江漢六橋C50預應力箱梁高性能混凝土制備研究

趙日煦，宋正林，龐二波，周輝，王軍

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武漢 430074）

江漢六橋C50預應力箱梁高性能混凝土制備研究

趙日煦，宋正林，龐二波，周輝，王軍

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武漢 430074）

北結合某自錨跨斜拉橋工程現澆預應力混凝土自錨跨箱梁的結構特點，采用正交設計試驗開展了 C50 預應力高性能混凝土的制備研究，在膠凝材料用量 490kg/m3、Ⅰ級粉煤灰摻量 20%、砂率 41%、水膠比 0.31 的設計參數下制備的混凝土工作性能良好，坍落度/擴展度 2h 基本無損失，初凝時間 30h 以上，7d 抗壓強度超過 51MPa。混凝土實際澆筑效果良好，結構無明顯裂縫，現場檢測混凝土 7d 平均抗壓強度達到 50.7MPa，28d 抗壓強度評定合格。

超緩凝；早強；預應力；箱梁

預應力箱梁是橋梁的主要受力構件，在長期使用條件下容易產生損傷破壞，直接威脅到整個橋梁的使用功能和服役壽命。通常，影響箱梁結構性能的主要因素有結構設計、混凝土配制、施工管理和后期維護，其中配制高性能混凝土是提高結構耐久性的重要措施[1]。

武漢市江漢六橋是武漢市第六座跨漢江通道，是武漢市第一座自錨跨斜拉橋工程，主橋采用 (48+57+110+252+110+ 57+48)m=682m 的 7 跨自錨式懸索橋，跨江主梁采用鋼箱梁和預制混凝土橋面板結構，在主橋箱梁鋼混結合段兩側設有現澆預應力混凝土自錨跨箱梁結構，南北錨跨箱梁各段全長均為 (48+57+16.5)m=121.5m，橋面寬44m，最大厚度達 6.6m，鋼筋最小凈距為 4.2cm，混凝土設計強度等級均為 C50，單次澆筑方量 3500 方以上。

根據該工程結構特點和施工要求，同時滿足耐久性設計，對混凝土的性能提出了較高的要求，確定混凝土主要性能指標為：7d 抗壓強度和彈性模量不低于設計值的 90%，混凝土拌合物工作性能良好，具有良好的粘聚性和保水性，擴展度 550～600mm，2h 損失不超過 50mm；混凝土初凝時間30h 以上，滿足大體量混凝土澆筑施工要求。根據工程需要，本文利用正交試驗進行了 C50 預應力錨跨箱梁混凝土的制備及性能研究。

1 試驗原料

根據混凝土結構特點，參照 JTGTF50—2011《公路橋涵施工技術規范》，JTGTB07—1—2006《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范》的要求，對原材料進行優選。

1.1 膠凝材料

水泥選用 P·O42.5 水泥，堿含量 0.54%，氯離子含量0.03%。具體指標見表 1 所示。粉煤灰采用Ⅰ級灰，細度（45μm 方孔篩篩余）9.8%，需水量比 92%，燒失量 2.3%。

表 1 水泥性能指標

1.2 骨料

粗骨料選用 5～20mm 連續級配碎石，含泥量 0.5%，泥塊含量 0.1%，針片狀含量 5%；細骨料選用細度模數 2.9 的Ⅱ區中粗河砂，含泥量 1.0%，泥塊含量 0。

1.3 外加劑

外加劑應與水泥之間具有良好的適應性，滿足高減水率、高保坍、超緩凝要求。據此，選擇自行研制的緩凝型聚羧酸系減水劑，固含量 25%，減水率 26.6%，摻量為膠凝材料的 1.3%，初凝時間 31h。

2 試驗方法及正交設計

混凝土拌合物性能、抗壓強度和彈性模量試驗依據 JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》；混凝土塑性收縮開裂試驗依據 CCES01—2004《混凝土結構耐久性設計與施工指南》；混凝土工作性能測試試驗依據 GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》。

