硅粉聚丙烯纤维混凝土应用于大跨PC刚构桥0#块的试验与分析

树文新， 焉学永， 杨军珊， 焦隆华

(湖南省永龙高速公路建设开发有限公司， 湖南 永顺　416700)



硅粉聚丙烯纤维混凝土应用于大跨PC刚构桥0#块的试验与分析

树文新， 焉学永， 杨军珊， 焦隆华

(湖南省永龙高速公路建设开发有限公司， 湖南 永顺416700)

摘要：大跨PC连续刚构桥以其便捷的施工工艺及实用性在实际工程中得到广泛应用，然而普通混凝土的抗拉性能很弱，在早期容易受水化热、收缩徐变等因素的影响产生裂缝。依托龙永高速红岩溪特大桥，通过研究硅粉聚丙烯纤维混凝土的力学性能，运用有限元软件分析0#块分别受水化热、徐变和收缩等所产生应力分布，采用力学性能试验优化普通混凝土中硅粉和聚丙烯纤维的配合比，并确定最优混凝土配合比，为今后同类型桥梁0#块分析及施工提出建议。

关键词：刚构桥； 0#块; 硅粉聚丙烯纤维； 配合比； 力学性能； 有限元分析

0引言

普通混凝土结构在承受拉应力时体现的性能较差，通过掺加硅粉提高其早期强度，掺加聚丙烯纤维改善早期抗裂性能。大跨PC连续刚构桥因其混凝土箱梁0#块截面尺寸大、采用水泥标号高，在早期硬化过程中会产生大量热量，导致结构温度升高，在局部位置形成较大的主拉应力。红岩溪特大桥0#块箱梁底板厚1.2 m，箱梁内部热量不易散出，受水化热及外界温度影响较大，其产生温度应力会引起箱梁表面开裂，对后期施工及运营带来不利影响[1]。

下面通过试验对比普通混凝土与硅粉聚丙烯纤维混凝土材料性能，并确定硅粉聚丙烯纤维混凝土的配合比，得到其各龄期的力学性能，并运用有限元分析0#块在早期所受主拉应力。

1依托工程

红岩溪特大桥为大跨PC连续刚构桥，位于湖南湘西州龙永高速公路，主桥跨径为(116+220+116)m，采用单箱单室箱梁。其中，0#块箱梁截面高13.4 m，顶板宽度为12 m，顶板厚0.6 m，底板宽度为6.5 m，板厚1.2 m，腹板板厚1.05 m，有限元分析时沿桥纵向长度取13 m，0#块箱梁内部设有两道横隔板，板厚1 m，0#块采用的为标号为C55混凝土。在有限元模拟过程中采用分层浇筑，共分为3层，每3 d浇筑1层，第1层0～2.7 m(包括墩梁连接处1 m)，第2层2.7～10.7 m，第3层10.7～14.4 m。0#块结构图如图1所示。

图1　连续刚构桥0#块箱梁构造图(单位： cm)

2材料性能试验

鉴于普通混凝土早期抗拉、抗压强度不高，参考相关文献[2]可在混凝土中掺入硅粉和聚丙烯纤维。硅粉可以提高混凝土早期强度，还可适当减少水泥用量，降低水化热；聚丙烯纤维能增强混凝土的抗拉性能，表现出良好的韧性。表1为试验确定的硅粉聚丙烯纤维混凝土配合比，其中水泥和硅粉总用量与普通混凝土水泥用量相同。

表1 硅粉聚丙烯纤维混凝土材料配合比材料单位体积用量/(kg·m-3)比值水泥451.81砂6781.50碎石11062.45水1580.35硅粉45.180.10纤维1.50.003美克10.060.022

针对结构受力特性，材料性能试验[3]主要有抗压、劈裂抗拉、抗折强度试验。混凝土试块分3 d、7 d、14 d及28 d 4种龄期，并对普通混凝土在同等条件下做相同试验作为对比。

