勁性骨架拱橋C60外包混凝土制備與性能研究

摘要：為提升勁性骨架拱橋外包混凝土的抗裂性、耐久性，文章通過添加抗裂劑、PVA纖維進行了C60外包混凝土優化設計，并通過多項試驗分析了混凝土的工作性能、力學性能以及變形性能，結合工程需要進行方案優選。結果表明：摻入PVA纖維會對外包混凝土工作性能產生一定的負面效果，影響混凝土的可泵送性；復合摻入抗裂劑、PVA纖維有利于改善外包混凝土的劈裂抗拉強度、收縮變形、開裂變形，提高外包混凝土的抗裂性能、耐久性能。

關鍵詞：勁性骨架拱橋；高性能混凝土；力學性能；抗裂性能

0引言

鋼管混凝土勁性骨架拱橋由于具有施工工序簡單、承載能力大、耐久性好等優點［1］，目前已被廣泛應用，并且不斷突破著拱橋的最大跨徑紀錄［2］。鋼管混凝土勁性骨架拱橋以鋼管拱肋為支撐，并在管內填充灌注自密實高強度混凝土［3］，從而提升鋼管拱桁的穩定性和剛度。此外，鋼管外包一層混凝土，形成鋼管混凝土加勁混合結構，從而提高橋梁結構的抗震性、抗凍性、耐久性等［4］。然而，外包混凝土在不均勻日照、風蝕等自然環境作用下，易發生開裂現象，同時外包混凝土常采用高壓遠程泵送且施工方量大［5］。因此，需通過摻入礦物摻合料、纖維等手段優化配合比［6］，并加強施工振搗以及后期養護，提高外包混凝土的施工和易性、力學性能以及耐久性能，提升橋梁的耐久性。

綜上，本文以某鋼管混凝土勁性骨架拱橋為背景，進行C60外包混凝土配合比設計并進行性能研究，根據現場施工條件選擇較優的配合比設計方案，同時為同類型橋梁提供參考。

1 工程概況

某鋼管混凝土勁性骨架拱橋全長2 488.55 m，主橋為上承式單跨600 m，位于某水庫庫區，年平均降雨量為1 370.6 mm，年平均日照時數為1 281.9 h，最大風速達18 m/s。拱肋外包混凝土采用C60混凝土，共約27 944 m3，采用“分環分段”的方法，按先底板環、再腹板環、后頂板環的順序依次澆筑，且兩岸對稱同步進行。

2 C60外包混凝土配合比設計

2.1 原材料選擇

為改善C60外包混凝土各項性能，須優選原材料。其中，水泥：魚峰P·O52.5水泥，主要性能指標如表1所示；粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰，細度為22.2%，燒失量為1.32%；硅灰：燒失量為2.14%，含水率為1.8%；微珠：燒失量為4.79%，含水率為0.2%；粗集料：5～10 mm、10～20 mm精加工石灰巖整形碎石；細集料：0～5 mm精品石灰巖機制砂，石粉含量≤10.0%；減水劑：江蘇蘇博特PCA-I聚羧酸減水劑，減水率為16%；抗裂劑：江蘇蘇博特HME-V抗裂劑；纖維：聚乙烯醇溫縮抗裂纖維（PVA纖維）。

2.2 配合比設計

大跨徑勁性骨架拱橋拱圈外包混凝土常采用遠程泵送工藝，且混凝土泵送方量大、澆筑時間長，對混凝土的流動性、保坍性等具有較高要求。拱圈外包混凝土鋼筋骨架結構密集對混凝土存在較強約束，且鋼筋、鋼管、外包混凝土熱膨脹系數不同，在日照作用下會產生不同的微應變，外包混凝土開裂風險較高。根據《高強混凝土應用技術規程》（JGJ/T 281-2012）和《自密實混凝土應用技術規程》（JGJ/T 283-2012）技術要求，并結合工程經驗，進行C60外包混凝土配合比設計，以常規混凝土J1組作為基準參照，通過摻入8%的抗裂劑補償混凝土收縮，設計0.28、0.30、0.32三種不同水膠比下的混凝土為W1、W2和W3組，研究水膠比對混凝土工作性能影響。經試配后，在W2的基礎上，復合摻入1.0 kg/m3、1.5 kg/m3、2.0 kg/m3的PVA纖維制備X1、X2、X3組試件，進行外包混凝土加筋處理，進一步提升混凝土的抗裂性能。配合比優化設計方案如下頁表2所示。

