常泰長江大橋橋塔C60大體積混凝土配合比設(shè)計及防裂技術(shù)

陽 俊,張 思,秦明強(qiáng)

(1.中交武漢港灣工程設(shè)計研究院有限公司,武漢 430040;2.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點實驗室,武漢 430040)

常泰長江大橋長約5 km,其采用六車道“高速公路+雙層公鐵”合建的橋梁方案,主航道橋為雙塔斜拉橋,跨徑為(142+490+1 176+490+142)m。該橋采用鋼-混混合空間鉆石型橋塔,橋塔總高352 m,分上、中、下塔柱三個區(qū)段。上塔柱為鋼箱-核芯混凝土組合索塔錨固結(jié)構(gòu),中、下塔柱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[1,2]。下塔柱高48.5 m,外輪廓尺寸由上至下為11 m×11 m～13 m×13 m,壁厚最薄處為1.9 m,最厚處為底部3.5 m;中塔柱高182.6 m,外輪廓尺寸由上至下為8 m×8 m～11 m×11 m,第一段壁厚由上至下為1.55～2.1 m,第二段為1.55～1.9 m。中、下塔柱結(jié)構(gòu)為C60高抗裂、準(zhǔn)清水鋼筋混凝土。

常泰長江大橋橋塔高,塔身為C60準(zhǔn)清水、高強(qiáng)混凝土,外觀質(zhì)量要求較高,泵送施工難度大,且主塔錨固區(qū)作為索塔承受和傳遞索力的關(guān)鍵部位,其結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,不允許出現(xiàn)裂縫,對混凝土耐久性要求高。索塔錨固區(qū)混凝土施工必須解決可泵性與抗裂性兩個矛盾因素,以滿足施工和耐久性的要求。

1 原材料及配合比設(shè)計

1.1 原材料

1)水泥:句容臺泥水泥公司生產(chǎn),PⅡ 52.5,標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為28%,比表面積為338 m2/kg,7 d、28 d抗壓強(qiáng)度分別為32.4 MPa、59.8 MPa;7 d、28 d抗折強(qiáng)度分別為5.9 MPa、9.4 MPa。

2)粉煤灰:諫壁電廠,F類Ⅰ級粉煤灰,細(xì)度9.0%,需水量比93%。

3)礦渣粉:南鋼嘉華,7 d、28 d活性指數(shù)為82%、107%,密度3.02 g/cm3,比表面積437 m2/kg。

4)河砂:鄱陽湖,Ⅱ區(qū)中砂,表觀密度2 620 kg/m3,緊密堆積密度1 760 kg/m3,松散堆積密度為1 550 kg/m3,含泥量1.1%。

5)碎石:江西彭澤,5～25 mm連續(xù)級配,表觀密度2 740 kg/m3,堆積密度1 660 kg/m3,針片狀含量5.8%,壓碎值18.1%。

6)減水劑:江蘇蘇博特,聚羧酸高性能減水劑,減水率27%, 固含量25%。

7)選用江蘇蘇博特“MHE-V”型抗裂劑和“HDC-Ⅱ”型降黏摻合料,技術(shù)指標(biāo)如表1、表2所示。

表1 “MHE-V”型抗裂劑性能指標(biāo)

表2 “HDC-Ⅱ” 型降黏摻合料性能指標(biāo)

1.2 配合比設(shè)計原則

經(jīng)調(diào)研、工程實踐和試驗總結(jié),確定常泰長江大橋高泵送、高強(qiáng)、高抗裂索塔結(jié)構(gòu)的C60大體積混凝土主要性能:

