邊跨寬箱梁混凝土配制及抗裂性研究

李福友 李北星 閆海超 馬 瑜

（1.中鐵建大橋工程局集團(tuán)第一工程有限公司 遼寧大連 116033；2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北武漢 430070）

1 引言

預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁在大型公路和鐵路橋梁中得到了廣泛應(yīng)用，但受混凝土收縮、徐變、溫濕度變化，箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，混凝土施工質(zhì)量等因素影響，箱梁混凝土易在施工期出現(xiàn)開裂［1－3］。裂縫的出現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性和整體安全性均有不利影響［4］，必須在施工階段加以重視并防控。

武穴長(zhǎng)江大橋主橋設(shè)計(jì)為雙塔六跨連續(xù)不對(duì)稱混合梁斜拉橋，橋跨布置為（80＋290）m（北邊跨）＋808 m（中跨）＋（75＋75＋75）m（南邊跨）。南邊跨預(yù)應(yīng)力混凝土（PC）箱梁采用分離式雙箱結(jié)構(gòu)，截面全寬38.5 m，為典型超寬預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁［5］。標(biāo)準(zhǔn)梁段中心線處梁高3.822 m，頂板厚35 cm，底板厚40 cm，斜底板厚35 cm，內(nèi)腹板厚55 cm。PC箱梁采用在支墩支架上分段分節(jié)（跳倉）現(xiàn)澆施工，自梁端開始分成4個(gè)施工段和2個(gè)合龍段（濕接縫），每個(gè)施工段分若干節(jié)澆筑，在溫度和混凝土收縮徐變作用下，受支墩支架縱橫向約束極易產(chǎn)生裂縫。另外，箱梁于索塔處其橫隔板厚2.5 m，輔助墩和過渡墩墩頂處橫隔板厚為3.0 m，屬于大體積混凝土，水化熱溫升高；箱梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55，自收縮和溫度收縮大，加之扁平型寬箱梁外側(cè)養(yǎng)護(hù)難度大，受結(jié)構(gòu)異形、結(jié)構(gòu)尺度變化大等影響，混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)大。為此，針對(duì)該寬箱梁的混凝土防裂施工要求，進(jìn)行混凝土的配制與抗裂性研究。

2 原材料及試驗(yàn)方法

2.1 原材料

水泥為江西亞東洋房P·Ⅱ52.5級(jí)水泥，粉煤灰（FA）為國電九江發(fā)電有限公司F類Ⅰ級(jí)粉煤灰，礦粉（KF）為九江中冶環(huán)保資源開發(fā)有限公司S95?；郀t礦渣粉，細(xì)骨料為贛江豐城Ⅰ類河砂，細(xì)度模數(shù)2.8，粗骨料為宜昌5～20 mm二級(jí)配石灰?guī)r碎石，壓碎值18.4%，外加劑為中交二航武漢港灣新材料有限公司CP-J緩凝型聚羧酸高性能減水劑。

2.2 試驗(yàn)方法

（1）混凝土拌合物工作性依據(jù)GB／T 50080—2016進(jìn)行試驗(yàn)，力學(xué)性能依據(jù)JTG E30—2005進(jìn)行試驗(yàn)。

（2）膠凝材料水化熱測(cè)定采用八通道TAM Air熱活性微量熱儀，絕熱溫升測(cè)定采用HR-2A型混凝土熱物理參數(shù)測(cè)定儀，試驗(yàn)歷時(shí)均為7 d。

（3）混凝土刀口約束法早期抗裂性試驗(yàn)依據(jù)GB／T 50082—2009進(jìn)行，采用尺寸為（800×600×100）mm的平面薄板型模具。

（4）混凝土收縮試件尺寸為（100×100×515）mm。用于自收縮的試件用錫紙和塑料薄膜進(jìn)行密封，干縮試件不做處理。試驗(yàn)環(huán)境溫度（20±2）℃，相對(duì)濕度（60±5）%。

（5）混凝土徐變?cè)囼?yàn)依據(jù) GB／T 50082—2009進(jìn)行。試件標(biāo)養(yǎng)7 d齡期后開始加載，加載應(yīng)力為棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度的40%。

3 混凝土配合比設(shè)計(jì)

