膨脹劑和減縮劑對預制箱梁混凝土的防裂效果研究

張 豐，白 銀，張金康，祝燁然，寧逢偉，呂樂樂，胡海明

(1.南京水利科學研究院，南京 210029；2.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210029； 3.南京市公路事業發展中心，南京 252000；4.南京瑞迪高新技術有限公司，南京 210024)

0 引 言

預制裝配式橋梁在交通工程中發展快速，需要進行大量構件預制，且一般為預應力結構，其耐久性風險主要來源于混凝土開裂(膠凝材料用量大、水膠比低、水泥等級高，再加上砂石骨料品質波動大，構件開裂風險大)。裂縫一旦發生，很難處理；裂縫嚴重的，混凝土構件要重新澆筑。針對預制構件中裂縫的形成機理多基于Griffith微裂紋理論，即在外力作用下，每個預制構件中即有微裂紋或缺陷周圍會出現應力集中現象，當應力達到一定值時，裂紋開始擴展，進而形成裂縫甚至發生構件斷裂現象。

減小混凝土收縮是提高預制裝配式橋梁抗裂性能的基本途徑[1-2]。實際工程中，除對混凝土組成和配比進行優化外，摻膨脹劑、減縮劑等抗裂材料是混凝土結構裂縫控制可選擇的有效途徑[3-5]。著名學者Shah等[6]把摻混凝土減縮劑列為預防混凝土收縮開裂的兩個措施之一，我國學者20世紀90年代初開始關注國外減縮劑的技術發展[7]，已研制開發出不同類型的減縮劑[8]，相關產品(如JSJ減縮劑)已在工程上應用[9]，但由于價格太高，一定程度上制約了減縮劑的推廣應用[10-11]。減縮劑的主要作用機理是降低混凝土孔隙水的表面張力，從而減小毛細孔失水時產生的收縮應力[12-13]。在減少收縮方面，一些成熟減縮劑產品報告中提到減縮劑可使混凝土28 d和最終干燥收縮分別降低50%～80%和25%～50%[14]。Tazawa等[15-16]研究表明，減縮劑除了對降低水泥基材料干燥收縮有效外，對自收縮同樣有效。膨脹劑的作用原理是在水泥水化反應早期，利用膨脹劑自身水化產生具有較大膨脹性水化產物來實現對混凝土收縮的控制和補償[17]，以防止混凝土開裂[18-19]。但除了存在高溫(60 ℃以上)穩定性以及延遲膨脹的問題[20]，膨脹劑要發揮膨脹作用，其對水分要求較高，高強混凝土內部是否有足夠水分可供膨脹劑水化，摻膨脹劑之后是否會進一步加劇混凝土內外收縮差，這些問題還需要進一步研究[21]。

本文針對裝配式混凝土最易出現裂縫的箱梁結構混凝土，在測試C50混凝土力學、變形、抗裂、熱學性能基礎上，采用B4Cast軟件仿真分析構件混凝土的溫度、應力發展規律以及開裂趨勢、開裂特征，并研究膨脹劑、減縮劑對箱梁混凝土的防裂效果。

1 實 驗

1.1 原材料

1.1.1 水泥

采用臺泥水泥有限公司生產的P·II 52.5水泥，按GB/T 176—2017《水泥化學分析方法》測定其部分化學組成，如表1所示。水泥的物理性能如表2所示，比表面積為379 m2/kg，標準稠度用水量為27.7%，3 d、7 d水化熱分別達294 kJ/kg和335 kJ/kg，水泥膠砂7 d、28 d抗壓強度分別為35.1 MPa、60.8 MPa，所檢指標均滿足GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的技術要求。

表1 水泥部分化學組成Table 1 Part chemical composition of Portland cement

表2 水泥物理性能Table 2 Physical properties of Portland cement

1.1.2 骨料

細骨料：采用天然砂，細度模數2.7，屬于II區中砂,其含泥量約為1.8%，表觀密度為2 650 kg/m3，天然砂相關品質指標均滿足JTG/T F50—2011《公路橋涵施工技術規范》的相關規定。

