荊岳長江公路大橋鋼混結合段混凝土配制及性能研究

劉松，屠柳青，裴炳志，李順凱，查進

（1.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430071；2.荊岳長江公路大橋建設指揮部，湖北 監利 433300）

1 引言

荊岳長江公路大橋全長約4.3 km，為主跨816m的雙塔混合梁斜拉橋。其中設于南邊跨的鋼-混結合段為本橋的關鍵部位，對大橋的安全、可靠性和耐久性非常重要。鋼-混結合段靠近主塔根部，受主跨傳來的軸力大，本工程采用了帶PBL鍵（開孔板連接件）和剪力塊的前、后承壓板鋼格室方案，截面軸力和彎矩是通過鋼格室前后承壓板、PBL鍵以及鋼板與混凝土的摩擦力來傳遞，剪力和扭矩主要通過結合面端部的剪力塊傳遞。

為了有效地把鋼梁上的力傳遞到上、下翼緣板及腹板附近的連接部分，在結合部位制作了一段雙壁式的鋼箱結構（帶剪力鍵的多格室結構），并在其中灌注混凝土，依靠剪力鍵將鋼梁與預應力混凝土箱梁（P.C.）連為一個整體。此設計方案的優點是剛度過渡比較均勻，應力擴散好，不需要設置過厚的承壓鋼板；缺點是構造相對較復雜，對結合段鋼格室加工和混凝土的性能要求較高。其中填充混凝土設計強度等級高達C50，養護困難，易收縮開裂。一旦澆筑不密實或收縮開裂將會導致混凝土箱梁與鋼箱梁結合不緊密，從而不能滿足鋼混結合段及PBL剪力鍵的設計要求。

2 鋼混結合段混凝土配制要求

為了保障鋼-混結合段的密實澆筑，防止結合段混凝土在施工和使用階段脫粘與開裂，該混凝土的設計重點是：①采用大流態、易于灌注的自密實混凝土；②收縮小，利于鋼箱梁與混凝土箱梁的結合；③剛度大、韌性好、疲勞強度高，保證鋼箱梁與混凝土箱梁間的力學匹配。本研究通過采用高效聚羧酸外加劑以及優質粉煤灰來改善混凝土的工作性能，適量摻加膨脹劑來補償混凝土的收縮，同時利用纖維來改進混凝土的彈性模量和力學性能[1]。新拌混凝土的坍落度控制在（250±20）mm（目標值≥230mm），坍落擴展度為（650±50）mm（目標值≥600mm），膠凝材料控制在490～550 kg/m3。

3 試驗原材料及配合比

原材料包括：岳陽華新低堿P.O42.5水泥；湖北漢川電廠Ⅰ級粉煤灰；岳陽臨湘5～20 mm碎石（表觀密度2 750 kg/m3）；岳陽汨羅中砂（細度模數2.6，表觀密度2 630 kg/m3）；瑞士Sika V3301C聚羧酸高效減水劑；某品牌的聚丙烯纖維和鋼纖維以及A，B，C 3種不同廠家的膨脹劑。采用表1中的配合比配制C50鋼混結合段混凝土。

表1 鋼-混結合段混凝土試拌配合比

4 新拌混凝土工作性能

針對鋼混結合段鋼格室多，鋼筋密集的特點，采用坍落度筒外加M10鋼筋圍成直徑300mm的圓環測試坍落度、擴展度。圓環外徑330mm，內徑270mm，四周分布17根φ10的鋼筋，鋼筋間距40mm（圖1）。在測試混凝土坍落度、擴展度的同時，測試混凝土的中心和邊緣四等分點處混凝土的高度差的均值ΔH1（無J型環時）或ΔH2（有J型環時），該值可較好地反映混凝土的流動性和抗離析性能。其中表2為采用J環測試新拌混凝土工作性能結果。