3 C60外包混凝土性能研究

3.1 工作性能

勁性骨架拱橋外包混凝土施工面臨泵送高差大、泵送距離遠等問題，且外包混凝土的鋼筋骨架較為密集，振搗難度較大，這就要求外包混凝土不僅要具備較高的可泵送性，同時還需具備較好的自密實性。通過擴展度試驗、V型漏斗試驗及U形箱試驗評價外包混凝土的工作性能，試驗結果如表3所示。

由表3可知，摻入抗裂劑后，在同水膠比的情況下，混凝土工作性能變化不明顯，不同水膠比對混凝土的和易性和密實填充性影響較大。當采用0.32水膠比時，混凝土擴展較大易發生離析，作為外包混凝土泵送入模時，過剩的流動性會增大對模板的壓力，易產生脹模、漏漿等危害；當采用0.28水膠比時，混凝土擴展度較小，流動性較弱，泵送阻力較大，不利于現場泵送施工。結合實際工程需要，C60拱圈外包混凝土初始擴展度宜控制在600 mm。通過減水劑反應作用，0.5 h內混凝土擴展度會有所提高，0.5 h擴展度宜控制在650 mm；2 h內混凝土性能變化不明顯，利于保持長時間泵送的穩定性。當加入PVA纖維后，混凝土工作性能明顯下降，擴展度、U形箱填充高度隨纖維摻量提高損失較快，T500、V型漏斗流出時間隨纖維摻量提高不斷延長，這是因為PVA纖維會互相搭接，形成較為穩定的網狀結構，阻礙了混凝土的流動，且PVA纖維摻量越高，阻礙效果越明顯，導致泵送過程中外包混凝土堵管風險加劇，入模后自密實效果降低，振搗要求提高，不利于外包混凝土遠程泵送和密實性提高。

3.2 力學性能

外包混凝土作為鋼管混凝土結構的重要組成部分，需要具備較好的力學性能，以提高結構整體的剛度、耐久性。因此，通過立方體抗壓試驗、立方體劈裂抗拉試驗分別測得混凝土7 d、28 d、60 d的抗壓強度和劈裂抗拉強度，通過棱柱體抗壓彈性模量試驗測得混凝土3 d、7 d、28 d、60 d的彈性模量，試驗結果如表4所示。

由表4可知，摻入抗裂劑后，W2組混凝土的抗壓強度、彈性模量略有降低，劈裂抗拉強度略有提高，變化幅度較小，較J1組7 d、60 d抗壓強度分別下降了1.1%、3.1%，7 d、60 d彈性模量分別下降了6.0%、4.6%，7 d、60 d劈裂抗拉強度分別提高了4.5%、2.8%。同時摻入抗裂劑和PVA纖維后，劈裂抗拉強度進一步提升，相較J1組，X1～X3組7 d、60 d劈裂抗拉強度分別提高了17.9%～28.5%、3.5%～8.9%。試驗結果表明，抗裂劑和PVA纖維的摻入會對外包混凝土抗壓強度略有影響，但不影響其達到設計強度，而對于外包混凝土劈裂抗拉強度改善明顯。這是因為PVA纖維能橋接外包混凝土基體裂縫，抑制裂縫擴展，能有效降低外包混凝土在勁性骨架結構中鋼管拱肋、鋼筋骨架約束作用、自身收縮、溫縮變形等不利因素引起的開裂現象，提高勁性骨架結構整體的耐久性。

3.3 變形性能

諸多不利因素的存在導致拱圈外包混凝土開裂風險較高。劈裂抗拉強度能間接反映外包混凝土抗裂性能，但并不直觀。因此，通過接觸收縮變形試驗、平板開裂試驗研究常規混凝土J1、摻抗裂劑混凝土W2以及復摻抗裂劑和PVA纖維混凝土X1的抗收縮變形、抗開裂性能。

3.3.1 接觸收縮變形試驗

通過接觸收縮變形試驗，測得3種混凝土在溫度為20 ℃、濕度為60%的恒溫恒濕環境中1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、45 d、60 d、90 d的收縮變化率，試驗結果如圖1所示。

由圖1可知，相較J1組，W2組1 d、3 d、7 d、14 d、60 d的收縮率分別降低了34.6%、42.9%、44.4%、40.5%、43.4%，表明抗裂劑摻入能顯著降低混凝土自身收縮變形。這是因為抗裂劑在混凝土中均勻拌和后，其中的MgO成分水化生成Mg（OH）2，固相體積增大，補償外包混凝土自身收縮，降低外包混凝土因自身收縮變形引起的開裂風險。其中，抗裂劑的補償效果在外包混凝土發育早期就能發揮作用，有利于提升混凝土的早期抗裂性能，并且補償效果會持續于混凝土發育的整個過程。此外，當復合摻入抗裂劑、PVA纖維后，X1組的收縮率進一步降低，這是因為PVA纖維在混凝土中起搭接、加筋作用，能阻礙外包混凝土變形。