根據《公路橋涵施工技術規范》中的相關規定，結合既往橋梁工程實際經驗[2-6]，確定錨跨箱梁 C50 預應力混凝土配合比設計參數范圍如下：膠凝材料用量 480～500kg/m3；粉煤灰摻量 15%～25%；砂率 40%～42%，水膠比 0.29～0.31。確定本文正交試驗的設計因素和水平見表 2 所示。

表 2 自錨跨箱梁 C50 預應力混凝土配合比正交設計因素及水平

3 試驗結果及分析

根據表 2 的正交設計因素和水平，采用正交設計表 L9(34)進行試配試驗，試驗結果見表 3 所示。

3.1 各因素水平對混凝土性能影響分析

表 3 自錨跨箱梁 C50 預應力混凝土正交試驗結果及分析

根據表 3 的試驗結果，對粉煤灰摻量、砂率和水膠比三個因素對混凝土工作性能的影響進行分析，具體見圖 1 所示，柱狀圖不同填充表示不同的因素水平，縱坐標為相應水平條件下試驗結果的平均值，即 ki。

從圖 1 的試驗結果可以看出：

（1）隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的和易性逐漸得到改善，表現在混凝土擴展度逐漸增大，倒坍流空時間逐漸減小，拌合物粘度降低，這可能是因為粉煤灰的“微集料”效應和球型顆粒的“滾珠”效應。粉煤灰填充在未水化的水泥顆粒之間，釋放了部分自由水，提高了有效水膠比，降低了拌合物的粘度，同時“滾珠”效應使得顆粒之間的摩擦力降低，提高了混凝土的流動性。粉煤灰摻量較低時，混凝土抗壓強度變化不大，在摻量 25% 時，混凝土抗壓強度降低，這可能是由于粉煤灰活性偏低，膠凝材料水化不充分的緣故。

（2）隨著砂率的增加，混凝土的工作性得到相應的改善，混凝土拌合物擴展度的變化不大，均在 550mm 左右，但是粘度得到改善，反映在倒坍流空時間逐漸降低。原因是骨料的平均粒徑降低，砂率增大，有利于在骨料表面形成較好的砂漿包裹層，提高了混凝土的流動性。同時，隨著砂率增大，混凝土抗壓強度變化不明顯，降低程度不大，可能是因為混凝土強度等級高，膠凝材料用量大，砂率對強度降低的影響減小。

（3）隨著水膠比的增大，混凝土工作性得到改善，擴展度逐漸變大，倒坍流空時間逐漸減小，水膠比增大，提高了混凝土中自由水的含量，有效得降低了混凝土的粘度，提高了混凝土的流動性。同時隨著水膠比的增大，混凝土的抗壓強度逐漸降低的趨勢，但是降低程度不大。因此，考慮混凝土施工工作性的要求，結合本試驗的強度試驗結果，水膠比0.31 是合適的。3.2 正交因素影響水平分析

圖 1 各因素水平對混凝土性能的影響

抗壓強度和擴展度越大越好，倒坍流空時間越小越好。因此，根據表 3 的極差分析，分別對三個測試指標得出相應的三個最佳方案，即：對應抗壓強度：A2B2C1D1；對應擴展度：A1B3C2D3；對應倒坍流空時間：A2B2C3D3。

采用正交分析法中的綜合平衡法對上述三個最佳方案進行優化選擇。

膠凝材料 A 對抗壓強度和擴展度的極差都較大，是影響較大的因素，對倒坍流空時間而言，膠凝材料影響不大，因此，從滿足強度的基礎上進行考慮，取 A2 水平為好。

礦物摻合料 B 對擴展度和倒坍流空時間的極差較大，屬于影響較大的因素，應分別取 B3 和 B2 水平，同時對于抗壓強度來講，B3 水平強度指標較小，因此，從強度方面考慮，取 B2 水平。

