6.2.3.1 基本原理
针对钢管结构全封闭、强约束、无法进行潮湿养护的结构特征，以及自密实混凝土高胶凝材料用量、高砂率、高浆骨比等材料组成特点，应采取相应技术措施来降低钢管自密实混凝土自浇筑成型开始的收缩变形。本章提出的钢管自密实混凝土体积变形控制指标见表6-1。
表6-1 钢管自密实混凝土体积稳定性要求
《混凝土膨胀剂》对膨胀剂的物理性能提出表6-2的要求，同时规定膨胀剂中碱含量应不大于0.75%，MgO含量应不大于5.0%。
表6-2 混凝土膨胀剂性能
（续表）
注：表中的限制膨胀率为强制性的，其余为推荐性的。
自密实混凝土相对于普通混凝土具有更大的收缩，因此应使用膨胀率较高的混凝土膨胀剂，以达到更好的补偿收缩效果。同时，钢管混凝土拱桥管内自密实混凝土处于近似于绝湿的密闭环境中，无法饱水养护，而目前国内市场上使用的大部分膨胀剂只有在充分水养护的条件下才能发挥出较好的膨胀性能，在缺水或无水养护的密封条件下，其膨胀性能则很难充分发挥，尤其是后期膨胀回落较大。
普通膨胀剂的掺入会在一定程度上影响混凝土工作性能，而自密实混凝土对于工作性能的要求很高，为了降低膨胀剂的掺入对自密实混凝土工作性能的影响，借鉴国标《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB／T 1596—2017）中对粉煤灰需水量比的指标要求，用于自密实混凝土的膨胀剂需水量比不应大于100%，见表6-3。
表6-3 钢管混凝土拱桥管内自密实混凝土用膨胀剂性能_
为解决钢管混凝土拱桥管内自密实混凝土材料早期塑性阶段自收缩、沉降收缩大，后期结构形成后自收缩大，容易产生脱黏、脱空，影响结构整体使用寿命的问题，因此需要研制出自密实、微膨胀的混凝土，保障钢管与自密实混凝土紧密接合、共同受力，并降低混凝土与钢管脱黏、脱空风险，控制钢管混凝土拱桥管内自密实混凝土收缩变形的关键技术问题。(www.xing528.com)
6.2.3.2 无收缩管内自密实混凝土塑性阶段膨胀组分设计
新型的塑性阶段发气膨胀补偿大流动性水泥基材料，尤其是自密实混凝土收缩的化学组分EEA，其分子式为H2NCONNOCNH2，是一种淡黄色粉末。该组分可在碱性环境下水解，主要释放出N2和CO2等惰性气体，具有膨胀时间长、膨胀历程稳定可控、对钢筋无腐蚀损害等优点。
6.2.3.3 无收缩管内自密实混凝土硬化阶段膨胀组分晶体结构设计
选用水化需水少、膨胀效能高、密封绝湿条件下自膨胀能力强的氧化钙类膨胀剂作为用于充填层自密实混凝土的膨胀源，采用晶体结构设计和无机掺杂实现了对氧化钙晶体结构形成过程的诱导调控，从煅烧温度、保温时间、生料配比等制备工艺参数出发，系统研究了其膨胀变形的温、湿度敏感性，提出了氧化钙类膨胀剂的膨胀诱导期、加速期和稳定期的调控机制，实现了充填层自密实混凝土在密封绝湿条件下自收缩的分阶段、全过程补偿。
由85%石灰石、5.5%石膏、9.5%铜渣组成的生料经1 350℃煅烧1.0 h制得的氧化钙膨胀熟料的微观结构如图6-3、图6-4所示。由图可以看出，氧化钙熟料结晶较好，样品中不存在未分解的方解石。
图6-3 氧化钙膨胀熟料的XRD分析图谱
图6-4 氧化钙膨胀熟料在不同倍率下的SEM图像
对于钢管结构而言，掺入氧化钙膨胀剂后，早期温升阶段膨胀太快，即使膨胀剂效果与混凝土自身热胀变形效果叠加，在混凝土弹性模量和刚度尚未发展起来、徐变松弛能力还很强时，储存的有效膨胀预压应力也较小，后期降温时，无法有效补偿冷缩与自收缩，达不到预期的效果。
与钙矾石类、CaO 类膨胀剂相比，MgO 膨胀剂具有水化需水量少、水化产物物理化学性质稳定、膨胀过程可调控设计等优点。MgO具有延迟膨胀的特性已被工程界所认识并应用于补偿水工大体积混凝土的温降收缩。稳定、均匀制备的水化活性值200～300 s MgO膨胀剂适用于补偿温升值高、温降速率低的大坝基础混凝土温降收缩。长期研究表明，掺适量的MgO膨胀剂能有效补偿混凝土因温降、干燥等引起的收缩，其长期的体积变形与力学性能是稳定的，膨胀曲线均匀且无倒缩现象。但体积安定性是掺MgO混凝土的一个重要性能。当MgO膨胀剂掺量过大或水化活性值过大，则可能产生过度膨胀，从而引起混凝土的体积安定性问题。且常温条件下高活性值MgO 膨胀剂的水化速率慢，产生的膨胀变形无法与混凝土的自收缩等早期收缩变形相匹配补偿（图6-5）。高活性、低活性值MgO膨胀剂（活性值100 s以下）虽能产生早期膨胀补偿混凝土的自收缩等早期收缩变形，但完全可以被CaO类膨胀剂取代。相比于CaO类膨胀剂，相同掺量、活性值100 s以下的MgO膨胀剂的膨胀效能低、需水量大、影响混凝土工作性；且高活性MgO膨胀剂采用菱镁矿煅烧制备，菱镁矿与石灰石相比资源相对匮乏，生产成本显著高于CaO膨胀剂。
图6-5 20℃养护条件下外掺5%MgO的混凝土自生体积变形
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