3.3.2 平板開裂變形試驗

通過平板法測定外包混凝土早期開裂情況，同時通過加熱板控制混凝土試件溫度（分別為40 ℃、60 ℃、80 ℃），研究C60外包混凝土溫度與環境溫度差對混凝土早期抗裂性能的影響。試驗結果如表5所示。

由表5可知，當混凝土加熱溫度升高時，3種混凝土初始開裂時間提前，最大裂縫寬度增加，開裂面積增大。表明混凝土內部溫度與環境溫度差越大，越不利于外包混凝土的早期抗裂。這是因為混凝土溫度越高，水化過程中失水越快，失水通道易形成毛細孔隙，混凝土硬化后更容易開裂。因此，在外包混凝土施工時應嚴格控制混凝土溫度，以降低開裂風險。在同等溫度條件下，摻入抗裂劑和PVA纖維后混凝土早期開裂現象顯著降低。其中，X1組較J1組初始開裂時間延長了約60～115 min，每1 m2裂縫減少約22.9～29.5條，每1 m2開裂面積減少約134.2～230 mm2，最大裂縫寬度減小約0.16～0.33 mm，這表明抗裂劑和PVA纖維摻入有利于外包混凝土的早期抗裂性能提高。這是因為抗裂劑體積膨脹補償和PVA纖維加筋作用，能有效抑制混凝土開裂，改善拱圈外包混凝土的早期抗裂性能。綜上，針對提升外包混凝土抗裂性能，配合比設計方案X1優于方案W2，也優于方案J1。

4 工程質量控制

為充分保障外包混凝土的抗裂性能，優選方案X1為澆筑方案進行試泵。經試泵發現，PVA纖維存在難分散、易結團現象，不滿足超大跨徑勁性骨架結構拱橋外包混凝土較高、較遠、泵管組合復雜的泵送施工需要，導致彎管處堵管風險加劇。因此，綜合考慮外包混凝土施工的可泵性和勁性骨架結構的耐久性，選用W2為最終澆筑方案。并為保證C60外包混凝土的各項性能，采用了以下手段進行質量控制：

（1）嚴格控制混凝土入模溫度在30 ℃以下，炎熱天氣施工通過添加碎冰手段降低拌和用水溫度，達到控制混凝土溫度的效果；

（2）預留多處振搗孔加強振搗，遵循“快插慢拔”的原則，嚴格控制振搗時間在30～60 s，提高混凝土的密實度；

（3）加強養護，通過覆蓋“兩布一膜”的方式進行外包混凝土養護，充分做好混凝土的防風、保溫、保濕，降低混凝土的開裂風險。

實踐表明，W2方案C60外包混凝土施工和易性較好，未出現堵管等問題，拆模后外觀質量較高，平整、光潔、整體性好，在齡期內能達到設計強度需要，未出現裂縫、裂紋等缺陷。

5 結語

（1）抗裂劑摻入對C60外包混凝土工作性能影響較小，PVA纖維摻入會大大降低外包混凝土的工作性能；C60外包混凝土初始擴展度宜控制在600 mm。

（2）復合摻入抗裂劑和PVA纖維能改善混凝土劈裂抗拉強度，復合摻入8%抗裂劑和1 kg/m2PVA纖維后，混凝土7 d、60 d劈裂抗拉強度分別提高了17.9%、3.5%，利于提升混凝土的抗裂性能。

（3）抗裂劑和PVA纖維能有效抑制混凝土收縮變形和開裂，利于混凝土的早期抗裂性能，摻入抗裂劑、PVA纖維后，混凝土收縮率、初始開裂時間、開裂面積、最大裂縫寬度等指標明顯改善。

（4）綜合考慮外包混凝土的施工和易性以及耐久性，優選C60外包混凝土配合比方案為，水泥∶粉煤灰∶硅灰∶抗裂劑∶微珠∶機制砂∶碎石∶水∶減水劑=305∶71∶12∶38∶55∶824∶1 049∶146∶9.62。

參考文獻：

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作者簡介：毛丹丹（1984—），工程師，研究方向：公路橋梁工程試驗檢測及質量管理。