鋼混組合塔結(jié)合段高強(qiáng)高抗彎混凝土配制及溫度控制技術(shù)

吳小斌，徐文冰

（中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北武漢430014）

0 引言

以某跨漢江鋼混結(jié)合梁懸索橋?yàn)楸尘埃摌蛑骺绮贾脼?78+378=756 m，主塔形式為鋼-混凝土門形樁架結(jié)構(gòu)，下塔柱為C55混凝土結(jié)構(gòu)，上塔柱為Q420qE鋼結(jié)構(gòu)，見圖1。鋼混結(jié)合段處混凝土與鋼材兩種材料性能存在明顯差異，同時(shí)在主塔施工過(guò)程中該結(jié)合段需承受較大的抗彎能力[1]，需研究一種高強(qiáng)高抗彎的混凝土材料作為主塔鋼混結(jié)合段的連接填充材料，以保障結(jié)合段兩種結(jié)構(gòu)間良好的整體協(xié)調(diào)變形性能及力學(xué)性能。

1 高抗彎混凝土的配制

1.1 性能要求及配制思路

針對(duì)該橋梁主塔結(jié)合段結(jié)構(gòu)的特殊性能，需配制的高強(qiáng)高抗彎混凝土的性能指標(biāo)如表1所示。

常規(guī)的C55高性能混凝土無(wú)法滿足表1中的技術(shù)要求，因此針對(duì)該高抗彎混凝土的特殊性能要求，本項(xiàng)目結(jié)合段用高強(qiáng)高抗彎混凝土的配制制定了以下的技術(shù)思路[2]。

圖1 鋼混組合塔主塔立面圖（m）Fig.1 Elevation of steel-concrete composite tower(m)

表1 高強(qiáng)高抗彎混凝土的性能指標(biāo)要求Table 1 Performance index requirements of high strength-flexural concrete

1）采用添加鋼纖維提高混凝土的韌性和抗彎能力。

2）通過(guò)取消粗骨料提高混凝土的流動(dòng)性能。

3）采用添加硅灰提高混凝土的密實(shí)性和抗?jié)B透能力。

4）采用降低水膠比提高混凝土的強(qiáng)度和抗?jié)B透能力。

5）采用添加膨脹劑提高混凝土的抗收縮變形能力。

6）引入超高性能減水劑提高低水膠比下混凝土的和易性和流動(dòng)性能。

1.2 原材料

1）水泥：安徽海螺P.II52.5普通硅酸鹽水泥，3 d抗折強(qiáng)度7.2 MPa，抗壓強(qiáng)度38 MPa，28 d抗折強(qiáng)度10.8 MPa，抗壓強(qiáng)度60.2 MPa。

2）粉煤灰：河南鞏義市歐尚超細(xì)粉煤灰，粒徑200目。

3）硅灰：上海亨創(chuàng)硅灰，SiO2含量99.8%，比表面積29 530 m2/kg。

4）膨脹劑：武漢三源高活性鎂質(zhì)膨脹劑，MgO含量88.3%。

5）石英砂：佛山玉峰石英砂，粒徑規(guī)格為26~70目，堆積密度1 530 kg/m3。

6）鋼纖維：上海真強(qiáng)鍍銅帶鉤鋼纖維，直徑0.2 mm，長(zhǎng)度13 mm，抗拉強(qiáng)度2 800 MPa。

7）減水劑：蘇州興邦聚羧酸高性能減水劑，減水率29.8%。

1.3 配合比

基于以上配制思路，設(shè)計(jì)高強(qiáng)高抗彎混凝土配合比如表2所示，高強(qiáng)高抗彎混凝土的性能指標(biāo)如表3所示，均能滿足設(shè)計(jì)性能指標(biāo)要求。

表2 高強(qiáng)高抗彎混凝土的設(shè)計(jì)配合比Table 2 Design mix of high strength-flexural concrete

表3 高強(qiáng)高抗彎混凝土的重點(diǎn)性能指標(biāo)Table 3 Key performance index of high strength-flexural concrete