1)大摻量礦物摻合料體系,60 d抗壓強(qiáng)度≥60.0 MPa;60 d劈拉強(qiáng)度≥4.0 MPa。

2)絕熱溫升7 d宜≤50.0 ℃,1 d絕熱溫升值占7 d比值不大于50%。

3)混凝土28 d碳化深度<5 mm,28 d干縮率小于350×10-6。

4)抗拉強(qiáng)度/最大收縮應(yīng)力≥1.0,開裂風(fēng)險系數(shù)<0.7。

橋塔混凝土需滿足超高泵送,應(yīng)有良好的體積穩(wěn)定性和耐久性能。結(jié)合國內(nèi)大型橋梁索塔混凝土配制的經(jīng)驗[3-5],擬采用大摻量摻合料膠凝體系,輔以添加專用抗裂劑及降黏摻合料等功能材料,以達(dá)到混凝土可泵性好、強(qiáng)度發(fā)展適宜、體積穩(wěn)定性好和抗裂及耐久性能優(yōu)良的目的,配合比如表3所示。

表3 索塔C60混凝土配合比 /(kg·m-3)

2 試驗結(jié)果

2.1 工作性能

表4為不同膠凝體系混凝土工作性能對比測試結(jié)果。

表4 不同配合比工作性能統(tǒng)計表

由表4可知,混凝土摻入抗裂劑、降黏摻合料后,均存在流動性降低情況,含氣量變化不大;考慮到坍落度可模擬混凝土泵送情況,結(jié)合倒坍?dāng)?shù)據(jù),說明使用降黏摻合料能提高混凝土的泵送性;與粉煤灰、礦渣粉相比,摻入抗裂劑和降黏摻合料后,混凝土含氣量有所提高,混凝土泌水率降低,但對混凝土施工影響不大。

2.2 力學(xué)性能

圖1為各組配合比混凝土抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果。

由圖1可知,各組混凝土的60 d抗壓強(qiáng)度值均超過70 MPa;抗裂劑會降低早期強(qiáng)度,但后期水化完全后,能填充孔隙,使結(jié)構(gòu)密實、強(qiáng)度提高;摻入降黏摻合料10%時,混凝土力學(xué)性能降低;采用大摻量礦物摻合料體系,在水膠比、膠材總量及礦渣粉摻料不變情況下,降低水泥用量、提高粉煤灰摻量,混凝土強(qiáng)度均有所降低,但相差不大。

2.3 干縮性能

圖2為不同配合比干縮試驗變化曲線。

從圖2可知,粉煤灰、礦粉、降黏摻合料的膠凝材料組成在測試齡期均出現(xiàn)收縮,且早齡期(14 d)的收縮值占比較大。摻入抗裂劑后,混凝土產(chǎn)生了顯著的早期自生體積膨脹,22 d后混凝土存在收縮,但較未摻抗裂劑時明顯減小。

2.4 碳化性能

表5為各組配合比不同齡期碳化測試結(jié)果。從表5中可知,各組混凝土內(nèi)部孔隙較小,結(jié)構(gòu)密實,混凝土抗碳化能力較高,28 d碳化深度均小于1.0 mm。在該水膠比和膠凝材料用量情況下,均具有十分優(yōu)良的抗碳化能力,不會存在碳化而引起的鋼筋銹蝕問題。

表5 不同配合比56 d碳化深度統(tǒng)計

2.5 混凝土絕熱溫升

選取其中配合比CT-1、CT-5、CT-7進(jìn)行絕熱溫升試驗,結(jié)果如圖3所示。

由圖3分析可知,抗裂劑與降黏摻合料復(fù)合能降低混凝土早期水化放熱速率及絕熱溫升值,7 d混凝土絕熱溫升小于50 ℃。抗裂劑與粉煤灰等常規(guī)摻合料相比,其具有更好的溫升降低效果,降黏摻合料的水化活性略高于粉煤灰,放熱量及放熱速率略高于粉煤灰。

3 仿真分析

結(jié)合上述混凝土各項性能試驗結(jié)果,考慮橋塔實心段混凝土低溫升、高抗裂的要求,最終選取CT-7配合比作為該工程橋塔下塔柱根部實心段混凝土配合比。并采用如下措施:

