控制钢管温度不超过30℃、不低于5℃。
4.6 钢管混凝土质量检查
钢管混凝土质量检查比较困难，只能通过辅助手段进行检查。通常情况下，主要采用三种方法对钢管混凝土进行检测：①敲击法全面检测：利用敲击钢管外壁，根据声音的不同判断混凝土的饱满度，该方法简单有效；②对敲击有疑问的进行局部钻孔检测，确定缺陷程度。该方法能直观观察钢管壁与混凝土的粘接情况及混凝土内部是否密实，但对钢管有破坏；③超声波无损检测。该方法可以准确检测出混凝土与钢管壁的粘接情况、混凝土是否存在缺陷、缺陷的具体部位等[1，10]。
本工程采用敲击法进行检测，根据声音判断是否存在缺陷；采用标准养护试件与同条件养护试件复核判定钢管混凝土强度发展。通过检测，混凝土于钢管内粘结牢靠、无缺陷、强度发展正常。
5 结论
根据以上对C50自密实钢管混凝土的施工技术研究与工程应用，得出如下结论：
（1）为了保证钢管混凝土施工质量，应从混凝土工作性能、微膨胀性、低水化热、连续灌注等几方面对混凝土质量进行控制，并在此基础上确定钢管混凝土的施工配合比。
（2）钢管混凝土顶升灌注施工工艺为：清洗钢管拱肋壁→灌注与钢管混凝土同配比水泥砂浆→拱肋混凝土灌注→拱顶混凝土补灌。
（3）应对钢管混凝土进行至少14d的覆盖湿润土工布的养护工艺，直至混凝土强度达到设计强度的80%以上，并控制钢管温度不高于30℃、不低于5℃。
（4）采用敲击法对混凝土质量进行检测，根据声音判断是否存在缺陷；采用标准养护试件与同条件养护试件复核判定钢管混凝土强度发展。
参考文献
[1] 余成行.C60泵送顶升自密实钢管混凝土的配制与施工[J]. 混凝土, 2010, 10: 102-106
[2]崔鑫, 张海霞, 李亚真, 等. 关于粉煤灰需水量比测试方法的几点思考[J].混凝土, 2012（11）:51-53
[3] 张传刚.C50微膨胀自密实泵送混凝土配合比设计[J]. 山西建筑, 2005, 31（8）:109-110
[4] 李锐，张丽慧. C55微膨胀自密实钢管混凝土在蒲山特大桥的应用研究[J].北京工业大学学报, 2005, 31（5）:496-499
[5] 张春晓，丁庆军，沈贵松. C70自密实钢管混凝土材料配制技术[J]. 混凝土, 2008（3）:61-63
[6] 王东，亓立刚，杨明，等. C80钢管混凝土配合比设计与高抛法施工技术研究[J]. 施工技术，2012, 41（370）:82-84
[7] 王明月，李科研，王晶晶，等. C50顶升自密实钢管混凝土在高层建筑中的应用[J]. 商品混凝土, 2014, 2:57-59
[8] 随灿，王治方，王为林. C55微膨胀自密实钢管混凝土在蒲山特大桥的应用研究[J]. 铁道建筑, 2012, 8:146-150
[9] 何夕平，王立虎，陈燕，等. 泵送顶升自密实钢管混凝土应用技术[J]. 福建工程学院学报, 2012, 10（1）:25-28
[10] 简华炽.
某拱桥C50钢管自密实、膨胀混凝土施工技术及质量控制[J]. 工程质量，2012, 30（10）:71-75