1.4 微觀測(cè)試與機(jī)理分析

1）對(duì)比表1和表3中高強(qiáng)高抗彎混凝土的性能指標(biāo)，鋼纖維的摻入大幅度提高了混凝土的韌性和抗彎能力。常規(guī)C55混凝土的抗折強(qiáng)度約為5 MPa[3]，但高強(qiáng)高抗彎混凝土的抗折強(qiáng)度達(dá)到了23.3 MPa，主要原因在于鋼纖維在混凝土中成網(wǎng)狀交錯(cuò)分布形成了環(huán)箍效應(yīng)（如圖2所示），加之鋼纖維自身較高的抗彎能力，在混凝土中水泥硬化后形成的CSH凝膠（水泥石）與鋼纖維緊密包裹后，產(chǎn)生了良好的整體性能，大幅提高了混凝土的抗彎性能，彌補(bǔ)了混凝土自身抗折性能較差的缺點(diǎn)。鋼纖維在混凝土中的網(wǎng)狀交錯(cuò)分布，在空間上形成了良好的骨架效應(yīng)，同時(shí)也降低了高強(qiáng)高抗彎混凝土的體積收縮變形[4]。

圖2 鋼纖維在高強(qiáng)高抗彎混凝土中的分布SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM picture of distribution of steel fiber in high strength-flexural concrete

2）高強(qiáng)高抗彎混凝土在配制過(guò)程中添加了大量的硅灰，硅灰的細(xì)度（比表面積躍25 000 m2/kg）大約是水泥及粉煤灰（300~400 m2/kg）的80倍，其細(xì)小的顆粒在二次水化后形成的CSH凝膠充分填充混凝土內(nèi)的孔隙，大幅度提高了混凝土的密實(shí)性[5]（如圖2所示水泥石結(jié)構(gòu)致密）。在鋼纖維采用鍍銅防腐措施后，添加硅灰后的高強(qiáng)高抗彎混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)較低，大幅度提高了高強(qiáng)高抗彎混凝土的耐久性能。

2 有限元模型及分析

本項(xiàng)目鋼混組合塔結(jié)合段平面尺寸為6 m伊10 m伊2.5 m，混凝土澆筑方量150 m3，為典型的大體積混凝土結(jié)構(gòu)。由表2中可知，為滿足結(jié)合段特殊的材料性能要求，高抗彎混凝土在配制過(guò)程中使用了大量的膠凝材料及硅灰，混凝土的水化熱及絕熱溫升較大[6]。而本項(xiàng)目在施工期平均氣溫達(dá)到了35益，對(duì)大體積混凝土的溫度裂縫控制提出了嚴(yán)格的要求。因此在施工過(guò)程中需要嚴(yán)格控制其溫升，評(píng)估開裂風(fēng)險(xiǎn)，確保結(jié)合段大體積混凝土無(wú)有害裂縫，保障結(jié)構(gòu)安全。

利用有限元分析軟件對(duì)高強(qiáng)高抗彎大體積混凝土的1/4部分進(jìn)行建模和分析，其最高溫度包絡(luò)圖如圖3所示。根據(jù)有限元分析計(jì)算的結(jié)果顯示，大體積混凝土的最高溫度將達(dá)到93.3益，對(duì)混凝土的入模溫度、最高溫度及內(nèi)表溫差控制均提出了更高的要求，需采取現(xiàn)場(chǎng)控制措施對(duì)混凝土的入模溫度（臆28益）和內(nèi)表溫差（臆25益）進(jìn)行控制。

圖3 鋼混組合塔結(jié)合段大體積混凝土的最高溫度包絡(luò)圖Fig.3 Envelope diagram of the highest temperature of the mass concrete in the joint section of the steel-concrete composite tower

3 現(xiàn)場(chǎng)施工控制措施

1）由于施工期平均氣溫達(dá)到35益，為保證大體積混凝土的入模溫度滿足規(guī)范及本項(xiàng)目溫控標(biāo)準(zhǔn)要求（臆28益），在高強(qiáng)高抗彎混凝土的拌制過(guò)程中，考慮采用添加碎冰加低溫拌合水的方式降低混凝土的出機(jī)溫度。基于各種材料的比熱，利用比熱容公式Q=cm駐T進(jìn)行計(jì)算，每方混凝土添加25 kg碎冰取代等質(zhì)量拌合水，同時(shí)降低拌合水的溫度至10益，有效將大體積混凝土的出機(jī)溫度控制在26.7益。

2）本項(xiàng)目混凝土攪拌站距離混凝土澆筑現(xiàn)場(chǎng)約1 km，為避免混凝土在高氣溫條件下產(chǎn)生較大的溫升而導(dǎo)致入模溫度升幅過(guò)大，通過(guò)對(duì)混凝土罐車進(jìn)行包裹保溫的方式，盡量降低混凝土在輸送過(guò)程中的溫升[7]。混凝土運(yùn)輸泵送施工過(guò)程中混凝土溫升1.1益，入模溫度控制在27.8益。

