龍門大橋抗裂C55索塔下橫梁大體積混凝土制備與性能研究

李文軍，楊茗欽

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/TF50-2011)(以下簡(jiǎn)稱《技術(shù)規(guī)范》)中將大體積混凝土定義為現(xiàn)場(chǎng)澆筑最小邊尺寸范圍在1～3 m，且混凝土構(gòu)造物內(nèi)表溫差>25 ℃的混凝土。水運(yùn)、建筑以及水利對(duì)此的定義又有所不同，但普遍認(rèn)為大體積混凝土?xí)驗(yàn)榻Y(jié)構(gòu)物較大而引發(fā)溫度裂縫。隨著橋梁結(jié)構(gòu)中混凝土構(gòu)件的尺寸與強(qiáng)度日益增加，對(duì)應(yīng)的技術(shù)問題也日益增加，其中由于膠凝材料用量大導(dǎo)致的混凝土水化放熱引發(fā)的開裂問題則是困擾諸多項(xiàng)目的頑疾。程華強(qiáng)等[1]采用實(shí)時(shí)溫控、水化溫升控制以及收縮補(bǔ)償結(jié)合的方式調(diào)控新河大橋承臺(tái)的溫度差，結(jié)果表明，需從材料與散熱設(shè)施的角度進(jìn)行共同優(yōu)化，才可顯著降低混凝土的水化升溫。劉力等[2]采用粉煤灰與礦粉復(fù)摻且不設(shè)置冷卻水管的形式，在白洋長(zhǎng)江公路大橋承臺(tái)有效控制了混凝土的溫度裂縫。譚昱等[3]則通過配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化和引入高效減水劑復(fù)配水泥的形式，成功建成了港珠澳大橋承臺(tái)且未出現(xiàn)裂縫。

上述研究中的混凝土標(biāo)號(hào)皆在C40～C45。針對(duì)橋梁索塔下橫梁C55標(biāo)號(hào)大體積混凝土的研究較少，而索塔下橫梁構(gòu)造物存在較多的變截面，各部位的收縮率不一。針對(duì)工程特點(diǎn)，本研究從配合比設(shè)計(jì)、抗裂安全性評(píng)價(jià)以及現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)三個(gè)方面入手，針對(duì)性地解決本工程可能存在的溫度裂縫問題。

1 工程概況

廣西濱海公路龍門大橋是廣西規(guī)劃建設(shè)的最大跨徑橋梁，全長(zhǎng)6 007 m，為單跨吊懸索橋，一跨過海，主跨為1 098 m，采用門式混凝土索塔，塔高為174 m。東索塔采用門式造型，設(shè)置上、下兩道橫梁，索塔橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。下橫梁標(biāo)高為9.0 m、寬為3.5 m，與塔柱底部實(shí)心段同時(shí)澆筑。塔柱、下橫梁采用C55海工混凝土，澆筑時(shí)間為9月份，月平均氣溫為27 ℃～34 ℃。

該構(gòu)件施工存在的主要難點(diǎn)是：(1)設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)高，導(dǎo)致膠凝材料用量大、水化放熱高，溫升控制不當(dāng)時(shí)，極易因內(nèi)表溫差造成應(yīng)力集中導(dǎo)致開裂；(2)構(gòu)件存在較多變截面，從而導(dǎo)致各部位收縮率不一致，在這些部位易產(chǎn)生溫度裂縫；(3)構(gòu)件受承臺(tái)固結(jié)約束，新舊混凝土澆筑間隔期較長(zhǎng)，下部固結(jié)約束易導(dǎo)致上層構(gòu)件約束累積從而發(fā)生開裂。

2 大體積抗裂混凝土的制備

2.1 試驗(yàn)原材料

表1 水泥物理性能數(shù)值表

表2 碎石性能數(shù)值表

表3 砂性能數(shù)值表

表4 減水劑性能數(shù)值表

表5 防腐劑性能數(shù)值表

表6 礦粉性能數(shù)值表

表7 粉煤灰性能數(shù)值表

2.2 配合比設(shè)計(jì)

高標(biāo)號(hào)大體積混凝土的膠凝材料用量比普通混凝土更高，在提升力學(xué)強(qiáng)度的同時(shí)會(huì)引發(fā)更多的水化放熱[4]。此外，為降低混凝土的單位用水量與早期放熱反應(yīng)，項(xiàng)目采用高粉煤灰摻量、低砂率、低坍落度比以及低水膠比的設(shè)計(jì)思路，基于此設(shè)計(jì)了A、B、C三組配合比，各配合比及材料用量如表8所示。

表8 各配合比材料用量表(kg/m3)

3 力學(xué)性能與抗裂安全性評(píng)價(jià)

3.1 力學(xué)性能

由表9可知，隨著水膠比與砂率的增加，三組配合比的混凝土拌和物坍落度呈先減小后增大的趨勢(shì)，但擴(kuò)展度卻呈先增大后減小的趨勢(shì)。葛黎明等[5]研究表明，機(jī)制砂的表面棱角豐富，在固定的水膠比下，砂率越大，包裹粗集料所需的砂漿越多，只有在水膠比與砂率都處在適宜的區(qū)間時(shí)，混凝土才具有最佳的工作性能。而B組配合比在早期具有較低的坍落度，從而保證混凝土不會(huì)泌水離析；在后期又有較大的擴(kuò)展度，保證混凝土能充分流動(dòng)填充構(gòu)造物。因此，從混凝土新拌性能角度來看，B組配合比的性能最佳。此外，由表10可知，隨著水膠比與砂率增加，各配合比混凝土拌和物的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及抗壓彈性模量都呈下降的趨勢(shì)。何盛東等[6]研究顯示，雖然機(jī)制砂豐富的棱角性使砂率和相應(yīng)的力學(xué)性能提高，但過高的水膠比會(huì)增加混凝土粗集料間的流動(dòng)性，導(dǎo)致其力學(xué)性能下降。在綜合工作性能與力學(xué)性能的情況下，本項(xiàng)目選用B組配合比作為施工配合比。

