建筑技术丨钢箱梁配重混凝土的试验研究与应用

1 工程概况

北京丰台区大灰厂东路（六环路至锅炉厂南路西延）道路工程设计起点为六环路分离式立交桥，终点为锅炉厂南路西延，全长6.3 km；在大灰厂东路与莲石路交接处设置一座部分互通式立交桥，其中横跨莲石路立交段的箱梁设计为防撞钢箱梁，为增加钢箱梁桥梁结构的稳定性，防止翘起，钢箱梁两端空腔内需填充配重混凝土，设计要求配重混凝土干密度达到3 500 kg/m³，设计强度等级为C35，抗渗等级为P8。

考虑钢箱梁结构为高架形式，配重混凝土浇筑方式必须采取泵送方式施工，配重混凝土在钢箱梁两端内腔填充配重，为使混凝土与钢结构结合紧密，需要配重混凝土采取补偿收缩技术措施。

2 技术难点

2.1 高密度需求

需要特殊配制重混凝土达到干密度不小于3 500 kg/m³，根据工程实践，需要配制混凝土湿密度不小于3 650 kg/m³。 

2.2 泵送可行性

重混凝土的干密度较大，重骨料易沉降离析，配重混凝土需优化配合比以平衡粘度与流动性的矛盾，同时对泵送施工组织和泵送设备也提出了严苛要求。

3 试验研究 

3.1 原材料选择

3.1.1 骨料选择

通过市场调研和取样试验检测，综合分析本工程配重混凝土技术要求，确定采用唐山地区陈化钢渣砂和低品位褐铁矿石，经过级配处理，钢渣砂符合Ⅱ区中砂级配要求、铁矿石碎石符合5~10 mm和10~20 mm连续级配要求，且铁矿石破碎过程中产生的铁矿砂可以与钢渣砂搭配使用，在试配中进行优化选择，完全可以满足设计要求。

为确保陈化钢渣骨料的体积稳定性合格，采用蒸压方法对骨料进行蒸压试验分析。参考YB/T 4201—2009《普通预拌砂浆用钢渣砂》中试验方法，试验条件：温度215.7℃、蒸压压力2.0 MPa、蒸压时间3 h，观察骨料状态并计算骨料蒸压后粉化率。骨料有少量破损，骨料平均蒸压粉化率为0.5 %，小于标准值5.6 %，蒸压安定性合格。

3.1.2 砂石比例

谢洪雷等研究认为在骨料总质量不变的条件下，混凝土密度受骨料的影响较为复杂，除受到骨料密度的影响外，混凝土密度也受到混凝土密实度的影响。当混凝土密实度不够时，密实度占主导地位，它决定混凝土密度的发展趋势。随着密实度的不断增加，混凝土密度逐渐增加到最大值，当混凝土获得一定密实度后，骨料密度就成为混凝土密度的主要决定因素。因此，综合考虑混凝土密实和泵送施工需要，采用最大堆积密度法确定铁矿石5~10 mm与10~20 mm比例为3∶7，采用最大密度法确定最小砂率，参考富余浆体配合比设计理论适当增加2 %~3 %砂率，再经试验确定选择最佳砂率为50 %，能够使粗骨料在混凝土拌合物中呈现悬浮状态。

3.1.3 胶凝材料体系

普通混凝土胶凝材料体系中通常采用普通硅酸盐水泥和粉煤灰、矿渣粉等矿物掺合料，通常使用普通硅酸盐水泥P·O 42.5与粉煤灰、矿渣粉搭配使用。配制重混凝土时因粉煤灰密度为2 200 kg/m³、矿渣粉密度为2 800 kg/m³、水泥密度为3 100 kg/m³，掺入粉煤灰会使混凝土容重降低；而矿渣粉和水泥密度相近，影响较小，因此综合考虑技术经济性，最终确定采用单掺矿渣粉的胶凝材料体系。试验结果见表1。

表1 粉煤灰与矿渣粉配制混凝土容重

3.1.4 优选膨胀剂

通过试验比较，使用硫铝酸钙型高性能膨胀剂HCSA，确定水中7 d限制膨胀率要求不大于0.020 %，膨胀剂用量控制在30~50 kg/m³。

3.1.5 复配高性能聚羧酸减水剂

李彦昌等研究提出通过优化高性能减水剂中各组分特别是通过粘度调节剂改善混凝土粘度，聚羧酸减水剂采取“先消后引”工艺处理。

为使较重的骨料能悬浮在混凝土拌合物中，复配的多组分聚羧酸减水剂，要求具有高减水、高保坍性能，并适当增加粘度调节剂组分，含气量控制在2.5 %~3.5 %，外加剂掺量为2.5 %。