粗骨料：采用5～25 mm連續級配石灰巖碎石，由粒徑5～16 mm、16～25 mm的兩級碎石按質量比4 ∶6摻配而成。粗集料粒形較好，顆粒飽滿，泥塊含量約為0.1%，表觀密度為2 750 kg/m3；針片狀含量達7.6%，壓碎值稍偏高，達到18.9%。碎石的相關品質指標滿足JTG/T F50—2011中II類以上碎石的技術要求。

1.1.3 減水劑

采用北京百瑞吉BRJ-YJ聚羧酸高性能減水劑，固含量17.8%(質量分數)，推薦摻量1.20%(質量分數，下同)，減水率29.0%，滿足GB 8076—2008《混凝土外加劑》中高性能減水劑(緩凝型)的技術要求。

1.1.4 抗裂材料

膨脹劑：采用南京瑞迪高新技術有限公司生產的CaO類復合膨脹劑，主要成分是輕燒氧化鈣、硫鋁酸鈣等。膨脹劑的物理力學性能檢測結果見表3，均滿足GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》中II型膨脹劑的相關技術要求。

表3 膨脹劑物理力學性能Table 3 Physical and mechanical properties of expansion agent

減縮劑：采用南京瑞迪高新技術有限公司生產的402F型減縮劑，濃度約為50%(質量分數，下同)，摻量為2%～4%(質量分數)。其為一種聚醚類減縮型外加劑，憑借獨特的分子結構能顯著降低硬化混凝土毛細孔溶液的表面張力，從而有效減少混凝土體積收縮。

1.2 試驗方法

1.2.1 力學性能試驗

立方體抗壓強度測試：參照JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》，成型150 mm×150 mm×150 mm混凝土試件，測定其7 d、28 d和90 d抗壓強度。

軸拉性能測試：參照SL 352—2006《水工混凝土試驗規程》中軸向拉伸試驗方法，成型100 mm×100 mm×515 mm試件，測試其軸心抗拉強度、抗拉彈性模量和極限拉伸值。

1.2.2 開裂試驗

圓環開裂試驗：參照ASTM C 1581進行混凝土圓環法抗裂性試驗，將混凝土拌合物中砂漿用5 mm篩篩出，澆筑在圓環狀試模中，24 h后用石蠟密封頂部，然后拆去外環試模，放置于溫度(20±2) ℃、相對濕度(60±5)%的環境中。在鋼環內壁貼應變片，采用靜態應變儀采集應變片的讀數，并記錄圓環開裂時間。

平板開裂試驗：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》中混凝土早期抗裂試驗方法，澆筑600 mm×600 mm×100 mm平薄板混凝土試件。試驗進行(24±0.5) h后，測量每條裂縫的最大寬度，計算每條裂縫平均開裂面積、單位面積的裂縫數目以及單位面積上的總開裂面積。

1.2.3 變形性能試驗

干縮測試：參照JTG E30—2005，成型100 mm×100 mm×515 mm試件。標準養護48 h拆模后放入干縮室，采用LVDT數據采集系統測試試件長度隨養護齡期的變化。干縮室溫度為(20±2) ℃，相對濕度為(60±5)%。

自生體積變形測試：參照SL 352—2006中混凝土自生體積變形測試方法，成型φ200 mm×500 mm試件，內埋DI-15型差動式電阻應變計，取澆筑后24 h的讀數作為基準值，測試混凝土試件應變隨養護齡期的變化。

1.2.4 膠凝材料水化熱

采用TAM AIR II熱導式等溫量熱儀，恒溫20 ℃，測試膠凝材料0～7 d的水化熱，固定膠凝材料總質量8.00 g、水膠比(W/B)0.34。試驗操作參照ASTM C1679—08“Standard practice for measuring hydration kinetics of hydraulic cementitious mixtures using isothermal calorimetry”進行。