2.1抗压强度试验

抗压试验中，随着试压荷载的增大，混凝土表层出现裂缝，并且不断延伸，向里层发展，普通混凝土表面开始外鼓、剥落，最终为正、倒相连的四角锥,如图2a；而硅粉聚丙烯纤维混凝土由于聚丙烯纤维在混凝土内的均匀乱向分布，抑制了裂缝的发展，在整个受压过程中，其剥落程度较普通混凝土小，试块保持较好的完整性，如图2b。

a) 普通混凝土

b) 硅粉聚丙烯纤维混凝土

图2抗压强度试验

普通混凝土与硅粉聚丙烯纤维混凝土的抗压强度结果见表2。

两类混凝土在各龄期抗压强度比较见图3。由图可知，由于掺加了硅粉的原因，混凝土在早期其抗压强度有比较明显的提升，随龄期的增长，硅粉聚丙烯纤维混凝土较普通混凝土抗压强度差值越来越小。

表2 硅粉聚丙烯纤维混凝土抗压强度MPa材料抗压强度3d7d14d28d普通混凝土38.646.252.956.4硅粉聚丙烯纤维混凝土47.250.355.660.1

图3　混凝土抗压强度随龄期变化图

2.2劈裂强度试验

劈裂抗拉试验中，普通混凝土沿劈裂面完整地断开，被劈裂成两部分，普通混凝土抗拉性能较差，出现裂缝后随即会贯通整个截面，因此开裂面较平整，如图4a；而硅粉聚丙烯纤维混凝土，沿劈裂面有较明显的裂纹，这是因为聚丙烯纤维的抗拉和桥接作用，有效地抑制了劈拉裂缝形成贯通缝，进而造成混凝土试块被完整地劈开，如图4b。

a) 普通混凝土b) 硅粉聚丙烯纤维混凝土

图4劈裂强度试验

在普通混凝土与硅粉聚丙烯纤维混凝土的劈裂强度试验中，根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081 — 2002)规范计算得到的劈裂强度见表3。

表3 硅粉聚丙烯纤维混凝土劈裂强度MPa材料劈裂强度3d7d14d28d普通混凝土4.264.835.125.31硅粉聚丙烯纤维混凝土4.955.305.455.72

两类混凝土在各龄期劈裂强度比较见图5。由图可知，由于掺加了硅粉的原因，混凝土在早期其劈裂强度有小幅提升，随龄期的增长，硅粉聚丙烯纤维混凝土较普通混凝土劈裂强度相差很小。

图5　混凝土龄期-劈裂强度图

2.3抗折试验

抗折试验中，普通混凝土试块沿跨中几乎完全断开，被断成两部分，如图6a；而聚丙烯纤维再生混凝土由于聚丙烯纤维跨接于裂缝两边，在荷载达到极限强度的过程中，随着纤维的不断被拉断或拔出，裂缝宽度不断增加直至试件破坏，但断裂面相较于普通混凝土开口有明显的减小，如图6b。

a) 普通混凝土

b) 硅粉聚丙烯纤维混凝土

图6抗折试验

硅粉聚丙烯纤维混凝土的弯拉破坏荷载较普通混凝土大，通过规范计算得到的劈裂强度见表4。

表4 硅粉聚丙烯纤维混凝土抗折强度MPa材料抗折强度3d7d14d28d普通混凝土4.995.175.846.10硅粉聚丙烯纤维混凝土5.896.357.057.70

两类混凝土在各龄期劈裂强度比较见图7。由图可知，由于混凝土中聚丙烯纤维的抗拉作用，硅粉聚丙烯纤维混凝土在早期其抗弯性能强度有小幅提升，在各龄期段，硅粉聚丙烯纤维混凝土抗弯强度较普通混凝土偏大，且总体上跨中下挠也较大。

图7　混凝土抗折强度随龄期变化图

3有限元分析

在混凝土浇筑完成的早期，结构因水化热及收缩徐变的影响受到不同程度的拉、压应力，并且应力随时间的变化而变化，以下通过水化热、徐变、收缩三个方面分析0#块所受应力大小。

3.1水化热分析

由于0#块属于大体积混凝土结构，因此采用分层浇筑，计算时分为3层，浇筑一层结束后，3 d后浇筑下一层。参考相关文献[4,5]对0#块进行水化热分析，图8～图10列出每层浇筑完成后混凝土达到最大主拉应力时的应力云图。

图8　浇筑1 d后主拉应力云图

图9　浇筑4 d后主拉应力云图

图10　浇筑7 d后主拉应力云图

从图中可看出，主拉应力值主要分布在一定区间，应力集中值相对于该区间值较大，但应力集中分布在倒角等极小区域。表5列出各时间点的主拉应力值区间及应力集中最大值。

表5 各时间点主拉应力值时间应力/MPa主拉应力值区间应力集中最大值1d后3.23～4.309.684d后3.21～4.5911.517d后2.53～3.759.88

