高强自密实微膨胀钢管混凝土制备及工程应用学习体会

文献概况与研究背景

本文出自《混凝土》2023年第10期，由西华大学与武汉理工大学联合完成，依托国家自然科学基金与西华大学重点项目支持。研究背景为四川简阳沱江特大桥钢管混凝土主拱肋主管与缀板管的混凝土灌注施工，该工程面临的核心难题是：拱肋截面内空间受限、灌注通道狭窄，传统振捣工艺难以保证混凝土密实度，同时需兼顾混凝土的早期强度发展与后期体积稳定性。这一工程需求驱动了高强自密实微膨胀混凝土配合比设计的系统性研究。

核心配合比设计技术路线

文章提出的配合比设计遵循"胶凝体系优化—水灰比控制—骨料级配调控—膨胀剂掺量匹配"的技术路线。从钢管混凝土结构的特殊性出发，灌注混凝土不仅要满足C50的强度要求，还需在狭窄空间内实现自密实流动填充，同时通过微膨胀补偿收缩，保证钢管与混凝土之间的协同工作性能。

关键配合比参数如下：

各因素对性能的影响规律

文章系统研究了胶凝用量、水灰比、砂率、粗骨料级配和膨胀剂掺量五个因素对力学性能、工作性能和体积稳定性的影响。

胶凝材料与强度

适宜的胶材体系与水灰比是提升强度的关键。胶凝材料用量从较低值提升至551 kg/m³时，28 d抗压强度显著提高，但继续增加胶凝用量时，强度增益趋于平缓，同时成本上升和收缩风险增大。水灰比控制在0.31左右，既保证了水泥浆体的充分水化，又避免了过低的流动性。

骨料级配与工作性能

砂率43%和粗细骨料8∶2的组成比例是优化的结果。合理的砂率可以有效填充粗骨料间的空隙，降低混凝土孔隙率，从而改善密实性和流动性。粗骨料级配中细骨料占比20%，提供了足够的"滚珠效应"，使混凝土在自重作用下实现自密实填充，无需外部振捣。

膨胀剂与体积稳定性

微膨胀混凝土的体积变化呈现"先膨胀后收缩、最终稳定于微膨胀状态"的特征。膨胀剂掺量和砂率均对体积稳定性有显著影响。膨胀剂掺量过低则补偿收缩能力不足，过高则可能导致早期膨胀过大引起离析或开裂。砂率影响混凝土的约束条件和水分迁移路径，进而影响膨胀的均匀性。最终稳定膨胀率112×10⁻⁶处于合理范围，既能补偿收缩，又不会因过度膨胀导致钢管开裂。

与工程实践的结合思考

从焊接与钢管制造的角度审视，钢管混凝土主拱肋的焊接质量与混凝土灌注质量之间存在密切关联。主管与缀板管的相贯线焊接区域是应力集中部位，混凝土灌注的密实度直接影响该区域的约束效果和长期性能。自密实混凝土的"大流态"特性使得在焊接接头附近也能实现均匀填充，减少了因振捣不足导致的空洞缺陷。

工程实践中，混凝土灌注工艺需与焊接施工工序协调配合。焊接完成后需进行无损检测（MT/PT）确认焊缝质量，方可进行混凝土灌注。灌注时，混凝土的流动性需适应拱肋内部空间几何特征，V型漏斗时间23 s和U型箱高度355 mm的数据表明，该混凝土具有优异的填充能力，能够适应拱肋主管与缀板管相贯区域的复杂空间。

关键技术启示

该研究的核心启示在于：钢管混凝土结构的性能不仅取决于钢材与混凝土各自的力学指标，更取决于两者之间的界面协同效应。微膨胀混凝土通过补偿收缩，在钢管内壁形成持续的约束压力，提升了钢管混凝土柱的承载力与延性。对于焊接钢管而言，焊缝区域的几何不连续可能影响约束压力的均匀分布，因此焊缝质量控制与混凝土灌注工艺需要一体化设计。

膨胀剂掺量与砂率的耦合效应值得进一步关注。在实际工程中，砂率可能因骨料供应条件而波动，需建立膨胀剂掺量与砂率的匹配关系数据库，以应对施工条件的变化。此外，3 h保坍性能是保证灌注连续性的关键指标，尤其在拱肋灌注过程中，混凝土需从灌注口流动至拱顶，长距离输送对保坍性能提出了严格要求。

学习总结

本文从工程实际需求出发，系统解决了钢管混凝土灌注混凝土"高强、自密实、微膨胀、高保坍"四重性能协同优化的难题，配合比设计思路清晰，试验数据详实，工程应用验证充分。对于从事钢管制造与焊接工程的技术人员而言，理解钢管混凝土中混凝土的体积稳定性特征和灌注工艺要求，有助于在钢管制造阶段就考虑焊接质量对混凝土灌注效果的影响，实现从钢管制造到结构成型的工艺链协同优化。