边跨宽箱梁混凝土配制及抗裂性研究

李福友 李北星 闫海超 马 瑜

（1.中铁建大桥工程局集团第一工程有限公司 辽宁大连 116033；2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室 湖北武汉 430070）

1 引言

预应力连续箱梁在大型公路和铁路桥梁中得到了广泛应用，但受混凝土收缩、徐变、温湿度变化，箱梁结构设计缺陷，混凝土施工质量等因素影响，箱梁混凝土易在施工期出现开裂［1－3］。裂缝的出现对结构的耐久性和整体安全性均有不利影响［4］，必须在施工阶段加以重视并防控。

武穴长江大桥主桥设计为双塔六跨连续不对称混合梁斜拉桥，桥跨布置为（80＋290）m（北边跨）＋808 m（中跨）＋（75＋75＋75）m（南边跨）。南边跨预应力混凝土（PC）箱梁采用分离式双箱结构，截面全宽38.5 m，为典型超宽预应力混凝土箱梁［5］。标准梁段中心线处梁高3.822 m，顶板厚35 cm，底板厚40 cm，斜底板厚35 cm，内腹板厚55 cm。PC箱梁采用在支墩支架上分段分节（跳仓）现浇施工，自梁端开始分成4个施工段和2个合龙段（湿接缝），每个施工段分若干节浇筑，在温度和混凝土收缩徐变作用下，受支墩支架纵横向约束极易产生裂缝。另外，箱梁于索塔处其横隔板厚2.5 m，辅助墩和过渡墩墩顶处横隔板厚为3.0 m，属于大体积混凝土，水化热温升高；箱梁混凝土强度等级为C55，自收缩和温度收缩大，加之扁平型宽箱梁外侧养护难度大，受结构异形、结构尺度变化大等影响，混凝土开裂风险大。为此，针对该宽箱梁的混凝土防裂施工要求，进行混凝土的配制与抗裂性研究。

2 原材料及试验方法

2.1 原材料

水泥为江西亚东洋房P·Ⅱ52.5级水泥，粉煤灰（FA）为国电九江发电有限公司F类Ⅰ级粉煤灰，矿粉（KF）为九江中冶环保资源开发有限公司S95粒化高炉矿渣粉，细骨料为赣江丰城Ⅰ类河砂，细度模数2.8，粗骨料为宜昌5～20 mm二级配石灰岩碎石，压碎值18.4%，外加剂为中交二航武汉港湾新材料有限公司CP-J缓凝型聚羧酸高性能减水剂。

2.2 试验方法

（1）混凝土拌合物工作性依据GB／T 50080—2016进行试验，力学性能依据JTG E30—2005进行试验。

（2）胶凝材料水化热测定采用八通道TAM Air热活性微量热仪，绝热温升测定采用HR-2A型混凝土热物理参数测定仪，试验历时均为7 d。

（3）混凝土刀口约束法早期抗裂性试验依据GB／T 50082—2009进行，采用尺寸为（800×600×100）mm的平面薄板型模具。

（4）混凝土收缩试件尺寸为（100×100×515）mm。用于自收缩的试件用锡纸和塑料薄膜进行密封，干缩试件不做处理。试验环境温度（20±2）℃，相对湿度（60±5）%。

（5）混凝土徐变试验依据 GB／T 50082—2009进行。试件标养7 d龄期后开始加载，加载应力为棱柱体轴心抗压强度的40%。

3 混凝土配合比设计

3.1 性能设计要求

基于该PC宽箱梁设计和施工要求，参考相关规范［6］，提出本箱梁混凝土性能应达到如下指标要求：

（1）拌合物性能：坍落度190～230 mm，扩展度500～600 mm，含气量不大于3.0%，初凝时间14～16 h。

（2）力学性能：28 d试配抗压强度≥65.7 MPa且不宜高于1.4倍设计强度，7 d强度≥55 MPa；28 d弹性模量≥3.55×104MPa，7 d弹性模量≥3.20×104MPa。

（3）抗裂与变形性能：7 d绝热温升值≤50℃，刀口约束法塑性开裂试验抗裂性等级L-Ⅲ级及以上，尽量降低早期自收缩；28 d干燥收缩率≤250×10－6，7 d 龄期加载90 d 徐变度≤30 ×10－6／MPa。