1)冷卻水管工藝:采用管徑30 mm、壁厚3 mm的鐵管。水管水平和豎向間距0.8～1.2 m,表層水管距離混凝土表面≥0.5 m。冷卻水采用季節(jié)常溫水,控制通水水溫與混凝土溫差≤25 ℃。混凝土升溫階段,冷卻水流速應(yīng)≥1 m/s,降溫階段,冷卻水流速≤0.5 m/s。

2)防風(fēng)、保溫、保濕養(yǎng)護(hù):頂面采用灑水養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)時間≥14 d。帶模養(yǎng)護(hù)2～3 d,松模后模板上下緣覆蓋,內(nèi)通熱霧化汽養(yǎng)護(hù)。拆模后在塔壁外圍設(shè)防風(fēng)保溫養(yǎng)護(hù)罩,內(nèi)通熱霧化汽養(yǎng)護(hù)。

3)施工控制:混凝土節(jié)段澆筑間隔≤10 d。高溫施工時對泵管淋水降溫,低溫時進(jìn)行防雨、雪處理。澆筑過程中,采用由外向內(nèi)均勻布料、水平分層、斜向分段方式,頂層混凝土進(jìn)行二次振搗。

在以上設(shè)定條件下,首節(jié)塔柱實心段溫度應(yīng)力計算結(jié)果見表6。

表6 溫度應(yīng)力場結(jié)果

由表6分析可知:1)按照設(shè)計的澆筑方式和水管布置方式的配合下,塔柱實心段各齡期安全系數(shù)均大于1.4,滿足設(shè)計要求。2)早期由于混凝土內(nèi)表溫差大,應(yīng)力相對集中,需采取保溫養(yǎng)護(hù)措施,控制塔壁混凝土里表溫差。3)由于混凝土降溫和干縮作用,后期需注意保濕養(yǎng)護(hù)。建議拆模后塔壁外設(shè)防風(fēng)保溫養(yǎng)護(hù)罩、內(nèi)通霧化水汽養(yǎng)護(hù)。

4 工程應(yīng)用

常泰長江大橋橋塔地處長江之上,周邊空曠,氣候條件變化劇烈,考慮大體積混凝土溫控要求以及現(xiàn)場施工泵送性等要求,選取CT-7配合比作為下塔柱施工,現(xiàn)場采用結(jié)構(gòu)預(yù)埋冷卻水管工藝、混凝土采用防風(fēng)、保溫、保濕的養(yǎng)護(hù)方式,并加強(qiáng)施工過程控制。混凝土入模溫度為23.2～24.0 ℃,內(nèi)部最高溫度為60.1 ℃,最大內(nèi)表溫差20.4 ℃,塔柱混凝土外觀質(zhì)量良好,表面平整、光滑,無明顯缺陷。

5 結(jié) 論

a.基于常泰長江大橋橋塔高泵送、高強(qiáng)、高抗裂的混凝土要求,從配合比優(yōu)化及大體積混凝土控裂兩個方面分別對索塔混凝土進(jìn)行了研究,設(shè)計出工作性能、力學(xué)性能、熱學(xué)性能、體積穩(wěn)定性均滿足施工要求的C60塔柱混凝土,并取得較好的實施效果。

b.適當(dāng)降低膠材用量,并摻入適量抗裂劑及降黏摻合料,可實現(xiàn)混凝土可泵性好、強(qiáng)度發(fā)展適宜、體積穩(wěn)定性好和耐久性能優(yōu)良的目的。模型試驗拆模后沒有出現(xiàn)可見裂縫,進(jìn)一步驗證了針對索塔結(jié)構(gòu)的混凝土裂縫控制效果。

c.針對超高橋塔塔柱不同節(jié)段部位混凝土性能需求,通過材料措施與關(guān)鍵施工工藝的采用,可實現(xiàn)橋塔結(jié)構(gòu)高強(qiáng)大體積混凝土力學(xué)性能、高程泵送性能、抗裂性能及外觀質(zhì)量保障的有機(jī)統(tǒng)一。