橋塔用內養護高強度抗裂混凝土性能研究

安明喆 韓松 王月 尹必晶

（北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044）

混凝土內養護技術通過提供額外的內養護水，減小了由于混凝土干燥引起的內部自生應力，明顯降低了混凝土的早期開裂風險［1］。韓宇棟等［2-3］研究發現陶粒、陶砂等多孔材料可提供額外的內養護水，改善混凝土內部水分的分布，從而顯著提高混凝土的抗裂能力。Jensen 等［4-5］研究發現高吸水性樹脂（Super Absorbent Polymer，SAP）與上述多孔材料具有相似的混凝土內養護效果。董淑慧等［6］研究表明，用飽和預濕陶粒作內養護材料能顯著提高混凝土的抗裂性能，摻量130 kg/m3時混凝土收縮值較未摻時減少了95.6%。Craeye 等［7］研究發現SAP 作為內養護材料顯著提升了混凝土的抗裂性能，SAP 內養護引入水量分別為30，40，50 kg/m3時，混凝土自收縮量分別降低了51%，58%，58%。摻入內養護材料雖然能顯著提高混凝土的抗裂性能，然而多孔內養護材料以及SAP 釋放水后產生的孔洞等缺陷往往是混凝土中的薄弱區域，會劣化混凝土力學性能。韓松等［8］研究表明采用黏土陶粒替代30%粗骨料的C30 混凝土，其28 d 抗壓強度較未摻時降低了22.4%。焦賀軍等［9］研究表明SAP摻量為水泥質量0.2%時混凝土抗壓強度和抗拉強度較未摻時分別降低20%和29%。Liu 等［10］研究發現利用浮石粉代替細骨料制備超高性能混凝土材料，當替代比例為30%時抗壓強度下降13.6%。因此，混凝土采用內養護材料提高其抗裂性的同時，損失了其部分強度。目前針對高強度混凝土，研究采用內養護材料對其抗裂性能影響的研究較少。因此，本文選取頁巖陶砂、粉煤灰黏土復合陶粒（簡稱復合陶粒）、浮石粉3種內養護材料，研究不同內養護材料摻量對高強度混凝土的工作性能、力學性能及早期抗裂性能的影響，配制滿足工程需求的混凝土；并利用MIDAS FEA 軟件，分析了滬通長江大橋主塔工程的早期開裂風險，研究結果可為采用內養護材料制備高強度混凝土的工程提供參考。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥采用大連小野田P·Ⅱ52.5R 硅酸鹽水泥，比表面積為379 m2/kg；粉煤灰采用Ⅰ級粉煤灰，比表面積為350 m2/kg；硅粉比表面積為14 310 m2/kg；細骨料采用細度模數2.6 的河砂；粗骨料采用粒徑5～10 mm和10～25 mm 的連續級配碎石，摻配比例為2∶3；減水劑采用聚羧酸系高效減水劑，減水率為37%，含固量為26.5%；拌和水采用自來水。內養護材料：頁巖陶砂堆積密度970 kg/m3，飽和吸水率10.5%；復合陶粒堆積密度530 kg/m3，飽和吸水率27.2%；浮石粉密度450 kg/m3，飽和吸水率16.5%。

1.2 混凝土配合比及試驗方法

考慮到內養護材料對混凝土強度的削弱作用，C60混凝土水膠比取0.24，膠凝材料用量為520 kg/m3。內養護材料分別按照10%，20%，30%的體積比取代部分粗骨料，砂率取37%。具體配合比見表1。其中：C0為基準配合比；CY為頁巖陶砂內養護混凝土；CN為復合陶粒內養護混凝土；CF 為浮石粉內養護混凝土；混凝土配合比編號中的數字1，2，3分別表示內養護材料替代粗骨料的體積比為10%，20%，30%。

表1 混凝土配合比 kg·m-3

平板約束早期塑性開裂試驗和收縮試驗，參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的平板約束早期塑性開裂試驗和收縮試驗相關規定進行，其中收縮試驗以1 d 齡期的長度為初值。絕熱溫升試驗采用NJ-JRWS 混凝土絕熱溫升試驗系統，測試方法參照DL/T 5150—2017《水工混凝土試驗規程》相關規定執行。

2 混凝土試驗結果與討論

2.1 工作性能

為了滿足混凝土的泵送要求，同時避免多孔材料的上浮，混凝土的坍落度和坍落擴展度分別控制在180，450 mm 左右，混凝土拌和物和易性試驗結果見表2。

表2 內養護混凝土拌和物和易性試驗結果

2.2 抗壓強度

為了分析內養護材料摻量對混凝土抗壓強度的影響，測定了各配合比混凝土不同齡期的抗壓強度，結果見圖1。可知：隨著內養護材料摻量的增加，混凝土抗壓強度均有一定程度的降低。頁巖陶砂、復合陶粒、浮石粉3 種內養護材料摻量10%時混凝土28 d 抗壓強度分別降低2.2%，2.7%，-0.2%，摻量20%時混凝土28 d 抗壓強度分別降低7.1%，3.1%，3.0%，摻量30%時混凝土28 d 抗壓強度分別降低11.4%，8.3%，9.6%。3 種內養護材料中對抗壓強度影響最大的是頁巖陶砂，最小的是浮石粉，摻浮石粉的效果最好。當內養護材料摻量30%時，混凝土抗壓強度降幅很大，因此建議內養護材料摻量不宜過大，控制在20%左右比較合適。