2 結果與討論

2.1 C50箱梁混凝土基本性能

2.1.1 配合比和工作性

選用某公路改擴建工程用C50箱梁混凝土配合比為基礎，采用P·II 52.5水泥，外摻5%膨脹劑(PZ)、3%減縮劑(JS)、5%膨脹劑+3%減縮劑(按膠凝材料質量分數計，下同)，經試拌調整后確定4組混凝土配合比如表4所示，調整減水劑用量控制拌合物坍落度相當。參照GB/T 50080—2012《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》，測得各組拌合物的坍落度、表觀密度、含氣量等指標，如表5所示。摻3%減縮劑(C50-JS)時，坍落度達205 mm，膨脹劑與減縮劑復摻(C50-PZ+JS)時，坍落度也達到了200 mm，坍落度增大較為明顯；而膨脹劑的摻入對拌合物工作性影響不大。各組混凝土拌合物坍落度在180～205 mm之間，含氣量在1.8%～2.7%(體積分數)之間，表觀密度在2 490～2 520 kg/m3之間，滿足裝配式預制混凝土構件澆筑施工性能的要求。液體減縮劑濃度約為50%，摻3%減縮劑(C50-JS)時，需適當降低減水劑的摻量。

表4 C50混凝土配合比Table 4 Mix ratio of C50 concrete

表5 C50混凝土工作性Table 5 Workability of C50 concrete

2.1.2 抗裂性能

(1)平板開裂

摻膨脹劑、減縮劑、膨脹劑+減縮劑不同抗裂材料和對比樣(C50-Blank)4組混凝土的平板開裂情況如圖1所示，相應的裂縫數目、開裂面積統計結果如表6所示。由表6可知，C50-Blank單位面積裂縫為19.4條，每條裂縫平均開裂面積為16 mm2，總開裂面積達到了310 mm2/m2。抗裂材料的摻入，均不同程度提高了C50混凝土早期的抗裂性，單位面積總開裂面積均有所下降。減縮劑較膨脹劑對改善混凝土早期抗裂效果更為顯著，總開裂面積為33 mm2/m2，較C50-Blank降低了89%，這是因為減縮劑降低了混凝土中的毛細孔負壓，可有效減小混凝土早期的收縮變形，從而改善早期抗裂性。膨脹劑也降低混凝土早期單位面積總開裂面積約68%,膨脹劑中氧化鈣等組分水化反應產生體積膨脹，在平板四周約束條件下產生一定壓應力，從而可部分抵消混凝土失水體積收縮產生的拉應力。膨脹劑與減縮劑復摻(C50-PZ+JS)時，產生的裂縫數量少、寬度小，總開裂面積僅為17 mm2/m2，較C50-Blank降低了95%，效果顯著。

(2)圓環開裂

摻膨脹劑、減縮劑、膨脹劑+減縮劑抗裂材料和對比樣4組混凝土的圓環開裂情況如圖2所示，對應各組混凝土圓環開裂時間如表7所示。由表7可知，C50-Blank圓環開裂時間約為52 h，抗裂材料的摻入使圓環開裂時間均有不同程度延后。減縮劑對改善圓環法抗裂性效果明顯，摻減縮劑C50混凝土圓環開裂時間均在7 d之后(7～14 d)，其中C50-JS、C50-PZ+JS較對比樣分別延后170 h(約7 d)、227.5 h(約9.5 d)；單摻膨脹劑(C50-PZ)時，C50混凝土圓環開裂時間也延后了105.5 h?？傮w來說，膨脹劑、減縮劑復摻時對改善圓環法抗裂性作用效果明顯，圓環開裂時間延長超7 d。