3.2 混凝土配合比优化

混凝土配合比参数见表2。

表2 混凝土配合比

3.3 混凝土性能指标

混凝土性能指标见表3。

表3 混凝土性能指标

4 工程应用 

施工前，混凝土供应单位会同施工总包单位、监理单位共同制订了配重混凝土的施工组织方案，混凝土浇筑过程中现场技术人员进行了质量跟踪和技术服务，总体施工效果良好。

4.1 施工方案 

4.1.1 泵送设备准备

采用大排量的汽车泵，设备性能良好，对泵管和泵管弯头部位进行了预先检查加固，正式施工前采用敲击法逐根检查泵管壁厚磨损情况，并备用足够的新泵管现场备用。

4.1.2 混凝土生产及浇筑工艺优化

重混凝土生产时单次搅拌量控制为正常搅拌量的70 %，实时监测混凝土状态，在正常搅拌时间基础上增加30 s的搅拌时间；运输时装载量为正常装载量的60 %，并配备现场技术服务人员和聚羧酸减水剂以应对突发状况。

进入施工现场混凝土，逐车检查混凝土拌合物状态，要求和易性良好，确保满足泵送性能；施工过程中，专人测量钢箱梁位移及变形状态。 

4.2 工程应用效果 

4.2.1 混凝土拌合物和易性

拌合物粘聚性良好，无离析泌水，坍落度为220 mm±10 mm，坍落度经时损失不大于10 mm/h。 

4.2.2 混凝土质量

浇筑的结构混凝土骨料均匀，并在混凝土成型表面呈现半悬浮状态分布，与钢箱梁构件结合紧密；混凝土硬化后结构表面呈现骨料半悬浮状态，混凝土表面无泌水、浆体上浮等不均匀状态。现场混凝土抗压强度及钻芯强度均满足C35设计验收要求，取芯混凝土干密度为3 520 kg/m³，骨料均匀分布。 

4.2.3 长期性能

依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》对图1所示结构中钻取的混凝土芯样加工后进行氯离子渗透性试验（RCM电通量法），56 d混凝土电通量为980 C，满足IV级标准，表明结构中混凝土密实程度较高，抗氯离子渗透性能良好。

图1 混凝土芯样

大灰厂东路桥梁工程共供应C35P8补偿收缩配重混凝土550 m³，工程投用12年至今未出现结构翘起等问题，混凝土桥面平整。 

5 结论 

（1）采用密度为3 750~3 950 kg/m³的陈化钢渣砂和低品位褐铁矿石，经过级配处理作为粗细骨料，与普通硅酸盐水泥P·O 42.5、S95矿渣粉、高性能减水剂等常规混凝土材料可配制出干密度为3 500 kg/m³的C35强度等级和P8抗渗等级的混凝土。

（2）为了解决泵送施工中混凝土拌合物的重骨料易下沉导致和易性不良、不易泵送的施工难题，混凝土配合比设计时按照混凝土全级配颗粒理论，采取多级配骨料降低混凝土空隙率，按照最大容重法确定砂率后适当增加2 %~3 %砂率，以保证混凝土拌合物必要的粘度。

（3）通过优化高性能减水剂中各功能组分，特别是通过粘度调节剂改善混凝土粘度，使较重的骨料能悬浮在混凝土拌合物中，并通过“先消后引”的工艺，掺加引气剂控制混凝土含气量在2.5 %~3.5 %，增加混凝土流动性和可泵性，施工实践证明拌合物泵送到结构后粗骨料悬浮在浆体中，硬化后混凝土表面呈现石子微露出表面的麻面状态，混凝土匀质性良好。

（4）通过试验论证，未掺加粉煤灰，主要是因为粉煤灰虽能改善混凝土和易性，但密度较小，对于配重混凝土达到密度3 500 kg/m³的设计目标不利，需增加成本较高的重骨料弥补掺粉煤灰带来的密度损失，经济性差；通过试验优化掺入与水泥密度相近的矿渣粉可配制出流动性能良好的混凝土，降低水泥用量。

（5）重混凝土泵送施工对于泵送设备也提出了较高的要求，本研究中使用泵送效果较好的汽车泵，避免使用地泵，对于泵管的弯头部位进行了详细检查，泵管管壁较薄的提前进行更换，保证施工顺利进行。

（6）本工程从2012年年底交工后投入使用至今，12年期间未发生配重效果不良导致的结构问题，使用效果良好。

（7）近年来参照本研究重混凝土配制技术路线，又利用重晶石、铁矿石骨料配制了防辐射重混凝土陆续在广安门中医院CT室、经开区某加速器测试车间等工程中开展应用，拓展配重混凝土、防辐射混凝土等工程应用场景，丰富重混凝土工程应用实践经验。