圖1 混凝土抗壓強度與內養護材料摻量的關系

2.3 早期抗裂性能

頁巖陶砂、復合陶粒、浮石粉分別摻20%，制備3種配合比混凝土及基準配合比混凝土進行平板約束早期塑性開裂試驗，試驗結果見表3和圖2。

由表3 和圖2 可知：基準配合比混凝土早期開裂嚴重，初裂時間為103 min，開裂總面積達到978 mm2。3 種內養護材料中浮石粉的早期抗裂效果最好，初裂時間延遲至512 min，開裂面積減少至248 mm2。加入3 種內養護材料后混凝土的初裂時間均明顯推遲，最終開裂面積均顯著減少。這是因為隨著水化反應的進行，預吸水的內養護材料開始向混凝土內部補充水分，使混凝土內部相對濕度維持在較高的水平，一方面減小了混凝土早期收縮，另一方面促使混凝土內膠凝材料持續水化，使混凝土內部更密實，提高了混凝土強度，增強了混凝土的抗裂性能。

表3 混凝土早期開裂時間及總開裂面積

圖2 平板約束早期塑性開裂照片

3 橋塔混凝土抗裂性有限元分析

3.1 模型的建立

滬通長江大橋全長11 072 m，其中航道橋采用主跨1 092 m 的鋼桁梁斜拉橋結構，為世界上最大跨徑的公鐵兩用斜拉橋。斜拉橋主塔高度330 m，壁厚大多超過1.5 m，混凝土強度高、水化熱大、養護環境差。因此需要采用一種低收縮、高抗裂混凝土。選取CF2配合比混凝土，其性能參數見表4。

表4 內養護混凝土材料性能參數

CF2 配合比混凝土絕熱溫升曲線見圖3。CF2 混凝土早期收縮曲線見圖4。基于絕熱溫升試驗、收縮試驗結果以及混凝土材料性能參數，采用MIDAS FEA對塔柱混凝土進行水化熱分析，選取最易開裂部位，進行混凝土開裂計算。

圖3 絕熱溫升曲線

圖4 混凝土早期收縮曲線

考慮到滬通長江大橋一次性澆筑高度達6 m 以及塔柱截面的對稱性，采用1/4 截面（見圖5）建立模型。假定內養護混凝土是均質各向同性材料，采用3D 單元進行分析，計算時間范圍選擇0～168 h。混凝土內外表面受模板簡支約束。模型底面和內外表面為對流邊界，對流系數取14 W/（m2·K），混凝土入模溫度為26 ℃。

圖5 滬通長江大橋塔柱底端1/4截面（單位：cm）

3.2 計算結果分析

3.2.1 混凝土內外溫差分析

24 h 混凝土內部溫度云圖見圖6。可知：混凝土芯部溫度變化最大，混凝土表層由于與大氣接觸溫度變化較小。

圖6 早期溫度云圖（單位：℃）

芯部分析點1 和表層分析點2 的溫度變化曲線見圖7。可知：隨著水化反應的進行，2 個分析點溫度均先增大后減小，24 h時分析點1達到最高溫度45 ℃，分析點2 達到最高溫度27 ℃，內外溫度最大相差18 ℃，符合GB 50496—2009《大體積混凝土施工規范》的要求，由內外溫差引起的開裂風險較小。

圖7 兩個分析點溫度變化曲線

3.2.2 混凝土環向開裂分析

24 h 齡期時混凝土早期應力云圖見圖8，應力中拉應力是大體積混凝土開裂的主要原因。根據圖8中拉應力位置選取分析點A和B。分析點應力與最大容許拉應力變化曲線見圖9。

圖8 早期應力云圖（單位：MPa）

圖9 分析點應力與最大容許拉應力變化曲線

由圖9 可知：分析點A前期拉應力與最大容許拉應力值接近，24 h 齡期時拉應力達到最大值1.2 MPa，但仍在最大容許拉應力范圍內。隨著水化熱的散失，應力由拉變為壓。分析點B壓應力隨著混凝土水化的進行持續增加，24 h 齡期時達到最大值1.1 MPa，90 h齡期后由于整體的降溫收縮作用應力由壓變為拉，168 h 齡期時拉應力達到最大值1.3 MPa，遠小于混凝土此時的最大容許拉應力3.6 MPa。因此，2個分析點處拉應力均在最大容許拉應力范圍內，混凝土的環向開裂風險較小。

4 結論

1）采用內養護材料可以配制出工作性能良好的高強度混凝土，但隨著內養護材料摻量的增加，混凝土的抗壓強度有所降低。水膠比0.24、內養護材料的體積摻量在20%以內可滿足C60混凝土強度要求。

2）頁巖陶砂、粉煤灰黏土復合陶粒、浮石粉3種內養護材料分別摻20%，制備的3 種高強度混凝土初裂時間明顯延遲且最終開裂面積減小，表明3 種內養護材料均能顯著改善混凝土早期抗裂性能。其中浮石粉的抗裂效果最好。

3）基于絕熱溫升試驗、收縮試驗結果以及混凝土材料性能參數，采用MIDAS FEA 軟件模擬分析了滬通長江大橋主塔混凝土澆筑后內部應力分布情況，結果表明整體模型混凝土開裂風險小。