圖1 混凝土平板開裂情況Fig.1 Cracking of concrete slabs

表6 混凝土平板開裂試驗結果Table 6 Cracking test results of concrete slabs

圖2 混凝土圓環開裂情況Fig.2 Cracking of concrete rings

表7 混凝土圓環開裂試驗結果Table 7 Cracking test results of concrete rings

2.1.3 力學性能

(1)立方體抗壓強度

圖3 C50混凝土立方體抗壓強度Fig.3 Cube compressive strength of C50 concrete

標養條件下，摻不同抗裂材料C50混凝土的7 d、28 d和90 d立方體抗壓強度結果如圖3所示。C50-Blank的7 d、28 d和90 d抗壓強度分別達60.6 MPa、68.3 MPa和74.6 MPa，由于裝配式預制混凝土構件3～7 d預應力張拉需要，混凝土強度等級高，且早期強度發展較快，不到7 d即可滿足裝配式預制混凝土構件預應力張力的指標要求(抗壓強度50 MPa)。

膨脹劑、減縮劑、膨脹劑+減縮劑等抗裂材料的摻入，對混凝土抗壓強度影響不大。僅減縮劑使C50混凝土抗壓強度稍有降低但影響不明顯，7 d、28 d、90 d抗壓強度較對比樣分別降低了4.4%、9.9%和9.4%。膨脹劑與減縮劑復摻時，混凝土各齡期抗壓強度均處于C50-PZ和C50-JS兩組之間?？傮w來說，摻不同抗裂材料對混凝土抗壓強度影響不大。

(2)軸心抗拉性能

表8給出了摻不同抗裂材料C50混凝土7 d、28 d和90 d抗拉性能測試結果。由表可知，各組混凝土極限拉伸值均在28 d時最大。C50-Blank的7 d、28 d和90 d極限拉伸值分別達136 με、160 με和123 με。3種抗裂材料中，膨脹劑的摻入會使各齡期極限拉伸值均有所增大，而減縮劑使各齡期極限拉伸值有不同程度減??；C50-PZ+JS的7 d、28 d和90 d極限拉伸值分別達146 με、166 με和125 με，較對比樣提高了2%～7%，這說明膨脹劑與減縮劑復摻可增大C50混凝土的拉伸變形性能，從而提高混凝土抗裂性。

4組混凝土軸心抗拉強度、抗拉彈性模量則均隨齡期延長而逐漸提高，C50-Blank的7 d、28 d和90 d抗拉強度分別達4.14 MPa、4.66 MPa和5.02 MPa。不同抗裂材料的摻入，對混凝土抗拉強度影響不大，7 d抗拉強度為3.74～4.19 MPa，28 d抗拉強度在4.33～4.68 MPa之間。其中，減縮劑的摻入使C50混凝土各齡期抗拉強度略有降低。各組C50混凝土7 d、28 d和90 d抗拉彈性模量分別為33.5～35.0 GPa、34.2～38.2 GPa和43.6～46.8 GPa。

表8 C50混凝土抗拉性能Table 8 Tensile properties of C50 concrete

2.1.4 變形性能

(1)自生體積變形

摻不同抗裂材料C50混凝土的自生體積變形隨齡期變化如圖4所示。各齡期下C50-Blank自生體積變形均最大，7 d、21 d、61 d、96 d自生體積收縮變形值分別達到-53 με、-74 με、-96 με和-100 με。膨脹劑、減縮劑的摻入均減小了混凝土自生體積變形，且各組混凝土水化反應至96 d后趨于穩定。

減縮劑較膨脹劑對減小C50混凝土自生體積變形效果更為明顯，尤其是46 d之前，7 d、21 d、96 d自生體積收縮變形值分別為-17 με、-35 με和-64 με，較C50-Blank分別減小了68%、53%和36%。單摻5%膨脹劑時，混凝土2 d前體積表現為“膨脹”，之后隨齡期延長自生體積收縮變形逐漸增大，至96 d體積穩定時，自生體積收縮變形值為-64 με，較C50-Blank減小了36%；膨脹組分水化反應產生體積膨脹，抵消了部分收縮變形。膨脹劑與減縮劑復摻時，對減小C50混凝土自生體積變形效果最佳，7 d、21 d、96 d自生體積收縮變形值分別為-13 με、-16 με和-37 με，較C50-Blank分別減小了75%、78%和63%。