3.1 性能設(shè)計(jì)要求

基于該P(yáng)C寬箱梁設(shè)計(jì)和施工要求，參考相關(guān)規(guī)范［6］，提出本箱梁混凝土性能應(yīng)達(dá)到如下指標(biāo)要求：

（1）拌合物性能：坍落度190～230 mm，擴(kuò)展度500～600 mm，含氣量不大于3.0%，初凝時(shí)間14～16 h。

（2）力學(xué)性能：28 d試配抗壓強(qiáng)度≥65.7 MPa且不宜高于1.4倍設(shè)計(jì)強(qiáng)度，7 d強(qiáng)度≥55 MPa；28 d彈性模量≥3.55×104MPa，7 d彈性模量≥3.20×104MPa。

（3）抗裂與變形性能：7 d絕熱溫升值≤50℃，刀口約束法塑性開裂試驗(yàn)抗裂性等級(jí)L-Ⅲ級(jí)及以上，盡量降低早期自收縮；28 d干燥收縮率≤250×10－6，7 d 齡期加載90 d 徐變度≤30 ×10－6／MPa。

（4）耐久性能：28 d齡期電通量＜1 000 C，快速碳化28 d深度≤5 mm。

3.2 混凝土配合比

根據(jù)以往同類工程經(jīng)驗(yàn)［7－9］，結(jié)合本工程實(shí)際，設(shè)計(jì)如表1所示的11個(gè)配合比，研究膠凝材料用量（465、480、495 kg／m3）、礦物摻合料摻量（0%、FA24%、FA18% ＋KF12%、FA21.6% ＋KF14.4%、FA25.2%＋KF16.8%）、粉煤灰與礦粉復(fù)摻比例（FA∶KF＝2∶1、1.5∶1、1∶1）、單方用水量（139、144、149 kg／m3）4個(gè)因素對(duì)C55箱梁混凝土基本性能的影響?；拘阅茉囼?yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 箱梁混凝土配合比

表2 箱梁混凝土基本性能

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 混凝土基本性能

由表2混凝土基本性能試驗(yàn)結(jié)果可知，11個(gè)配比的坍落度／擴(kuò)展度均滿足施工要求，7 d抗壓強(qiáng)度均超過設(shè)計(jì)強(qiáng)度55 MPa；除基準(zhǔn)配比X480F0外，其他10個(gè)配比的28 d強(qiáng)度均高于65.7 MPa的試配值，且大部分配比具有較高的強(qiáng)度富裕系數(shù)。綜合考慮粉煤灰、礦粉復(fù)合摻合料摻量和組成比例對(duì)混凝土絕熱溫升、強(qiáng)度發(fā)展、收縮徐變等的可能影響，初選復(fù)摻FA21.6% ＋KF14.4%的X480F22K14配比、復(fù)摻FA18% ＋KF12%的X480F18K12配比為優(yōu)化配比。

表3為四組混凝土力學(xué)和抗氯離子滲透性能結(jié)果對(duì)比。與基準(zhǔn)混凝土X480F24相比，復(fù)摻FA18%＋KF12%提高了抗拉強(qiáng)度，而單摻FA24%或復(fù)摻FA21.6%＋KF14.4%均降低了抗拉強(qiáng)度。四組混凝土的28 d彈模均大于40 GPa，且三組含礦物摻合料混凝土彈模均高于基準(zhǔn)混凝土，尤其是X480F18K12配比。

表3 箱梁混凝土力學(xué)性能與抗氯離子滲透性

四組混凝土28 d電通量均小于1 000 C，符合箱梁耐久性設(shè)計(jì)要求。與X480F0相比，X480F24、X480F18K12、X480F22K14三個(gè)配比的28 d電通量分別降低28.3%、30.6%、34.5%，表明復(fù)摻30% ～36%的粉煤灰與礦粉，顯著改善了混凝土抗氯離子滲透性能。