砂率 C 對各個指標的極差都比較小，屬于影響較低的因素，綜合抗壓強度、擴展度和倒坍流空時間三個指標考慮，取 C2 水平。

水膠比 D 對抗壓強度和倒坍流空時間的極差在四個因素里最小，屬于影響較低的因素，對于擴展度則極差最大，屬于影響最大的因素，綜合考慮，取 D3 水平。因此，通過上述分析，得出較好的試驗方案為 A2B2C2D3，見表 4 所示，驗證結果見表 5。

表 4 自錨跨箱梁 C50 預應力混凝土配合比

表 5 自錨跨箱梁 C50 預應力混凝土性能

表 6 江漢六橋 C50 自錨跨箱梁混凝土生產強度統計

表 5 的試驗結果可以看出，配制的混凝土工作性能良好，坍落度/擴展度 2h 基本無損失，能夠滿足高保坍，超緩凝的要求，且通過 Ⅱ 型 U 型箱填充試驗表明具有較好的間隙通過性；混凝土的抗壓強度和彈性模量均滿足了目標設計要求。

4 生產實際效果

在整個江漢六橋項目 C50 自錨跨箱梁預應力混凝土生產澆筑過程中，嚴格按照既定施工方案對混凝土質量進行控制，并對澆筑后的混凝土及時進行覆蓋土工布，灑水進行養護，對拆模后的箱梁結構進行觀察，混凝土結構整體性能良好，無明顯裂縫。對生產供應的 C50 自錨跨箱梁混凝土進行見證取樣，進行抗壓強度檢測，采用 GB/T50107—2010《混凝土強度檢驗評定標準》中的統計法進行混凝土 28d 抗壓強度評定，混凝土強度評定結果合格，且同時滿足市政橋梁工程要求混凝土抗壓強度大于設計強度 1.15 倍的要求，檢測評定結果如表 6 所示。

5 結論

（1）在本試驗條件下，采用 P·O42.5 水泥，Ⅰ級粉煤灰，設計參數為膠凝材料 490kg/m3，粉煤灰 20%，水膠比0.31，砂率 41%，能夠制備出工作性能良好，28d 抗壓強度60MPa 以上的泵送箱梁混凝土。

（2）粉煤灰能夠顯著改善混凝土的工作性能，摻量較高時對混凝土的抗壓強度有不利的影響，本試驗條件下，摻量20% 為最佳摻量。

（3）混凝土實際澆筑效果良好，結構整體性能良好，無明顯裂縫。現場檢測混凝土 7d 齡期抗壓強度滿足設計要求，28d 抗壓強度評定合格。

[1] 光同文，朱德玉，秦鴻根，等．箱梁高性能粉煤灰混凝土的變形性能與耐久性研究[J]．中外公路，2008(28): 247．

[2] 秦鴻根，孫偉，張亞梅．蘇通大橋不同結構部位高性能混凝土配合比與應用研究[J]．商品混凝土，2010(10): 55-59．

[3] 張劍鋒，王云金，唐凱，等．九江長江公路大橋超寬箱梁 C55 粉煤灰高性能混凝土配合比設計[J]．中國港灣建設，2012(6): 53-55．

[4] 李北星，天曉彬，周明凱，等．箱梁 C55 高性能混凝土的抗裂性能研究[J]．世界橋梁，2010(3): 40-41．

[5] 李北星，周明凱，王稷良．巴東長江大橋主梁C60高性能混凝土的研究與應用[J]．世界橋梁，2008(2): 51-52．

[6] 馬保國，何永佳，呂林女．高性能混凝土配合比設計[J]．武漢理工大學學報，2002(24): 28-31．

［通訊地址］湖北省武漢市華光大道 18 號高科大廈 16 樓中建商品混凝土有限公司華中分公司技術部（430074）

宋正林（1985—），中建商品混凝土有限公司華中分公司，碩士研究生。