(2)干縮

圖5為摻不同抗裂材料C50混凝土的干縮變形隨齡期變化曲線。各組混凝土干縮變化趨勢相同，C50-Blank干縮變形最大，變形至145 d后才能趨于穩定，干縮變形值達到了-400 με，這表明在約束條件下若不對C50混凝土進行合理規范的養護，其產生收縮裂縫的風險很高。

圖4 C50混凝土自生體積變形隨時間變化曲線Fig.4 Change curves of C50 concrete autogenous volume deformation with time

圖5 C50混凝土干縮變形隨時間變化曲線Fig.5 Change curves of C50 concrete dry shrinkage deformation with time

與自生體積變形結果類似，摻膨脹劑混凝土也僅在早期(3 d)表現為體積膨脹，可抵消部分收縮變形；減縮劑對減小混凝土干縮效果較為明顯，且齡期越早，效果越明顯。此外，相同抗裂材料對C50混凝土干縮的影響程度均要小于對自生體積變形的影響，作用效果減小近一半。摻3%減縮劑混凝土，7 d、21 d、145 d干縮值較C50-Blank分別減小了45%、36%和25%，干縮變形至145 d趨于穩定，干縮值為-302 με。膨脹劑與減縮劑復摻時，對減小C50混凝土干縮效果最佳，145 d干縮變形值為-250 με，較C50-Blank減小了38%。

2.1.5 膠凝材料水化熱

圖6為摻不同抗裂材料C50混凝土膠凝材料0～7 d的水化放熱曲線。各體系膠凝材料加水后迅速發生水化反應并放出熱量，且隨著齡期的延長水化放熱速率先增大后減緩，膠凝材料水化放熱主要集中在3 d(72 h)前，不同膠凝材料體系3 d累計放熱量達到了80%～90%。20 ℃恒溫條件下，C50-Blank膠凝材料水化1 d、3 d、7 d累計放熱量分別為157.0 J/g、271.4 J/g和319.1 J/g。減縮劑的摻入會降低膠凝材料水化放熱速率，峰值出現時間較對比樣延后了近4 h，從而使水化放熱量減小，早期效果尤為明顯，0.5 d和1 d累計放熱量分別減小了26%和28%，7 d累計放熱量也減小了6%。這說明減縮劑的摻入一定程度延緩了膠凝材料的水化反應，1 d前作用明顯，對改善混凝土抗溫度應力開裂性能有利，這也是摻減縮劑使混凝土力學性能降低的原因。膨脹劑的摻入會使膠凝材料水化放熱量略有增大，7 d累計放熱量為329.1 J/g(增大3%)。膨脹劑與減縮劑復摻時，最大放熱速率減小至0.002 5 W/g，但峰值出現時間較對比樣略有提前(提前0.8 h)，膠凝材料各齡期水化放熱量較C50-Blank略有降低。

圖6 C50混凝土膠凝材料水化放熱曲線Fig.6 Hydration heat release curves of C50 concrete cementing materials

2.2 箱梁混凝土溫度應力三維仿真分析

“外病內治”，根據2.1節摻不同抗裂材料C50混凝土基本性能的測試結果，從水化熱、力學性能、抗裂性能和變形性能綜合考慮，優選5%膨脹劑+3%減縮劑的防裂方案。采用B4Cast軟件仿真分析箱梁構件混凝土的溫度、應力發展規律和開裂趨勢、開裂特征，研究膨脹劑與減縮劑復摻對箱梁混凝土的防裂效果。

B4Cast是一種基于有限元分析和3D模擬的混凝土結構溫度歷程和應力發展分析軟件。只需在計算過程中提供施工方法、熱邊界條件以及混凝土熱物理性能和力學性能參數，進行建模后即可計算不同混凝土結構的溫度場和應力場。

