嘉魚大橋?qū)挿]合PC箱梁混凝土抗裂性能優(yōu)化研究

劉 敬 余 浩 李北星

(1.湖北交投智能檢測股份有限公司，湖北 武漢 430050； 2.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430063)

嘉魚長江公路大橋是武漢城市圈環(huán)線高速公路跨越長江的控制性工程，全橋長4 667 m，主橋主跨920 m，為目前世界上最大跨徑非對稱混合梁斜拉橋，其中主橋邊跨采用C55預(yù)應(yīng)力混凝土(PC)箱梁。

本箱梁為整體式單箱三室超寬箱梁，箱梁截面寬度達(dá)38.5 m，采用支墩支架現(xiàn)澆工藝，在溫度梯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，其構(gòu)造復(fù)雜、結(jié)構(gòu)形式新穎更是加大了裂縫控制難度，目前國內(nèi)尚無成熟經(jīng)驗(yàn)可供參考。

針對混凝土箱梁抗裂研究，張方[1]從橋梁結(jié)構(gòu)生命周期的角度，應(yīng)用考慮“時間依存性”的分析方法，對鋼筋混凝土箱梁裂縫進(jìn)行理論及計(jì)算機(jī)模擬研究，得出支架的不均勻沉降是裂縫產(chǎn)生的主要原因之一，且施工期間開裂的風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于運(yùn)營期。楊志強(qiáng)[2]結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查資料，通過ANSYS數(shù)值模擬分析，得出大橋單箱單室混凝土箱梁裂縫產(chǎn)生的主要原因是混凝土溫度應(yīng)力。趙寶俊[3]重點(diǎn)分析PC箱梁復(fù)雜的受力特點(diǎn)，同時對混凝土收縮徐變效應(yīng)對箱梁應(yīng)力重分布的影響進(jìn)行了研究。李春輝[4]通過對典型預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的動力特性及振型分析，表明裂縫絕大多數(shù)產(chǎn)生于施工過程中，箱梁自重及梯度溫度是裂縫產(chǎn)生的主要原因，運(yùn)營后的車道荷載則加速了舊裂縫的開展和新微細(xì)裂紋的產(chǎn)生。

為此，從混凝土配合比著手，采用具備高工作性、高抗裂能力和低收縮徐變性能的高性能混凝土，以期提高PC箱梁在施工過程中的抗裂性能。

1 寬幅閉合PC箱梁配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

表1 寬幅閉合PC箱梁混凝土配合比

為實(shí)現(xiàn)嘉魚橋北邊跨寬幅箱梁混凝土高工作性、高抗裂性、低收縮徐變的配制目標(biāo)，配合比設(shè)計(jì)遵循低水泥用量、低用水量、骨料最大堆積密度、摻用緩凝型高性能減水劑與較大摻量礦物摻合料的原則，優(yōu)選原材料，采用純水泥、單摻粉煤灰、復(fù)摻粉煤灰及礦粉共配制11組配合比，砂率固定為40%，具體見表1。

表2 寬幅閉合PC箱梁混凝土配合比工作性與強(qiáng)度結(jié)果

由表2結(jié)果可知：

1)11組配合比除X0,X1,X7外，工作性滿足要求；7 d抗壓強(qiáng)度均超過55 MPa的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，28 d強(qiáng)度除X10配合比外均高于試配強(qiáng)度66 MPa，且均有較高的富余系數(shù)。

2)在單摻粉煤灰的配合比中，隨著粉煤灰摻量增加(X7→X6→X8→X9→X10)，拌合物坍落度、擴(kuò)展度增加或達(dá)到同等工作性，外加劑摻量有所降低，說明粉煤灰較好的改善了混凝土的工作性。

3)在雙摻粉煤灰與礦粉的混凝土配合比中，隨著粉煤灰摻量增加(X2→X1；X4→X3)，拌合物坍落度和擴(kuò)展度增加，礦粉摻比增加使得拌合物粘聚性增大，坍落度和擴(kuò)展度有所降低。

4)在X1～X7配比中，礦物摻合料總量從15%增至30%，7 d強(qiáng)度呈降低趨勢，但28 d強(qiáng)度與礦物摻合料總量關(guān)系并不明顯，說明礦物摻合料30%范圍內(nèi)對強(qiáng)度影響較小。

5)礦物摻合料類型對強(qiáng)度有一定影響，主要體現(xiàn)在同等礦物摻合料總量前提下，粉煤灰摻量較多的X1,X3配比7 d強(qiáng)度略低于礦粉摻量較多的X2,X4配比，但X1,X3的28 d抗壓強(qiáng)度較X2,X4高約5 MPa，這說明粉煤灰對混凝土后期強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率大于礦粉。

6)提高粉煤灰摻量至20%以上，7 d,28 d強(qiáng)度均下降，粉煤灰摻量25%的X9配比28 d抗壓強(qiáng)度為70.3 MPa，滿足試配要求。

7)從7 d至28 d強(qiáng)度增長趨勢來看，各組配比增加幅度在7.0 MPa～21.1 MPa間，其中X9配比增進(jìn)最小，相應(yīng)水化熱放熱過程更均勻。

綜合考慮粉煤灰、礦粉摻量和組成比例對混凝土工作性、抗裂性、強(qiáng)度、收縮徐變等的可能影響，篩選出基準(zhǔn)X0,復(fù)摻X1及單摻X9三組配比進(jìn)一步開展熱學(xué)、變形、抗裂試驗(yàn)。