3）根據(jù)有限元計(jì)算分析的結(jié)果，混凝土內(nèi)部最高溫度將達(dá)到93.3益，而表面點(diǎn)溫度62.5益，內(nèi)表溫差達(dá)到30.8益。內(nèi)表溫差過(guò)大在混凝土內(nèi)部易形成溫度梯度而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)溫度裂縫影響混凝土的耐久性能及整體的力學(xué)性能。施工過(guò)程中在混凝土表面及鋼結(jié)構(gòu)表面覆蓋多層土工布進(jìn)行保溫，一方面可以降低表面熱量的散失，降低內(nèi)表溫差，另一方面也可以避免高溫大風(fēng)條件下導(dǎo)致混凝土表面的干燥收縮裂縫。

4 現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)

利用智能化多回路數(shù)字溫度監(jiān)控儀及傳感器對(duì)高強(qiáng)高抗彎大體積混凝土施工過(guò)程中的內(nèi)部及表面溫度進(jìn)行了監(jiān)控，監(jiān)控結(jié)果如圖4所示。現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，最高溫度為90.5益，最高表面溫度為65.7益，最大內(nèi)表溫差為24.8益。從圖4可以看出，高強(qiáng)高抗彎混凝土從入模12 h開始急劇水化，釋放大量水化熱，混凝土溫度上升較快，在30 h達(dá)到混凝土溫峰。混凝土表面溫度由于緊鄰鋼結(jié)構(gòu)，散熱較快，表面的最高溫度低于中心點(diǎn)的最高溫度，但由于覆蓋土工布，內(nèi)表溫差仍能控制在25益以內(nèi)。

圖4 大體積高強(qiáng)高抗彎混凝土溫度監(jiān)測(cè)歷時(shí)曲線Fig.4 Temperature monitoring duration curve of mass high strength-flexural concrete

根據(jù)大體積混凝土溫度發(fā)展規(guī)律，通常混凝土溫峰出現(xiàn)在第二三天，但本項(xiàng)目中高強(qiáng)高抗彎大體積混凝土溫峰出現(xiàn)在第30小時(shí)，溫峰明顯提前，這與高強(qiáng)高抗彎混凝土摻入大量膠凝材料及大量使用硅灰有關(guān)，硅灰超細(xì)顆粒（比表面積躍25 000 m2/kg）水化反應(yīng)速率快，放熱后溫度升高，促使水泥加劇反應(yīng)，導(dǎo)致大體積混凝土溫峰提前[8]。

5 結(jié)語(yǔ)

1）針對(duì)本項(xiàng)目鋼混組合塔結(jié)合段的特殊結(jié)構(gòu)及材料性能要求，配制出坍落度273 mm，擴(kuò)展度640 mm的大流動(dòng)性混凝土，同時(shí)28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到125.8 MPa，28 d抗折強(qiáng)度達(dá)到23.3 MPa，180 d干燥收縮268伊10-6的高強(qiáng)高抗彎混凝土，滿足抗彎力學(xué)性能要求。

2）鋼纖維在混凝土中網(wǎng)狀交錯(cuò)分布形成的環(huán)箍效應(yīng)，大幅提高了混凝土的整體抗彎性能，彌補(bǔ)了混凝土自身抗折性能較差的缺點(diǎn)。同時(shí)鋼纖維形成的骨架效應(yīng)也降低了高強(qiáng)高抗彎混凝土的體積收縮變形。

3）通過(guò)對(duì)結(jié)合段進(jìn)行有限元模型的建立和分析，提出的碎冰加低溫拌合水、混凝土罐車包裹運(yùn)輸及表面覆蓋的溫度控制措施，能有效控制大體積混凝土的入模溫度和內(nèi)表溫差，控制了混凝土內(nèi)部的溫度梯度，保障了該結(jié)構(gòu)無(wú)有害裂縫和結(jié)構(gòu)的整體安全性。

4）針對(duì)組合塔特殊結(jié)構(gòu)要求配制的高強(qiáng)高抗彎混凝土，摻入的大量膠凝材料及硅灰，導(dǎo)致大體積混凝土的溫峰明顯提前，混凝土絕熱升溫較大，需采用有效措施控制大體積混凝土的內(nèi)表溫差。