UHPC調(diào)節(jié)層在索塔下橫梁裂縫控制中的應(yīng)用

惠曉亮，劉雨，吳柯

（1.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430040；2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；3.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040）

0 引言

白居寺長(zhǎng)江大橋索塔下橫梁采用變截面單箱室結(jié)構(gòu)，中部寬10.76～15 m，中部高10.5 m。頂板厚200 cm，底板厚0～300 cm，腹板厚200 cm。其中下橫梁圓弧段直接與承臺(tái)連接，且下橫梁圓弧段存在0～40 cm厚薄壁混凝土，其主體混凝土結(jié)構(gòu)采用C55混凝土，其自身屬于超大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、高標(biāo)號(hào)混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)大；同時(shí)，由于原有承臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)已施工2 a，承臺(tái)混凝土基本已經(jīng)完成變形，承臺(tái)混凝土對(duì)下橫梁的約束強(qiáng)，下橫梁極易形成深層裂縫。

為提高下橫梁構(gòu)件的抗裂能力，本工程在下橫梁首節(jié)采用UHPC（超高性能混凝土，Ultra-High Performance Concrete，簡(jiǎn)稱UHPC）混凝土、鋼纖維混凝土和C55混凝土組成混凝土應(yīng)力調(diào)節(jié)層，利用UHPC超高的抗拉性能，能有效保證下橫梁結(jié)構(gòu)的抗裂能力，提高橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗裂性能。本文從有限元仿真對(duì)比分析、低熱低收縮UHPC材料配制、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等方面研究了UHPC應(yīng)力調(diào)節(jié)層的設(shè)計(jì)及應(yīng)用技術(shù)。

1 有限元仿真對(duì)比分析

1.1 設(shè)計(jì)模型仿真計(jì)算

采用Midas FEA軟件建立下橫梁仿真模型，總結(jié)并借鑒合理的技術(shù)手段，對(duì)下橫梁混凝土材料性能、分塊分層、溫控措施進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，驗(yàn)證UHPC應(yīng)力調(diào)節(jié)層對(duì)于大收縮差強(qiáng)約束構(gòu)件的抗裂能力改善效果。

1.2 混凝土配合比及參數(shù)

下橫梁C55混凝土配合比見(jiàn)表1，UHPC及纖維混凝土計(jì)算參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2和表3，下橫梁混凝土的出機(jī)溫度估算見(jiàn)表4。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix ratio kg/m3

表2 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度計(jì)算值Table 2 Calculated value of splitting tensile strength of concrete MPa

表3 混凝土物理熱學(xué)參數(shù)Table 3 Physical thermal parameters of concrete

表4 下橫梁混凝土出機(jī)口溫度估算Table 4 Estimation of temperature of concrete at discharge outlet for lower cross beam ℃

考慮混凝土運(yùn)輸及澆筑過(guò)程中的升溫[1]。根據(jù)施工計(jì)劃，下橫梁混凝土澆筑時(shí)間為2月中下旬，C55混凝土澆筑溫度在19.9℃左右。仿真計(jì)算時(shí)下橫梁混凝土澆筑溫度取為20.0℃。

1.3 結(jié)構(gòu)邊界條件

1）下橫梁C55混凝土受承臺(tái)混凝土約束，承臺(tái)混凝土標(biāo)號(hào)為C35，計(jì)算時(shí)承臺(tái)的最終彈模取36 GPa。

2）承臺(tái)與下橫梁首節(jié)施工間隔期為720 d，下橫梁混凝土的澆筑溫度取20℃。

3）混凝土澆筑氣候條件按照2月考慮，環(huán)境溫度取值（10±3）℃。

4）參考?xì)夂蛸Y料，風(fēng)速按≥7 m/s考慮。

5）下橫梁上表面采用覆蓋養(yǎng)護(hù)，表面散熱系數(shù)取值960 kJ/（m2·d·℃）。

6）下橫梁分3層澆筑，分別為3 m+4 m+4 m，同時(shí)在下橫梁中間設(shè)置2 m后澆帶（如圖1）。第1層澆筑時(shí)間為2019年3月10日，第2層澆筑時(shí)間為2019年4月5日，第3層澆筑時(shí)間為2019年4月28日。

圖1 下橫梁分層布置圖Fig.1 Layering arrangement of lower cross beam

7）第1層混凝土采用3種混凝土依次澆筑，分別為30 cm UHPC混凝土+100 cm鋼纖維混凝土+170 cm常規(guī)C55塔柱混凝土。第1層采用3種不同混凝土的原因是根據(jù)上橫梁受力分析，首節(jié)段結(jié)合面位置應(yīng)力較上部大，且結(jié)合面靠外邊緣的應(yīng)力為整個(gè)下橫梁最大應(yīng)力帶，故根據(jù)應(yīng)力分布情況配置合適種類的混凝土，既達(dá)到滿足受力的要求，又達(dá)到降本增效的目的。

