龙门大桥抗裂C55索塔下横梁大体积混凝土制备与性能研究

2023-01-18李文军杨茗钦

西部交通科技 2022年11期

李文军，杨茗钦

(广西路桥工程集团有限公司，广西南宁 530200)

0 引言

《公路桥涵施工技术规范》(JTG/TF50-2011)(以下简称《技术规范》)中将大体积混凝土定义为现场浇筑最小边尺寸范围在1～3 m，且混凝土构造物内表温差>25 ℃的混凝土。水运、建筑以及水利对此的定义又有所不同，但普遍认为大体积混凝土会因为结构物较大而引发温度裂缝。随着桥梁结构中混凝土构件的尺寸与强度日益增加，对应的技术问题也日益增加，其中由于胶凝材料用量大导致的混凝土水化放热引发的开裂问题则是困扰诸多项目的顽疾。程华强等[1]采用实时温控、水化温升控制以及收缩补偿结合的方式调控新河大桥承台的温度差，结果表明，需从材料与散热设施的角度进行共同优化，才可显著降低混凝土的水化升温。刘力等[2]采用粉煤灰与矿粉复掺且不设置冷却水管的形式，在白洋长江公路大桥承台有效控制了混凝土的温度裂缝。谭昱等[3]则通过配合比设计优化和引入高效减水剂复配水泥的形式，成功建成了港珠澳大桥承台且未出现裂缝。

上述研究中的混凝土标号皆在C40～C45。针对桥梁索塔下横梁C55标号大体积混凝土的研究较少，而索塔下横梁构造物存在较多的变截面，各部位的收缩率不一。针对工程特点，本研究从配合比设计、抗裂安全性评价以及现场温度监测三个方面入手，针对性地解决本工程可能存在的温度裂缝问题。

1 工程概况

广西滨海公路龙门大桥是广西规划建设的最大跨径桥梁，全长6 007 m，为单跨吊悬索桥，一跨过海，主跨为1 098 m，采用门式混凝土索塔，塔高为174 m。东索塔采用门式造型，设置上、下两道横梁，索塔横梁为预应力混凝土构件。下横梁标高为9.0 m、宽为3.5 m，与塔柱底部实心段同时浇筑。塔柱、下横梁采用C55海工混凝土，浇筑时间为9月份，月平均气温为27 ℃～34 ℃。

该构件施工存在的主要难点是：(1)设计强度等级高，导致胶凝材料用量大、水化放热高，温升控制不当时，极易因内表温差造成应力集中导致开裂；(2)构件存在较多变截面，从而导致各部位收缩率不一致，在这些部位易产生温度裂缝；(3)构件受承台固结约束，新旧混凝土浇筑间隔期较长，下部固结约束易导致上层构件约束累积从而发生开裂。

2 大体积抗裂混凝土的制备

2.1 试验原材料

表1 水泥物理性能数值表

表2 碎石性能数值表

表3 砂性能数值表

表4 减水剂性能数值表

表5 防腐剂性能数值表

表6 矿粉性能数值表

表7 粉煤灰性能数值表

2.2 配合比设计

高标号大体积混凝土的胶凝材料用量比普通混凝土更高，在提升力学强度的同时会引发更多的水化放热[4]。此外，为降低混凝土的单位用水量与早期放热反应，项目采用高粉煤灰掺量、低砂率、低坍落度比以及低水胶比的设计思路，基于此设计了A、B、C三组配合比，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 力学性能与抗裂安全性评价

3.1 力学性能

由表9可知，随着水胶比与砂率的增加，三组配合比的混凝土拌和物坍落度呈先减小后增大的趋势，但扩展度却呈先增大后减小的趋势。葛黎明等[5]研究表明，机制砂的表面棱角丰富，在固定的水胶比下，砂率越大，包裹粗集料所需的砂浆越多，只有在水胶比与砂率都处在适宜的区间时，混凝土才具有最佳的工作性能。而B组配合比在早期具有较低的坍落度，从而保证混凝土不会泌水离析；在后期又有较大的扩展度，保证混凝土能充分流动填充构造物。因此，从混凝土新拌性能角度来看，B组配合比的性能最佳。此外，由表10可知，随着水胶比与砂率增加，各配合比混凝土拌和物的抗压强度、抗折强度以及抗压弹性模量都呈下降的趋势。何盛东等[6]研究显示，虽然机制砂丰富的棱角性使砂率和相应的力学性能提高，但过高的水胶比会增加混凝土粗集料间的流动性，导致其力学性能下降。在综合工作性能与力学性能的情况下，本项目选用B组配合比作为施工配合比。

表9 各配合比混凝土拌和物工作性能对比表

表10 各配合比混凝土拌和物力学性能试验结果表

3.2 抗裂安全性评价

依据《技术规范》，结合下页表11可知，两层大体积混凝土浇筑最大内部温度为73.14 ℃，最大内表温差为23.21 ℃，内部温度<75 ℃，内表温差<25 ℃，均符合规范要求。

表11 塔柱起步段、下横梁大体积混凝土温度计算结果表

采用试验室不同龄期混凝土劈裂抗拉强度计算的抗裂安全系数如表12所示。由表12可知，随着时间增加，第一层混凝土温度应力呈现不规则变化，且180 d的温度应力与3 d接近。而第二层混凝土则随着时间的增大，温度应力显著降低，180 d的温度应力仅为3 d的69.5%。在抗裂安全系数方面，由于粉煤灰的火山灰活性使高掺量粉煤灰混凝土试验室力学性能呈现早期强度低但后期强度大的特性，这就使大体积混凝土最易开裂的时期往往发生在早期养护期间。《水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程》(JTS202-1-2010)显示，当抗裂安全系数≥1.4时，混凝土早期开裂的概率<5%。结合表12可以看出，塔柱起步段、下横梁第一层与第二层混凝土皆满足要求。

此外，为进一步了解混凝土构件温度应力集中分布区域，对各龄期应力场分布进行模拟。由图1和图2可知，各浇筑层早期应力发展较快，且集中于构件上表面，表现为内表温差引起的拉应力。随着后期混凝土收缩，部分应力向构件内部转移并逐渐发展至稳定水平，但变截面位置依然存在较高的温度应力。因此，应在后期对构件变截面位置加强养护，避免应力集中引发构件开裂。

表12 塔柱起步段、下横梁温度应力计算结果表

(a)3 d

(b)7 d

(d)180 d

(a)3 d

(b)7 d

(d)180 d

4 工程应用效果

分别在混凝土底面以上1 m、2 m以及3 m位置布设温度传感器。由图3与后页图4可知，混凝土在1 m与2 m处的温度于22 h左右开始快速升温，并在71 h左右达到峰值，在后期趋于平稳。此外，两处内部最高温度都<75 ℃，内表温差都<25 ℃。后页图5处的测点接近上表面，在14 h左右开始快速升温，并在67 h左右达到峰值，在达到峰值后降温速率>1 m。这表明在越接近构造物表面的位置其散热效果越好，而越接近构造物底部则越需要注重散热与养护。