2.2.1 幾何模型

參照某公路改擴建工程主線橋梁上部結構采用的預應力混凝土預制小箱梁結構設計尺寸，分左上、右上、左下、右下四部分輸入截面坐標進行建模(箱梁長z=17.5 m)。外部環境溫度20 ℃，混凝土澆筑溫度20 ℃，拆模時間18 h，外部傳熱模式為通風。

2.2.2 材料參數

參照SL 352—2006，采用HR-3混凝土熱物理參數測試儀測得C50-Blank和C50-PZ+JS兩組混凝土的熱學性能參數如表9所示，膨脹劑+減縮劑抗裂材料對C50混凝土的熱學性能影響不大。不同配比混凝土抗壓強度、軸拉強度、彈性模量的成熟度函數參數A、B、C擬合結果如表10所示，各組相關系數R2基本達到了0.98。

表9 C50混凝土材料熱學性能參數Table 9 Thermal performance parameters of C50 concrete

表10 C50混凝土力學性能參數擬合結果Table 10 Fitting results of mechanical properties parameters of C50 concrete

圖7 C50-Blank箱梁混凝土溫度場計算結果Fig.7 Temperature field calculation results of C50-Blank box girder concrete

2.2.3 溫度場分析

C50-Blank箱梁混凝土溫度場分析結果如圖7所示，相應不同澆筑部位的溫峰場計算結果見表11。除兩端面外，箱梁結構任一橫截面分別在左上部、右上部和底部存在3個熱量聚集點，溫度較高，而箱梁結構表層混凝土溫度相對較低。箱梁上部、下部結構的溫峰值、溫峰出現時間不盡相同，上部混凝土結構體心處在15.3 h時溫度達到最大值36.3 ℃，表層溫峰值為27.1 ℃，與外部環境最大溫差為16.3 ℃；下部結構體心溫峰值達到了38.3 ℃，較上部結構溫峰值更高，體心溫峰出現時間為15.9 h，與外部環境最大溫差為18.3 ℃。從溫差值來看，箱梁結構下部混凝土較上部產生溫降收縮裂縫的風險更大，且體心溫峰和表層溫峰出現時間均在15～16 h，接近混凝土模板的撤除時間18 h，溫峰后溫降速率較大，從溫峰至25 ℃溫降速率約為0.55 ℃/h。

摻膨脹劑與減縮劑時，箱梁混凝土溫度場變化明顯，上部、下部結構的體心和表層溫峰值均有3～4 ℃的降低，上部、下部結構與外部環境最大溫差分別為12.6 ℃和14.3 ℃，溫差最大值較C50-Blank降低了4 ℃，因此混凝土的溫降收縮也會有所減小。

表11 箱梁混凝土不同澆筑部位的溫度場計算結果Table 11 Calculation results of temperature field of concrete in different pouring parts of box girder

2.2.4 應力場分析

計算自澆筑開始至200 h過程中，C50-Blank箱梁混凝土應力場分析結果如圖8所示。箱梁上部、下部結構混凝土體心處的拉應力小，而表層拉應力較大，分別在翼板兩側(上部)和底板兩側拐角(下部)應力達到最大。進一步分析可知，水化反應至約17 h時，翼板兩側所受拉應力達到最大，約為0.8 MPa；水化反應至約19 h時，底板距離箱梁兩端約0.5 m處，兩側拐角所受拉應力達到最大，約為0.9 MPa。

圖8 C50-Blank箱梁混凝土應力場計算結果(z軸、y軸)Fig.8 Calculation results of C50-Blank box girder concrete stress field (z axis and y axis)

由于混凝土體心處熱交換小、溫度高，強度發展較快；混凝土表層與外部環境熱交換大、溫度低，強度發展較慢，因而混凝土表層更容易產生裂縫。圖9為C50-Blank箱梁上部、下部表層最大拉應力的發展歷程，同時給出了相應抗拉強度的發展歷程，應力計算結果見表12，其中σx、σy和σz分別表示x、y、z三個方向上的主應力，ft為混凝土抗拉強度。將混凝土所受最大拉應力與同時刻混凝土抗拉強度進行比較，計算可得相應的抗裂安全系數(比值)，用以評價混凝土的抗裂安全性高低。