4.2 膠凝材料水化熱

為掌握箱梁混凝土的水化熱，測(cè)定了礦物摻合料與減水劑對(duì)水泥水化熱的影響。圖1為水化放熱量和水化放熱速率曲線。結(jié)果顯示：（1）與52.5P·Ⅱ純水泥相比，摻入21.6%FA＋14.4%KF的三元膠凝材料最大水化放熱速率降低了22.7%，7 d水化熱降低21.2%。（2）三元膠凝材料中摻入1.2%緩凝型聚羧酸高性能減水劑后，水化放熱速率和放熱量進(jìn)一步降低，最大放熱速率降幅為34.5%，7 d水化熱降低20.3%。這主要緣于該緩凝型聚羧酸減水劑有效抑制了水泥的早期水化，顯著推遲了水化溫峰出現(xiàn)時(shí)間，降低了水化熱尤其是前2 d的水化熱（1 d、2 d水化熱降低幅度達(dá)90.7%、61.4%），這對(duì)控制混凝土內(nèi)部溫升過快非常有效。以上分析表明，緩凝型減水劑與礦物摻合料對(duì)水泥水化熱的控制起到了“1＋1＞2”的協(xié)同作用。

圖1 礦物摻合料與減水劑對(duì)水泥水化熱的影響

4.3 混凝土絕熱溫升

表4為不同礦物摻合料摻量的四組混凝土的絕熱溫升測(cè)定結(jié)果，圖2為其中代表性配比X480F22K14的絕熱溫升曲線。

表4 箱梁混凝土絕熱溫升

圖2 箱梁X480F22K14混凝土絕熱溫升曲線

與X480F24的7 d絕熱溫升相比，摻合料摻量更大的 X480F18K12、X480F22K14降低不顯著，表明礦粉對(duì)絕熱溫升的降低效果不及粉煤灰顯著。由圖2可知，該箱梁混凝土的水化熱溫升包括緩慢放熱期（0～12 h）、快速放熱期（12～36 h）和放熱穩(wěn)定期（36 h～）三個(gè)階段，其中快速水化放熱期是大體積混凝土溫控的關(guān)鍵時(shí)段，因此該箱梁施工時(shí)應(yīng)特別關(guān)注前36 h的水化熱溫升并采取有效措施降低溫峰。

4.4 混凝土塑性收縮開裂

表5為四組混凝土早期塑性收縮開裂試驗(yàn)結(jié)果。隨著礦物摻合料的摻量增加，單位面積上的總開裂面積逐步降低，且最大裂縫寬度也呈降低趨勢(shì)，但裂縫條數(shù)變化不大，因此礦物摻合料對(duì)混凝土抗裂性能的改善作用主要體現(xiàn)在細(xì)化裂縫上。

表5 箱梁混凝土平板刀口約束法開裂24 h試驗(yàn)結(jié)果

4.5 混凝土收縮

圖3為箱梁混凝土自收縮結(jié)果，擬選配比X480F22K14、X480F18K12的56 d自收縮分別為194.2 ×10－6、206.4 ×10－6，是基準(zhǔn)樣的87.3%、92.8%，稍大于 X480F24的 56 d自收縮（184.3×10－6）。圖4為箱梁混凝土干縮值隨齡期變化曲線。結(jié)果顯示：（1）三組摻有礦物摻合料的混凝土干縮值明顯低于基準(zhǔn)混凝土。在試驗(yàn)結(jié)束的126 d齡期，X480F24、X480F18K12、X480F22K14的干縮值分別是332×10－6、310 ×10－6、293 ×10－6，較 X480F0 降低 13.7%、19.5%、24%。（2）X480F18K12、X480F22K14 二組擬選箱梁配比的28 d 干縮值分別為218 ×10－6、200 ×10－6，符合規(guī)程 DB32／T 2170—2012［6］規(guī)定的低收縮橋梁混凝土28 d齡期干縮值小于250×10－6的要求。

圖3 箱梁混凝土自收縮隨齡期變化曲線

圖4 箱梁混凝土干燥收縮隨齡期變化曲線

4.6 混凝土徐變

圖5為箱梁混凝土徐變度隨持荷時(shí)間變化曲線。結(jié)果顯示：（1）X480F24、X480F18K12、X480F22K14三個(gè)配比的90 d徐變度分別為20.4×10－6／MPa、16.8 ×10－6／MPa、18.2 ×10－6／MPa，分別為 X480F0的67.5%、55.6%、59.9%。表明混凝土中單摻24%粉煤灰或復(fù)摻30%～36%粉煤灰和礦粉后，其抵抗徐變的能力得到大幅提升，這與國內(nèi)外同類研究結(jié)果相似［10－12］。另外，X480F18K12、480F22K14兩個(gè)擬選配比的90 d徐變度符合規(guī)程DB32／T 2170—2012規(guī)定的超低徐變橋梁混凝土的要求（90 d徐變度≤20 ×10－6／MPa）。