圖1 鋼纖維混凝土環試驗

表2 混凝土拌和物J環試驗結果 mm

除施工性能外，混凝土的均質性也是作為評價混凝土質量的重要指標。對于大坍落度混凝土，由于選材和工藝的不恰當，往往容易造成混凝土的離析。從表2可以看出，無論是聚丙烯纖維還是鋼纖維，對混凝土的工作性能都有一定的影響，鋼纖維影響較聚丙烯纖維大，粉煤灰的摻入改善了混凝土流動性，改善的效果與粉煤灰的摻量有關系[2]。結合鋼混結合段混凝土的配制要求，以及試驗室試拌情況看，編號為G-1，G-4，G-8，G-9混凝土的均質性以及鋼筋的穿越能力較好。

5 力學性能

初步選擇了4組混凝土進行抗壓強度和彈性模量試驗，結果見表3。

表3 鋼-混結合段混凝土配合比抗壓強度及彈性模量

從表3的強度結果來看，4組混凝土的7 d強度皆超過50MPa，28 d強度均超過60MPa，滿足設計要求；4種配比混凝土的早期強度增長速率較快，后期強度增加緩慢，其中摻入的膨脹劑粉末，由于取代了部分水泥，混凝土早期強度相對有所降低，但影響不大；鋼纖維的摻入能夠提高混凝土的強度，特別是混凝土的28 d強度，這是由于后期水泥基體的強度增長，膠凝體與纖維的粘結強度提高了；與基準混凝土相比，鋼纖維的摻入提高了混凝土的彈性模量，聚丙烯纖維混凝土的彈性模量有所降低，但相差不大。

6 體積穩定性

鋼混結合段混凝土的體積穩定性是保證鋼混結合段結構整體性的重要評價指標，圖2為4種不同配合比混凝土的干縮試驗結果。從圖2可以看出：鋼-混結合段混凝土干縮率在14 d內增長迅速，此后隨著齡期的增長，增長速率逐漸降低，180 d齡期時混凝土干縮率仍有一定的增長。與基準混凝土（G-1）相比，微膨脹聚丙烯纖維混凝土（G-4）、微膨脹混凝土（G-8）、鋼纖維混凝土（G-9），各齡期干縮值均減小，180 d干縮值分別降低了22.6%、6.7%、8.4%，微膨脹聚丙烯纖維混凝土（G-4）降低混凝土自收縮作用效果尤為明顯。這說明聚丙烯纖維可以有效地提高自密實混凝土抵抗收縮變形和開裂的能力，從而抑制自密實混凝土的收縮變形。這主要是由于聚丙烯纖維的彈性模量較低，其斷裂伸長率大于混凝土斷裂伸長率，有利于提高混凝土的延性，改善混凝土的變形性能；另一方面收縮的能量被分散到每立方米數千萬條具有高抗拉強度、低彈模的纖維單絲上，從而有效地增加了混凝土的韌性，抑制了混凝土微細裂紋的產生和發展[3]。

圖2 4種不同配比混凝土的干縮對比

為了驗證混凝土在實際工況下的性能，荊岳長江公路大橋建設指揮部在現場澆筑1∶0.5的鋼混結合段模型，課題組通過試驗研究，從工作性能、力學性能、體積穩定性能等方面考慮采用G-4配合比澆筑鋼隔室。從現場模型試驗來看，混凝土澆筑情況良好（如圖3所示），能夠有效的保證鋼混結合段的整體性。

圖3 鋼混結合段模型混凝土澆筑

7 結語

（1）采用J環試驗模擬多筋的施工環境，能夠更好地評價混凝土在實際工況下的施工性能。

（2）采用膨脹劑和聚丙烯纖維能改善混凝土的收縮和韌性。試驗結果顯示G-4配合比力學性能滿足要求，干縮率最低。

（3）從現場模型試驗來看，G-4配合比混凝土填充效果良好，有利于指導實際施工。

（4）G-4混凝土配合比在荊岳長江公路大橋建設中得到了應用。

[1] 李順凱，等.金塘大橋預制箱梁海工混凝土配制及性能研究[J].中國港灣建設，2008，（2）：38-40.

[2] 劉松，等.大摻量粉煤灰混凝土在荊岳長江公路大橋承臺中的應用[J].粉煤灰綜合利用，2009，（1）：41-43.

[3] 李紅君，等.聚丙烯纖維混凝土早期開裂敏感性的研究[J].國外建材科技，2009，（1）：41-44.