（4）耐久性能：28 d龄期电通量＜1 000 C，快速碳化28 d深度≤5 mm。

3.2 混凝土配合比

根据以往同类工程经验［7－9］，结合本工程实际，设计如表1所示的11个配合比，研究胶凝材料用量（465、480、495 kg／m3）、矿物掺合料掺量（0%、FA24%、FA18% ＋KF12%、FA21.6% ＋KF14.4%、FA25.2%＋KF16.8%）、粉煤灰与矿粉复掺比例（FA∶KF＝2∶1、1.5∶1、1∶1）、单方用水量（139、144、149 kg／m3）4个因素对C55箱梁混凝土基本性能的影响。基本性能试验结果如表2所示。

表1 箱梁混凝土配合比

表2 箱梁混凝土基本性能

4 试验结果与分析

4.1 混凝土基本性能

由表2混凝土基本性能试验结果可知，11个配比的坍落度／扩展度均满足施工要求，7 d抗压强度均超过设计强度55 MPa；除基准配比X480F0外，其他10个配比的28 d强度均高于65.7 MPa的试配值，且大部分配比具有较高的强度富裕系数。综合考虑粉煤灰、矿粉复合掺合料掺量和组成比例对混凝土绝热温升、强度发展、收缩徐变等的可能影响，初选复掺FA21.6% ＋KF14.4%的X480F22K14配比、复掺FA18% ＋KF12%的X480F18K12配比为优化配比。

表3为四组混凝土力学和抗氯离子渗透性能结果对比。与基准混凝土X480F24相比，复掺FA18%＋KF12%提高了抗拉强度，而单掺FA24%或复掺FA21.6%＋KF14.4%均降低了抗拉强度。四组混凝土的28 d弹模均大于40 GPa，且三组含矿物掺合料混凝土弹模均高于基准混凝土，尤其是X480F18K12配比。

表3 箱梁混凝土力学性能与抗氯离子渗透性

四组混凝土28 d电通量均小于1 000 C，符合箱梁耐久性设计要求。与X480F0相比，X480F24、X480F18K12、X480F22K14三个配比的28 d电通量分别降低28.3%、30.6%、34.5%，表明复掺30% ～36%的粉煤灰与矿粉，显著改善了混凝土抗氯离子渗透性能。

4.2 胶凝材料水化热

为掌握箱梁混凝土的水化热，测定了矿物掺合料与减水剂对水泥水化热的影响。图1为水化放热量和水化放热速率曲线。结果显示：（1）与52.5P·Ⅱ纯水泥相比，掺入21.6%FA＋14.4%KF的三元胶凝材料最大水化放热速率降低了22.7%，7 d水化热降低21.2%。（2）三元胶凝材料中掺入1.2%缓凝型聚羧酸高性能减水剂后，水化放热速率和放热量进一步降低，最大放热速率降幅为34.5%，7 d水化热降低20.3%。这主要缘于该缓凝型聚羧酸减水剂有效抑制了水泥的早期水化，显著推迟了水化温峰出现时间，降低了水化热尤其是前2 d的水化热（1 d、2 d水化热降低幅度达90.7%、61.4%），这对控制混凝土内部温升过快非常有效。以上分析表明，缓凝型减水剂与矿物掺合料对水泥水化热的控制起到了“1＋1＞2”的协同作用。

图1 矿物掺合料与减水剂对水泥水化热的影响

4.3 混凝土绝热温升

表4为不同矿物掺合料掺量的四组混凝土的绝热温升测定结果，图2为其中代表性配比X480F22K14的绝热温升曲线。

表4 箱梁混凝土绝热温升

图2 箱梁X480F22K14混凝土绝热温升曲线

与X480F24的7 d绝热温升相比，掺合料掺量更大的 X480F18K12、X480F22K14降低不显著，表明矿粉对绝热温升的降低效果不及粉煤灰显著。由图2可知，该箱梁混凝土的水化热温升包括缓慢放热期（0～12 h）、快速放热期（12～36 h）和放热稳定期（36 h～）三个阶段，其中快速水化放热期是大体积混凝土温控的关键时段，因此该箱梁施工时应特别关注前36 h的水化热温升并采取有效措施降低温峰。

4.4 混凝土塑性收缩开裂

表5为四组混凝土早期塑性收缩开裂试验结果。随着矿物掺合料的掺量增加，单位面积上的总开裂面积逐步降低，且最大裂缝宽度也呈降低趋势，但裂缝条数变化不大，因此矿物掺合料对混凝土抗裂性能的改善作用主要体现在细化裂缝上。