由表可知，底板主拉应力值主要在3.23～4.30 MPa之间，应力集中最大值出现在底板、腹板和横隔板相交的倒角位置，达到9.68 MPa；腹板主拉应力值主要在3.21～4.59 MPa之间，应力集中最大值为11.51 MPa，出现在相同位置；顶板主拉应力值主要在2.53～3.75 MPa之间，应力集中最大值出现在横隔板外侧与顶板相交位置。

3.2徐变分析

在混凝土浇筑完成早期，因徐变效应产生主拉应力，对结构造成一定影响，而早期0#块除重力外基本上未受其他荷载作用，徐变对其影响并不明显。图11给出通过等效弹性模量法计算得到徐变作用下的结构7 d后主拉应力云图。

图11　徐变作用下主拉应力云图

由图可知，早期徐变作用对0#块产生的主拉应力很小，7 d后的主拉应力主要分布在顶板表面腹板正上方位置，主要在0.27～0.36 MPa之间，在过人洞处最大主拉应力达到0.46 MPa。

3.3收缩分析

在施工过程中，混凝土收缩产生的应力和变形对0#块结构有一定的影响。在材料特性均匀的静定结构中，混凝土收缩只会影响结构的变形，不产生内力；在材料不均匀或者超静定结构中，混凝土收缩不但产生变形，同时结构内部产生应力。因此，在结构分析时需考虑到收缩对混凝土结构的影响。

根据混凝土收缩的特点，在有限元分析中，可采用温度效应等效模拟混凝土收缩。通过相关文献[6]可知，温度效应计算结果误差较小，可以有效的模拟混凝土收缩。

图12给出了0#块在收缩效应下的主拉应力云图。由于0#块在浇筑完成后处于静定结构，底面为固端约束，图中可看出，在底面及附近区域存在收缩应力，除底面四个边角极小附近由于应力集中现象，应力主要分布在0～2.23 MPa之间，而其他位置因静定结构只有变形无应力分布。

图12　收缩引起的主拉应力云图

4结论

混凝土结构因其材料特性，在早期受到水化热、收缩徐变及温度等各种因素的影响，会产生应力及结构变形。鉴于普通混凝土早期抗压及抗拉强度较低，故在其中掺入硅粉及聚丙烯纤维，利用硅粉增加混凝土早期强度，聚丙烯纤维可改善混凝土抗裂性能。

1) 通过有限元分析可知，混凝土早期水化热对0#块整体影响较大，收缩主要对底面附近的区域产生影响，而徐变影响相对很小。混凝土结构在前期主拉应力达到的最大值主要分布在倒角位置，在3.21～4.59 MPa之间，应力集中最大值为11.51 MPa。

2) 对硅粉聚丙烯纤维混凝土进行材料试验，由试验结果可知，其早期强度中(3 d龄期)，抗压强度由38.6 MPa增大至47.2 MPa，增幅为22.3%；劈裂强度由4.26 MPa增大至4.95 MPa，增幅为16.2%；抗折强度由4.99 MPa增大至5.89

MPa，增幅为18.0%。由此可知，硅粉聚丙烯纤维混凝土可以较好的改善普通混凝土的早期材料性能，在一定程度上减小混凝土应力集中带来的不利影响。

参考文献：

[1] 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京：中国电力出版社，1999.

[2] 吴建华，马石城.聚丙烯纤维再生混凝土力学性能试验研究[D].湘潭：湘潭大学，2007.

[3] GB/T 50081-2002,普通混凝土力学性能试验方法标准[S].

[4] 缪长青，孙传智，李爱群.混凝土箱梁桥零号块水化热过程分析研究[J]. 防灾减灾工程学报，2010，30(4)：408-412.

[5] 张亮亮，赵亮，袁政强，等.桥墩混凝土水化热温度有限元分析[J].重庆大学学报，2007，30(10)：73-75.

[6] 刘扬，陈海锋，李宇鹏，等.基于ANSYS的桥梁结构收缩徐变效应仿真计算[J].交通科学与工程，2013(3)：18-22.

中图分类号：U 444

文献标识码：B

文章编号：1008-844X(2016)01-0065-04