C50-Blank箱梁混凝土在200 h內，表層混凝土的抗拉強度均高于所受的拉應力，這說明混凝土在此工況條件下，干縮和溫降產生的應力不足以導致混凝土開裂。進一步分析可知，上部結構的最大拉應力為0.9 MPa，最大拉應力時間為17 h，計算得到抗裂安全系數為1.06；下部結構澆筑后17 h拉應力最大，為0.9 MPa，相應的抗裂安全系數為1.12。由此可知，箱梁結構中上部翼板兩側開裂風險最大，C50-Blank混凝土的抗裂安全系數為1.06。

膨脹劑與減縮劑摻入后，使箱梁混凝土所受的最大拉應力降低，最大拉應力出現時間延后，而由于時間的延后使得最大拉應力對應的混凝土抗拉強度則有所提高，此消彼長，從而使得混凝土抗裂安全性提高,抗裂風險降低。膨脹劑+減縮劑復摻時，箱梁混凝土所受最大拉應力僅有0.43 MPa，最大拉應力時間延后至21 h，各部位混凝土抗裂安全系數最小值為3.05，較C50-Blank增大了187%。

由箱梁混凝土的溫度場、應力場結果可知，5%膨脹劑+3%減縮劑復摻可降低混凝土結構溫峰達4 ℃，所受最大拉應力為0.43 MPa，較C50-Blank降低52%，混凝土抗裂安全系數明顯增大。由于箱梁混凝土的溫降速率較大(0.55 ℃/h)，但溫峰出現時間在拆模之前，且總體內外溫差較小(16～18 ℃)，表層混凝土的抗拉強度高于最大拉應力，因而可考慮采取以下防裂措施：(1)摻用5%膨脹劑+3%減縮劑的抗裂材料，降低溫峰，減小收縮；(2)適當覆蓋保溫，減小溫降速率；(3)加強拆模后混凝土表面養護，減少空氣對流和太陽直射，加強噴淋保濕，減小混凝土的干縮變形；(4)優化混凝土配合比[22]，保證混凝土力學性能的基礎上，降低水泥用量，摻優質粉煤灰，選擇適宜水膠比。

圖9 C50-Blank箱梁不同澆筑部位應力、抗拉強度發展歷程Fig.9 Development of stress and tensile strength of C50-Blank box girder at different placement sites

表12 箱梁混凝土應力場計算結果Table 12 Calculation results of box girder concrete stress field

3 結 論

(1)箱梁混凝土強度等級高且早期力學性能發展快，7 d抗壓強度達60.6 MPa；但抗裂性較差，早期平板總開裂面積達310 mm2/m2，圓環開裂時間約為52 h。箱梁混凝土與外部環境最大溫差為16～18 ℃，溫降速率約為0.55 ℃/h，在翼板兩側和底板兩側拐角處混凝土表層拉應力達到最大，分別約為0.8 MPa和0.9 MPa。

(2)膨脹劑、減縮劑的摻入對C50混凝土拌合物工作性、力學性能、熱學性能影響不大，僅單摻減縮劑會使混凝土力學性能略有降低。

(3)減縮劑對改善混凝土早期開裂效果較好，且減縮劑的摻入會降低膠凝材料水化放熱速率，從而使水化放熱量減小。

(4)膨脹劑與減縮劑復摻時，平板總開裂面積可降低95%，圓環開裂時間延后9.5 d，混凝土抗裂性能改善明顯；可使C50混凝土自生體積收縮變形減小63%～78%，干縮減小38%；可降低箱梁混凝土結構溫峰達4 ℃，降低最大拉應力52%，混凝土抗裂安全系數可達3.05，開裂風險明顯下降。