表5 箱梁混凝土平板刀口约束法开裂24 h试验结果

4.5 混凝土收缩

图3为箱梁混凝土自收缩结果，拟选配比X480F22K14、X480F18K12的56 d自收缩分别为194.2 ×10－6、206.4 ×10－6，是基准样的87.3%、92.8%，稍大于 X480F24的 56 d自收缩（184.3×10－6）。图4为箱梁混凝土干缩值随龄期变化曲线。结果显示：（1）三组掺有矿物掺合料的混凝土干缩值明显低于基准混凝土。在试验结束的126 d龄期，X480F24、X480F18K12、X480F22K14的干缩值分别是332×10－6、310 ×10－6、293 ×10－6，较 X480F0 降低 13.7%、19.5%、24%。（2）X480F18K12、X480F22K14 二组拟选箱梁配比的28 d 干缩值分别为218 ×10－6、200 ×10－6，符合规程 DB32／T 2170—2012［6］规定的低收缩桥梁混凝土28 d龄期干缩值小于250×10－6的要求。

图3 箱梁混凝土自收缩随龄期变化曲线

图4 箱梁混凝土干燥收缩随龄期变化曲线

4.6 混凝土徐变

图5为箱梁混凝土徐变度随持荷时间变化曲线。结果显示：（1）X480F24、X480F18K12、X480F22K14三个配比的90 d徐变度分别为20.4×10－6／MPa、16.8 ×10－6／MPa、18.2 ×10－6／MPa，分别为 X480F0的67.5%、55.6%、59.9%。表明混凝土中单掺24%粉煤灰或复掺30%～36%粉煤灰和矿粉后，其抵抗徐变的能力得到大幅提升，这与国内外同类研究结果相似［10－12］。另外，X480F18K12、480F22K14两个拟选配比的90 d徐变度符合规程DB32／T 2170—2012规定的超低徐变桥梁混凝土的要求（90 d徐变度≤20 ×10－6／MPa）。

图5 箱梁混凝土徐变度随持荷时间发展规律

4.7 箱梁典型节段混凝土温度监测情况

箱梁混凝土于2019年5月－2019年12月期间施工，共分20个节段，施工用配比为X480F22K14。为降低大体积混凝土结构内部温度，在箱梁风嘴部位布设了冷却水管，水平管间距为100 cm，距离混凝土侧面50 cm。中高温期施工，主要采取水加冰制冷、水泥和矿粉提前备料等降温措施，确保混凝土入模温度≤28℃。本文仅就首件N11节段（2019年5月7日浇筑）和末件N3节段（2019年12月9日浇筑）的温度监测结果（见表6）进行分析。

表6 箱梁混凝土温度特征值监测数据

可以看出，N11节段箱梁的腹板混凝土最高温度为64.9℃，风嘴为60.7℃，满足≤75℃的温控标准；腹板混凝土最大内表温差为29.8℃，风嘴为20.8℃，腹板第二层混凝土内表温差超出≤25℃的温控标准。N3节段箱梁的腹板、风嘴混凝土最高温度分别为66.3℃、69.4℃，符合≤75℃的温控标准；腹板、风嘴混凝土最大内表温差为22.6℃、16.5℃，符合≤25℃的控制标准。由于箱梁的腹板、风嘴相对较薄，温峰后自然降温速率较快，部分时段降温速率超出≤2.0℃／d的温控标准，3 d后降温速率逐渐稳定，可以控制在2.0℃／d以内。

所有梁段施工完成后检测结果表明，梁体均未发现有害性结构裂缝，表面平整光滑，无明显大气孔和聚集性气孔等缺陷。

5 结论

（1）通过胶凝材料用量、矿物掺合料掺量与复掺比例、水胶比等参数的优化，配制出具有低水化热温升、低收缩徐变的高抗裂、高抗渗C55箱梁混凝土。

（2）箱梁混凝土中掺入21.6%粉煤灰和14.4%矿粉取代水泥，可有效减缓水化放热历程，降低水化热温升，在掺入1.2%缓凝聚羧酸高性能减水剂之后降低水化热和推迟水化最高温峰出现的效果更加显著。

（3）箱梁混凝土中掺入适量矿物掺合料后抑制了混凝土的收缩和徐变，优选用于箱梁施工X480F22K14配比的56 d自收缩率为194.2×10－6，为基准样的87.3%；126 d干燥收缩率为293×10－6，为基准样的76.1%；养护7 d龄期加载90 d的徐变度为18.2×10－6／MPa，为基准样的59.9%。

（4）箱梁施工时，混凝土浇筑后36 h左右达到温峰，温峰后降温较快，降温速率超过2.0℃／d；3 d后降温速率逐渐减小，应采取有效的“内降外保”温控措施控制混凝土的内表温差，就该箱梁而言，控制在30℃以内可有效避免早期裂缝的产生。