2 絕熱溫升試驗(yàn)

依據(jù)水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程所提供的方法，采用HR-2A型混凝土熱物理參數(shù)測定儀進(jìn)行測定，試驗(yàn)歷時7 d，每1 h記錄一次中心溫度，得出X1,X9的7 d絕熱溫升試驗(yàn)值分別為56.53 ℃,54.76 ℃。

由圖1可知，澆筑完成后的16 h～48 h為溫控的關(guān)鍵時段，X9配比較X1配比絕熱溫升試驗(yàn)值低約1.8 ℃，說明粉煤灰對絕熱溫升的降低效果較礦粉明顯。

3 抗裂性能試驗(yàn)

選取X0,X1,X9三組配比，采用平板法塑性干燥收縮開裂試驗(yàn)驗(yàn)證混凝土的抗裂性能(見表3)。

表3 平板法開裂試驗(yàn)結(jié)果

與基準(zhǔn)樣X0相比，X1的最大裂縫寬度明顯降低，單位面積裂縫數(shù)量增加15%，但單位面積上的總開裂面積降低了42%，表明粉煤灰和礦粉的摻入細(xì)化了混凝土裂縫；X9與X1相比單位面積裂縫數(shù)量在一定程度上減少，單位面積上的總開裂面積降低了47%，相比而言單摻粉煤灰的X9抗塑性收縮開裂性能優(yōu)于復(fù)摻粉煤灰及礦粉的X1。

4 混凝土自收縮、徐變試驗(yàn)

自收縮試驗(yàn)通過電腦讀取磁吸式多通道傳感器所感應(yīng)的線性變形來反映混凝土早期自身體積變形，試驗(yàn)從混凝土初凝持續(xù)至28 d，3組配比混凝土自收縮發(fā)展曲線見圖2。

試驗(yàn)結(jié)果表明7 d齡期內(nèi)自收縮值發(fā)展很快，28 d基本穩(wěn)定；礦物摻合料能夠抑制混凝土的自收縮，其中X0的3 d,7 d齡期自收縮率分別為123.1×10-6,163.6×10-6，X9對應(yīng)齡期的自收縮率降低至93.9×10-6,140.4×10-6，降幅達(dá)23.7%,14.2%，由此可見摻入適量粉煤灰對于提高混凝土的抗裂性能具有明顯益處。

眾所周知，徐變會引起預(yù)應(yīng)力損失，而國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的徐變試驗(yàn)齡期為28 d。根據(jù)嘉魚橋工程實(shí)際，預(yù)應(yīng)力初張多在混凝土成型后的5 d～7 d，因此本研究徐變試驗(yàn)加載齡期選擇為接近工程實(shí)際的7 d。圖3是選定配比的試樣徐變隨持荷時間的變化曲線，圖4是徐變系數(shù)曲線。

28 d齡期前徐變迅速增長，隨齡期增加，至180 d徐變基本穩(wěn)定，且礦物摻合料對減小混凝土徐變有著較為顯著的效果。相比而言，X1與X9徐變性能相差不大，180 d齡期的徐變度分別為21.3×10-6MPa,23.0×10-6MPa，徐變系數(shù)分別為1.49,1.57；較基準(zhǔn)樣X0，X1和X9的180 d徐變度分別降低了22.8%,16.7%，徐變系數(shù)減小了16.3%,11.8%。

相比國內(nèi)其他橋梁C50～C60預(yù)應(yīng)力混凝土的徐變試驗(yàn)結(jié)果，本混凝土箱梁推薦的X1,X9配合比徐變度還是較小的。

5 結(jié)語

本文針對寬幅閉合PC箱梁混凝土抗裂性能優(yōu)化研究，從混凝土配合比設(shè)計(jì)著手，通過工作性驗(yàn)證及一系列的熱學(xué)、變形及抗裂試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1)通過配合比中礦物摻合料不同的摻量及組成比例，驗(yàn)證了礦物摻合料對混凝土工作性能及后期強(qiáng)度增長的影響。2)通過絕熱溫升試驗(yàn)，得出單摻粉煤灰對混凝土絕熱溫升的降低效果強(qiáng)于粉煤灰及礦粉復(fù)摻。3)自收縮及徐變試驗(yàn)表明礦物摻合料對提高混凝土的抗裂性能有顯著效果。4)綜合考慮各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果，最終選取具備高工作性、高抗裂能力和低收縮徐變性能的X9配比作為嘉魚長江公路大橋北邊跨寬幅閉合PC箱梁混凝土配合比。

本研究從混凝土配合比設(shè)計(jì)處著手，通過配合比優(yōu)選及工作性、熱學(xué)、力學(xué)及抗裂性能等試驗(yàn)驗(yàn)證，得出最優(yōu)配比并及時將試驗(yàn)成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用，從現(xiàn)場施工效果和質(zhì)量來看，所配制北邊跨寬幅閉合PC箱梁混凝土具備優(yōu)良的抗裂性能，較好的滿足了工程設(shè)計(jì)和施工需求，對今后的箱梁混凝土裂縫控制研究起到一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張 方.大型混凝土箱梁裂縫研究[D].成都：西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004.

[2] 楊志強(qiáng).混凝土箱梁裂縫成因分析[D].成都：西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.

[3] 趙寶俊.豎向預(yù)應(yīng)力作用下箱梁腹板的受力機(jī)理研究[D].西安：長安大學(xué)博士學(xué)位論文，2012.

[4] 李春輝.預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋開裂行為分析與加固研究[D].杭州：浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.