圖5 箱梁混凝土徐變度隨持荷時(shí)間發(fā)展規(guī)律

4.7 箱梁典型節(jié)段混凝土溫度監(jiān)測(cè)情況

箱梁混凝土于2019年5月－2019年12月期間施工，共分20個(gè)節(jié)段，施工用配比為X480F22K14。為降低大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度，在箱梁風(fēng)嘴部位布設(shè)了冷卻水管，水平管間距為100 cm，距離混凝土側(cè)面50 cm。中高溫期施工，主要采取水加冰制冷、水泥和礦粉提前備料等降溫措施，確?；炷寥肽囟取?8℃。本文僅就首件N11節(jié)段（2019年5月7日澆筑）和末件N3節(jié)段（2019年12月9日澆筑）的溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果（見表6）進(jìn)行分析。

表6 箱梁混凝土溫度特征值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

可以看出，N11節(jié)段箱梁的腹板混凝土最高溫度為64.9℃，風(fēng)嘴為60.7℃，滿足≤75℃的溫控標(biāo)準(zhǔn)；腹板混凝土最大內(nèi)表溫差為29.8℃，風(fēng)嘴為20.8℃，腹板第二層混凝土內(nèi)表溫差超出≤25℃的溫控標(biāo)準(zhǔn)。N3節(jié)段箱梁的腹板、風(fēng)嘴混凝土最高溫度分別為66.3℃、69.4℃，符合≤75℃的溫控標(biāo)準(zhǔn)；腹板、風(fēng)嘴混凝土最大內(nèi)表溫差為22.6℃、16.5℃，符合≤25℃的控制標(biāo)準(zhǔn)。由于箱梁的腹板、風(fēng)嘴相對(duì)較薄，溫峰后自然降溫速率較快，部分時(shí)段降溫速率超出≤2.0℃／d的溫控標(biāo)準(zhǔn)，3 d后降溫速率逐漸穩(wěn)定，可以控制在2.0℃／d以內(nèi)。

所有梁段施工完成后檢測(cè)結(jié)果表明，梁體均未發(fā)現(xiàn)有害性結(jié)構(gòu)裂縫，表面平整光滑，無明顯大氣孔和聚集性氣孔等缺陷。

5 結(jié)論

（1）通過膠凝材料用量、礦物摻合料摻量與復(fù)摻比例、水膠比等參數(shù)的優(yōu)化，配制出具有低水化熱溫升、低收縮徐變的高抗裂、高抗?jié)BC55箱梁混凝土。

（2）箱梁混凝土中摻入21.6%粉煤灰和14.4%礦粉取代水泥，可有效減緩水化放熱歷程，降低水化熱溫升，在摻入1.2%緩凝聚羧酸高性能減水劑之后降低水化熱和推遲水化最高溫峰出現(xiàn)的效果更加顯著。

（3）箱梁混凝土中摻入適量礦物摻合料后抑制了混凝土的收縮和徐變，優(yōu)選用于箱梁施工X480F22K14配比的56 d自收縮率為194.2×10－6，為基準(zhǔn)樣的87.3%；126 d干燥收縮率為293×10－6，為基準(zhǔn)樣的76.1%；養(yǎng)護(hù)7 d齡期加載90 d的徐變度為18.2×10－6／MPa，為基準(zhǔn)樣的59.9%。

（4）箱梁施工時(shí)，混凝土澆筑后36 h左右達(dá)到溫峰，溫峰后降溫較快，降溫速率超過2.0℃／d；3 d后降溫速率逐漸減小，應(yīng)采取有效的“內(nèi)降外保”溫控措施控制混凝土的內(nèi)表溫差，就該箱梁而言，控制在30℃以內(nèi)可有效避免早期裂縫的產(chǎn)生。