1.4 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)混凝土的物理性能參數(shù)、熱學(xué)性能參數(shù)、混凝土所受約束信息、水管分布等設(shè)定條件，計(jì)算下橫梁混凝土內(nèi)部最高溫度為65.5℃。根據(jù)模型及溫度場(chǎng)結(jié)果，下橫梁溫度及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 下橫梁溫度及溫度應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果Table 5 Temperature and temperature stress field of lower cross beam

設(shè)定工況條件下下橫梁混凝土各層安全系數(shù)分別為1.30、1.34和1.32，基本滿足施工要求[2]。仿真計(jì)算表明采用UHPC應(yīng)力調(diào)節(jié)層能有效提高構(gòu)件的安全系數(shù)，降低混凝土的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

2 UHPC材料配制

2.1 材料性能指標(biāo)

根據(jù)有限元模型分析結(jié)果，本項(xiàng)目需要重點(diǎn)開(kāi)發(fā)一種低水化熱、低收縮、高抗裂性能的UHPC混凝土，對(duì)性能提出表6相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。

表6 UHPC性能指標(biāo)要求Table 6 Performance requirements of UHPC

2.2 配制路線

根據(jù)表6的UHPC指標(biāo)要求，從如下幾個(gè)方面開(kāi)展低水化熱、低收縮、高抗裂的UHPC混凝土的配制研究：

1）優(yōu)化砂石級(jí)配，選擇合適粒徑碎石，降低骨料空隙率，基于最緊密堆積的配合比設(shè)計(jì)原理[3]，采用常規(guī)級(jí)配良好的粗、細(xì)集料進(jìn)行混凝土配制，以降低UHPC混凝土的成本，同時(shí)提高混凝土的體積穩(wěn)定性，降低收縮[4]。

2）優(yōu)化混凝土膠材體系，采用大摻量礦物摻合料[5]和復(fù)合膨脹劑[6]，降低水化熱和收縮，通過(guò)性能的比對(duì)試驗(yàn)，確定最佳摻量。

3）研究不同摻量鋼纖維對(duì)混凝土工作性、力學(xué)性能的影響，尤其是工作性、抗折強(qiáng)度、梯級(jí)穩(wěn)定性的對(duì)比試驗(yàn)，確定鋼纖維的尺寸及摻量。

2.3 原材料種類及指標(biāo)

1）水泥：華新P·O 42.5級(jí)水泥，28 d抗壓強(qiáng)度49.3 MPa；2）石英砂：20～200目，SiO2含量95%～99.8%；3）硅灰：硅含量96%～99%；4）鋼渣粉：比表面積＞500 m2/kg；5）超細(xì)粉：自制，比表面積大于1 000 m2/kg；6）減水劑：自合成高效緩凝型聚羧酸減水劑，含固量32%；7）復(fù)合膨脹劑：鈣礬石型復(fù)合膨脹劑；8）鋼纖維：鍍銅鋼纖維，直徑0.22 mm；9）5～10 mm玄武巖碎石；10）水：自來(lái)水。

2.4 最終配合比及性能指標(biāo)

綜合單一因素對(duì)UHPC性能影響規(guī)律的研究成果，最終確定配合比如表7所示。

表7 UHPC混凝土配合比Table 7 Mix ratio for UHPC kg/m3

根據(jù)表7配合比，對(duì)配制混凝土的工作性及相關(guān)力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示，滿足設(shè)計(jì)要求。

表8 UHPC性能測(cè)試表Table 8 Results of UHPC performance tests

同時(shí)相關(guān)研究表明玄武巖粗骨料母巖強(qiáng)度高，最大粒徑10 mm碎石骨料表面粗糙，能有效提高UHPC基體與骨料界面過(guò)渡區(qū)黏結(jié)能力；同時(shí)粗骨料可在UHPC體系內(nèi)形成剛性骨架，骨料咬合作用增強(qiáng)[6]，提高了UHPC整體受壓性能。微觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，硬化水泥漿體、集料、鋼纖維構(gòu)成，水泥、硅灰、礦粉等摻合料水化形成C-S-H凝膠可將鋼纖維和集料包裹住形成致密結(jié)構(gòu)，水泥漿體與集料間的界面過(guò)渡區(qū)較為致密[7]。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方案

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)攪拌站及模板實(shí)際情況，下橫梁分3層澆筑，分別為3 m+4 m+4 m，同時(shí)在下橫梁中間設(shè)置2 m后澆帶；第1層混凝土采用3種混凝土依次澆筑，分別為外側(cè)長(zhǎng)邊方向澆筑30 cm UHPC（為了便于施工，短邊方向235 cm寬度范圍內(nèi)澆筑40 cm UHPC）+100 cm鋼纖維混凝土+200 cm常規(guī)C55混凝土。1號(hào)節(jié)段混凝土分布如圖2所示。

圖2 下橫梁第1層混凝土分布構(gòu)造圖Fig.2 Concrete arrangement for first layer of lower cross beam

3.2 UHPC混凝土施工

1）UHPC材料準(zhǔn)備

為降低運(yùn)輸及澆筑難度，預(yù)先在工廠將水泥、石英砂、高性能礦物摻合料、復(fù)合外加劑等按一定比例，采用合理的投料、混合、包裝工藝制備成UHPC干混料。UHPC干混料采用噸袋包裝，鍍銅鋼纖維材料采用牛皮紙袋包裝。碎石采用現(xiàn)場(chǎng)5～10 mm粒徑范圍碎石，攪拌用水為自來(lái)水。

