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

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

《公路橋涵施工技術規范》(JTG/TF50-2011)(以下簡稱《技術規范》)中將大體積混凝土定義為現場澆筑最小邊尺寸范圍在1～3 m，且混凝土構造物內表溫差>25 ℃的混凝土。水運、建筑以及水利對此的定義又有所不同，但普遍認為大體積混凝土會因為結構物較大而引發溫度裂縫。隨著橋梁結構中混凝土構件的尺寸與強度日益增加，對應的技術問題也日益增加，其中由于膠凝材料用量大導致的混凝土水化放熱引發的開裂問題則是困擾諸多項目的頑疾。程華強等[1]采用實時溫控、水化溫升控制以及收縮補償結合的方式調控新河大橋承臺的溫度差，結果表明，需從材料與散熱設施的角度進行共同優化，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摻且不設置冷卻水管的形式，在白洋長江公路大橋承臺有效控制了混凝土的溫度裂縫。譚昱等[3]則通過配合比設計優化和引入高效減水劑復配水泥的形式，成功建成了港珠澳大橋承臺且未出現裂縫。

上述研究中的混凝土標號皆在C40～C45。針對橋梁索塔下橫梁C55標號大體積混凝土的研究較少，而索塔下橫梁構造物存在較多的變截面，各部位的收縮率不一。針對工程特點，本研究從配合比設計、抗裂安全性評價以及現場溫度監測三個方面入手，針對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劃建設的最大跨徑橋梁，全長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，設置上、下兩道橫梁，索塔橫梁為預應力混凝土構件。下橫梁標高為9.0 m、寬為3.5 m，與塔柱底部實心段同時澆筑。塔柱、下橫梁采用C55海工混凝土，澆筑時間為9月份，月平均氣溫為27 ℃～34 ℃。

該構件施工存在的主要難點是：(1)設計強度等級高，導致膠凝材料用量大、水化放熱高，溫升控制不當時，極易因內表溫差造成應力集中導致開裂；(2)構件存在較多變截面，從而導致各部位收縮率不一致，在這些部位易產生溫度裂縫；(3)構件受承臺固結約束，新舊混凝土澆筑間隔期較長，下部固結約束易導致上層構件約束累積從而發生開裂。

2 大體積抗裂混凝土的制備

2.1 試驗原材料

表1 水泥物理性能數值表

表2 碎石性能數值表

表3 砂性能數值表

表4 減水劑性能數值表

表5 防腐劑性能數值表

表6 礦粉性能數值表

表7 粉煤灰性能數值表

2.2 配合比設計

高標號大體積混凝土的膠凝材料用量比普通混凝土更高，在提升力學強度的同時會引發更多的水化放熱[4]。此外，為降低混凝土的單位用水量與早期放熱反應，項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計思路，基于此設計了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 力學性能與抗裂安全性評價

3.1 力學性能

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，但擴展度卻呈先增大后減小的趨勢。葛黎明等[5]研究表明，機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間時，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泌水離析；在后期又有較大的擴展度，保證混凝土能充分流動填充構造物。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度、抗折強度以及抗壓彈性模量都呈下降的趨勢。何盛東等[6]研究顯示，雖然機制砂豐富的棱角性使砂率和相應的力學性能提高，但過高的水膠比會增加混凝土粗集料間的流動性，導致其力學性能下降。在綜合工作性能與力學性能的情況下，本項目選用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比表

表10 各配合比混凝土拌和物力學性能試驗結果表

3.2 抗裂安全性評價

依據《技術規范》，結合下頁表11可知，兩層大體積混凝土澆筑最大內部溫度為73.14 ℃，最大內表溫差為23.21 ℃，內部溫度<75 ℃，內表溫差<25 ℃，均符合規范要求。

表11 塔柱起步段、下橫梁大體積混凝土溫度計算結果表

采用試驗室不同齡期混凝土劈裂抗拉強度計算的抗裂安全系數如表12所示。由表12可知，隨著時間增加，第一層混凝土溫度應力呈現不規則變化，且180 d的溫度應力與3 d接近。而第二層混凝土則隨著時間的增大，溫度應力顯著降低，180 d的溫度應力僅為3 d的69.5%。在抗裂安全系數方面，由于粉煤灰的火山灰活性使高摻量粉煤灰混凝土試驗室力學性能呈現早期強度低但后期強度大的特性，這就使大體積混凝土最易開裂的時期往往發生在早期養護期間。《水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術規程》(JTS202-1-2010)顯示，當抗裂安全系數≥1.4時，混凝土早期開裂的概率<5%。結合表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，為進一步了解混凝土構件溫度應力集中分布區域，對各齡期應力場分布進行模擬。由圖1和圖2可知，各澆筑層早期應力發展較快，且集中于構件上表面，表現為內表溫差引起的拉應力。隨著后期混凝土收縮，部分應力向構件內部轉移并逐漸發展至穩定水平，但變截面位置依然存在較高的溫度應力。因此，應在后期對構件變截面位置加強養護，避免應力集中引發構件開裂。

表12 塔柱起步段、下橫梁溫度應力計算結果表

(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位置布設溫度傳感器。由圖3與后頁圖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左右達到峰值，在后期趨于平穩。此外，兩處內部最高溫度都<75 ℃，內表溫差都<25 ℃。后頁圖5處的測點接近上表面，在14 h左右開始快速升溫，并在67 h左右達到峰值，在達到峰值后降溫速率>1 m。這表明在越接近構造物表面的位置其散熱效果越好，而越接近構造物底部則越需要注重散熱與養護。

圖3 高度為1 m的監測區域混凝土溫度特征值歷時曲線圖

圖4 高度為2 m的監測區域混凝土溫度特征值歷時曲線圖

圖5 高度為3 m的監測區域混凝土溫度特征值歷時曲線圖

5 結語

(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時制備的混凝土具有最佳工作性能以及良好的力學性能。

(2)抗裂安全性評價結果表明，構件內部最大溫度為73.14 ℃，最大內表溫差為23.21 ℃，滿足規范要求。此外，構件在初期澆筑時，抗裂安全系數最低，卻依然具有較好的抗裂性能。隨著粉煤灰后期強度增長，能進一步提高構件的抗裂安全系數。

(3)溫度監測結果表明，澆筑層位的不同，溫升速率與內表溫差區別顯著。表現為越接近構造物表面的位置散熱效果越好，而越接近構造物底部則越需要注重散熱與養護。