表9 各配合比混凝土拌和物工作性能對(duì)比表

表10 各配合比混凝土拌和物力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表

3.2 抗裂安全性評(píng)價(jià)

依據(jù)《技術(shù)規(guī)范》，結(jié)合下頁(yè)表11可知，兩層大體積混凝土澆筑最大內(nèi)部溫度為73.14 ℃，最大內(nèi)表溫差為23.21 ℃，內(nèi)部溫度<75 ℃，內(nèi)表溫差<25 ℃，均符合規(guī)范要求。

表11 塔柱起步段、下橫梁大體積混凝土溫度計(jì)算結(jié)果表

采用試驗(yàn)室不同齡期混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度計(jì)算的抗裂安全系數(shù)如表12所示。由表12可知，隨著時(shí)間增加，第一層混凝土溫度應(yīng)力呈現(xiàn)不規(guī)則變化，且180 d的溫度應(yīng)力與3 d接近。而第二層混凝土則隨著時(shí)間的增大，溫度應(yīng)力顯著降低，180 d的溫度應(yīng)力僅為3 d的69.5%。在抗裂安全系數(shù)方面，由于粉煤灰的火山灰活性使高摻量粉煤灰混凝土試驗(yàn)室力學(xué)性能呈現(xiàn)早期強(qiáng)度低但后期強(qiáng)度大的特性，這就使大體積混凝土最易開裂的時(shí)期往往發(fā)生在早期養(yǎng)護(hù)期間。《水運(yùn)工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程》(JTS202-1-2010)顯示，當(dāng)抗裂安全系數(shù)≥1.4時(shí)，混凝土早期開裂的概率<5%。結(jié)合表12可以看出，塔柱起步段、下橫梁第一層與第二層混凝土皆滿足要求。

此外，為進(jìn)一步了解混凝土構(gòu)件溫度應(yīng)力集中分布區(qū)域，對(duì)各齡期應(yīng)力場(chǎng)分布進(jìn)行模擬。由圖1和圖2可知，各澆筑層早期應(yīng)力發(fā)展較快，且集中于構(gòu)件上表面，表現(xiàn)為內(nèi)表溫差引起的拉應(yīng)力。隨著后期混凝土收縮，部分應(yīng)力向構(gòu)件內(nèi)部轉(zhuǎn)移并逐漸發(fā)展至穩(wěn)定水平，但變截面位置依然存在較高的溫度應(yīng)力。因此，應(yīng)在后期對(duì)構(gòu)件變截面位置加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，避免應(yīng)力集中引發(fā)構(gòu)件開裂。

表12 塔柱起步段、下橫梁溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

(a)3 d

(b)7 d

(c)28 d

(d)180 d

(a)3 d

(b)7 d

(c)28 d

(d)180 d

4 工程應(yīng)用效果

分別在混凝土底面以上1 m、2 m以及3 m位置布設(shè)溫度傳感器。由圖3與后頁(yè)圖4可知，混凝土在1 m與2 m處的溫度于22 h左右開始快速升溫，并在71 h左右達(dá)到峰值，在后期趨于平穩(wěn)。此外，兩處內(nèi)部最高溫度都<75 ℃，內(nèi)表溫差都<25 ℃。后頁(yè)圖5處的測(cè)點(diǎn)接近上表面，在14 h左右開始快速升溫，并在67 h左右達(dá)到峰值，在達(dá)到峰值后降溫速率>1 m。這表明在越接近構(gòu)造物表面的位置其散熱效果越好，而越接近構(gòu)造物底部則越需要注重散熱與養(yǎng)護(hù)。

圖3 高度為1 m的監(jiān)測(cè)區(qū)域混凝土溫度特征值歷時(shí)曲線圖

圖4 高度為2 m的監(jiān)測(cè)區(qū)域混凝土溫度特征值歷時(shí)曲線圖

圖5 高度為3 m的監(jiān)測(cè)區(qū)域混凝土溫度特征值歷時(shí)曲線圖

5 結(jié)語(yǔ)

(1)在水膠比為0.30，砂率為37%，水泥∶粉煤灰∶礦粉：防腐劑∶抗裂纖維∶砂∶碎石∶外加劑∶水=184∶126∶145∶39∶1.5∶669∶1 140∶8.87∶148時(shí)制備的混凝土具有最佳工作性能以及良好的力學(xué)性能。

(2)抗裂安全性評(píng)價(jià)結(jié)果表明，構(gòu)件內(nèi)部最大溫度為73.14 ℃，最大內(nèi)表溫差為23.21 ℃，滿足規(guī)范要求。此外，構(gòu)件在初期澆筑時(shí)，抗裂安全系數(shù)最低，卻依然具有較好的抗裂性能。隨著粉煤灰后期強(qiáng)度增長(zhǎng)，能進(jìn)一步提高構(gòu)件的抗裂安全系數(shù)。

(3)溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，澆筑層位的不同，溫升速率與內(nèi)表溫差區(qū)別顯著。表現(xiàn)為越接近構(gòu)造物表面的位置散熱效果越好，而越接近構(gòu)造物底部則越需要注重散熱與養(yǎng)護(hù)。