2）UHPC攪拌及運(yùn)輸

UHPC攪拌可使用現(xiàn)場(chǎng)常規(guī)攪拌機(jī)組，UHPC用水量為干粉料質(zhì)量的8%～10%，拌制過(guò)程要先加入所需質(zhì)量的UHPC干粉料并開(kāi)動(dòng)攪拌機(jī)，然后邊攪拌邊加入碎石，再加入拌合用水，加水結(jié)束后再攪拌5～6 min出機(jī)。UHPC每盤(pán)可攪拌1.5 m3，每盤(pán)攪拌時(shí)間10 min。攪拌站每小時(shí)可生產(chǎn)9 m3，運(yùn)輸時(shí)間約40 min，UHPC施工時(shí)間約4 h。采用混凝土罐車運(yùn)輸，泵送施工。運(yùn)輸中需注意混凝土出機(jī)到澆筑時(shí)間不宜超過(guò)2 h。

3）UHPC澆筑工藝

白居寺大橋下橫梁首節(jié)段UHPC混凝土和鋼纖維混凝土同時(shí)澆筑，結(jié)合面采用收口模板，采用高壓泵管泵送施工，泵管經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化盡量減少?gòu)濐^，防止爆管[8-9]。UHPC澆注完成后立即澆筑鋼纖維混凝土，混凝土外側(cè)面養(yǎng)護(hù)采用帶模養(yǎng)護(hù)5 d，拆模后采用保溫篷布覆蓋養(yǎng)護(hù)9 d，頂部灑水噴霧保濕，保溫保濕時(shí)間不少于14 d。

4 下橫梁UHPC的實(shí)施效果

白居寺長(zhǎng)江大橋下橫梁混凝土分左右兩幅澆筑，單幅UHPC用量約為12.3 m3，采用現(xiàn)場(chǎng)攪拌站攪拌機(jī)組攪拌，采用混凝土泵車運(yùn)輸，汽車泵進(jìn)行泵送澆筑?，F(xiàn)場(chǎng)采用制冷水和碎冰拌和措施控制澆筑，采用智能溫度監(jiān)控設(shè)備監(jiān)控混凝土內(nèi)部不同高度中心點(diǎn)、表面點(diǎn)以及澆筑等溫度數(shù)據(jù)。以P8下游第1層混凝土為例，混凝土入模溫度為19.4～21.1℃；混凝土內(nèi)部最高溫度為67.6℃，最高溫度出現(xiàn)時(shí)間為測(cè)點(diǎn)覆蓋后39 h；混凝土最大內(nèi)表溫差23.7℃。具體監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)匯總見(jiàn)表9，第2層測(cè)點(diǎn)的溫度特征值曲線見(jiàn)圖3。

表9 溫控監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總Table 9 Summary of measured temperature for thermal control

圖3 第2層溫度特征值歷時(shí)曲線圖Fig.3 Duration curve of temperature characteristic values of second layer

從監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，混凝土入模溫度、最高溫度、內(nèi)表溫差等監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求。從現(xiàn)場(chǎng)情況來(lái)看，拆模后的P7、P8索塔UHPC調(diào)節(jié)層未發(fā)現(xiàn)裂縫產(chǎn)生，下橫梁控裂效果理想。

5 結(jié)語(yǔ)

白居寺長(zhǎng)江大橋下橫梁構(gòu)件的仿真模型對(duì)比分析中，分析了低熱低收縮UHPC作為功能調(diào)節(jié)層的可行性，提出了白居寺長(zhǎng)江大橋UHPC混凝土的性能指標(biāo)，通過(guò)對(duì)UHPC材料的精確設(shè)計(jì)，配制出滿足計(jì)算指標(biāo)要求的低熱低收縮UHPC混凝土，并在白居寺長(zhǎng)江大橋下橫梁第1節(jié)混凝土成功應(yīng)用，并得出結(jié)論如下：

1）采用UHPC作為應(yīng)力調(diào)節(jié)層，利用其超高的抗拉性能，能有效提高承臺(tái)和下橫梁結(jié)合段的抗裂能力，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。UHPC應(yīng)力調(diào)節(jié)層可以作為類似構(gòu)件的抗裂參考措施。

2）采用Midas FEA仿真計(jì)算分析對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模擬，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵參數(shù)確認(rèn)，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控結(jié)果基本符合，計(jì)算結(jié)果可以作為施工參考。

3）采用大摻量礦物摻合料、復(fù)合膨脹劑，能有效降低UHPC材料的水化熱和收縮。測(cè)試結(jié)果表明配制的UHPC工作性能良好，標(biāo)養(yǎng)條件28 d劈拉強(qiáng)度達(dá)15.2 MPa、抗壓強(qiáng)度達(dá)131.3 MPa、絕熱溫升僅59.5℃，180 d干燥收縮率僅255×10-6，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足白居寺長(zhǎng)江大橋下橫梁混凝土抗裂要求。