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第一工程有限公司 遼寧大連 116033；2.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室 湖北武漢 430070）

1 引言

預應力連續箱梁在大型公路和鐵路橋梁中得到了廣泛應用，但受混凝土收縮、徐變、溫濕度變化，箱梁結構設計缺陷，混凝土施工質量等因素影響，箱梁混凝土易在施工期出現開裂［1－3］。裂縫的出現對結構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。

武穴長江大橋主橋設計為雙塔六跨連續不對稱混合梁斜拉橋，橋跨布置為（80＋290）m（北邊跨）＋808 m（中跨）＋（75＋75＋75）m（南邊跨）。南邊跨預應力混凝土（PC）箱梁采用分離式雙箱結構，截面全寬38.5 m，為典型超寬預應力混凝土箱梁［5］。標準梁段中心線處梁高3.822 m，頂板厚35 cm，底板厚40 cm，斜底板厚35 cm，內腹板厚55 cm。PC箱梁采用在支墩支架上分段分節（跳倉）現澆施工，自梁端開始分成4個施工段和2個合龍段（濕接縫），每個施工段分若干節澆筑，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；箱梁混凝土強度等級為C55，自收縮和溫度收縮大，加之扁平型寬箱梁外側養護難度大，受結構異形、結構尺度變化大等影響，混凝土開裂風險大。為此，針對該寬箱梁的混凝土防裂施工要求，進行混凝土的配制與抗裂性研究。

2 原材料及試驗方法

2.1 原材料

水泥為江西亞東洋房P·Ⅱ52.5級水泥，粉煤灰（FA）為國電九江發電有限公司F類Ⅰ級粉煤灰，礦粉（KF）為九江中冶環保資源開發有限公司S95?；郀t礦渣粉，細骨料為贛江豐城Ⅰ類河砂，細度模數2.8，粗骨料為宜昌5～20 mm二級配石灰巖碎石，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 試驗方法

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

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

（3）混凝土刀口約束法早期抗裂性試驗依據GB／T 50082—2009進行，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行密封，干縮試件不做處理。試驗環境溫度（20±2）℃，相對濕度（60±5）%。

（5）混凝土徐變試驗依據 GB／T 50082—2009進行。試件標養7 d齡期后開始加載，加載應力為棱柱體軸心抗壓強度的40%。

3 混凝土配合比設計

3.1 性能設計要求

基于該PC寬箱梁設計和施工要求，參考相關規范［6］，提出本箱梁混凝土性能應達到如下指標要求：

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

（2）力學性能：28 d試配抗壓強度≥65.7 MPa且不宜高于1.4倍設計強度，7 d強度≥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抗裂性等級L-Ⅲ級及以上，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

根據以往同類工程經驗［7－9］，結合本工程實際，設計如表1所示的11個配合比，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%）、粉煤灰與礦粉復摻比例（FA∶KF＝2∶1、1.5∶1、1∶1）、單方用水量（139、144、149 kg／m3）4個因素對C55箱梁混凝土基本性能的影響?；拘阅茉囼灲Y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 試驗結果與分析

4.1 混凝土基本性能

由表2混凝土基本性能試驗結果可知，11個配比的坍落度／擴展度均滿足施工要求，7 d抗壓強度均超過設計強度55 MPa；除基準配比X480F0外，其他10個配比的28 d強度均高于65.7 MPa的試配值，且大部分配比具有較高的強度富裕系數。綜合考慮粉煤灰、礦粉復合摻合料摻量和組成比例對混凝土絕熱溫升、強度發展、收縮徐變等的可能影響，初選復摻FA21.6% ＋KF14.4%的X480F22K14配比、復摻FA18% ＋KF12%的X480F18K12配比為優化配比。

表3為四組混凝土力學和抗氯離子滲透性能結果對比。與基準混凝土X480F24相比，復摻FA18%＋KF12%提高了抗拉強度，而單摻FA24%或復摻FA21.6%＋KF14.4%均降低了抗拉強度。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混凝土，尤其是X480F18K12配比。

表3 箱梁混凝土力學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，符合箱梁耐久性設計要求。與X480F0相比，X480F24、X480F18K12、X480F22K14三個配比的28 d電通量分別降低28.3%、30.6%、34.5%，表明復摻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，測定了礦物摻合料與減水劑對水泥水化熱的影響。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時間，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90.7%、61.4%），這對控制混凝土內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水泥水化熱的控制起到了“1＋1＞2”的協同作用。

圖1 礦物摻合料與減水劑對水泥水化熱的影響

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定結果，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）和放熱穩定期（36 h～）三個階段，其中快速水化放熱期是大體積混凝土溫控的關鍵時段，因此該箱梁施工時應特別關注前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結果。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，但裂縫條數變化不大，因此礦物摻合料對混凝土抗裂性能的改善作用主要體現在細化裂縫上。

表5 箱梁混凝土平板刀口約束法開裂24 h試驗結果

4.5 混凝土收縮

圖3為箱梁混凝土自收縮結果，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混凝土。在試驗結束的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，符合規程 DB32／T 2170—2012［6］規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間變化曲線。結果顯示：（1）X480F24、X480F18K12、X480F22K14三個配比的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，這與國內外同類研究結果相似［10－12］。另外，X480F18K12、480F22K14兩個擬選配比的90 d徐變度符合規程DB32／T 2170—2012規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間發展規律

4.7 箱梁典型節段混凝土溫度監測情況

箱梁混凝土于2019年5月－2019年12月期間施工，共分20個節段，施工用配比為X480F22K14。為降低大體積混凝土結構內部溫度，在箱梁風嘴部位布設了冷卻水管，水平管間距為100 cm，距離混凝土側面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節段（2019年5月7日澆筑）和末件N3節段（2019年12月9日澆筑）的溫度監測結果（見表6）進行分析。

表6 箱梁混凝土溫度特征值監測數據

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

所有梁段施工完成后檢測結果表明，梁體均未發現有害性結構裂縫，表面平整光滑，無明顯大氣孔和聚集性氣孔等缺陷。

5 結論

（1）通過膠凝材料用量、礦物摻合料摻量與復摻比例、水膠比等參數的優化，配制出具有低水化熱溫升、低收縮徐變的高抗裂、高抗滲C55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，為基準樣的87.3%；126 d干燥收縮率為293×10－6，為基準樣的76.1%；養護7 d齡期加載90 d的徐變度為18.2×10－6／MPa，為基準樣的59.9%。

（4）箱梁施工時，混凝土澆筑后36 h左右達到溫峰，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，應采取有效的“內降外保”溫控措施控制混凝土的內表溫差，就該箱梁而言，控制在30℃以內可有效避免早期裂縫的產生。