江汉六桥C50预应力箱梁高性能混凝土制备研究

赵日煦，宋正林，庞二波，周辉，王军

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武汉 430074）

江汉六桥C50预应力箱梁高性能混凝土制备研究

赵日煦，宋正林，庞二波，周辉，王军

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武汉 430074）

北结合某自锚跨斜拉桥工程现浇预应力混凝土自锚跨箱梁的结构特点，采用正交设计试验开展了 C50 预应力高性能混凝土的制备研究，在胶凝材料用量 490kg/m3、Ⅰ级粉煤灰掺量 20%、砂率 41%、水胶比 0.31 的设计参数下制备的混凝土工作性能良好，坍落度/扩展度 2h 基本无损失，初凝时间 30h 以上，7d 抗压强度超过 51MPa。混凝土实际浇筑效果良好，结构无明显裂缝，现场检测混凝土 7d 平均抗压强度达到 50.7MPa，28d 抗压强度评定合格。

超缓凝；早强；预应力；箱梁

预应力箱梁是桥梁的主要受力构件，在长期使用条件下容易产生损伤破坏，直接威胁到整个桥梁的使用功能和服役寿命。通常，影响箱梁结构性能的主要因素有结构设计、混凝土配制、施工管理和后期维护，其中配制高性能混凝土是提高结构耐久性的重要措施[1]。

武汉市江汉六桥是武汉市第六座跨汉江通道，是武汉市第一座自锚跨斜拉桥工程，主桥采用 (48+57+110+252+110+ 57+48)m=682m 的 7 跨自锚式悬索桥，跨江主梁采用钢箱梁和预制混凝土桥面板结构，在主桥箱梁钢混结合段两侧设有现浇预应力混凝土自锚跨箱梁结构，南北锚跨箱梁各段全长均为 (48+57+16.5)m=121.5m，桥面宽44m，最大厚度达 6.6m，钢筋最小净距为 4.2cm，混凝土设计强度等级均为 C50，单次浇筑方量 3500 方以上。

根据该工程结构特点和施工要求，同时满足耐久性设计，对混凝土的性能提出了较高的要求，确定混凝土主要性能指标为：7d 抗压强度和弹性模量不低于设计值的 90%，混凝土拌合物工作性能良好，具有良好的粘聚性和保水性，扩展度 550～600mm，2h 损失不超过 50mm；混凝土初凝时间30h 以上，满足大体量混凝土浇筑施工要求。根据工程需要，本文利用正交试验进行了 C50 预应力锚跨箱梁混凝土的制备及性能研究。

1 试验原料

根据混凝土结构特点，参照 JTGTF50—2011《公路桥涵施工技术规范》，JTGTB07—1—2006《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》的要求，对原材料进行优选。

1.1 胶凝材料

水泥选用 P·O42.5 水泥，碱含量 0.54%，氯离子含量0.03%。具体指标见表 1 所示。粉煤灰采用Ⅰ级灰，细度（45μm 方孔筛筛余）9.8%，需水量比 92%，烧失量 2.3%。

表 1 水泥性能指标

1.2 骨料

粗骨料选用 5～20mm 连续级配碎石，含泥量 0.5%，泥块含量 0.1%，针片状含量 5%；细骨料选用细度模数 2.9 的Ⅱ区中粗河砂，含泥量 1.0%，泥块含量 0。

1.3 外加剂

外加剂应与水泥之间具有良好的适应性，满足高减水率、高保坍、超缓凝要求。据此，选择自行研制的缓凝型聚羧酸系减水剂，固含量 25%，减水率 26.6%，掺量为胶凝材料的 1.3%，初凝时间 31h。

2 试验方法及正交设计

混凝土拌合物性能、抗压强度和弹性模量试验依据 JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》；混凝土塑性收缩开裂试验依据 CCES01—2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》；混凝土工作性能测试试验依据 GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》。

根据《公路桥涵施工技术规范》中的相关规定，结合既往桥梁工程实际经验[2-6]，确定锚跨箱梁 C50 预应力混凝土配合比设计参数范围如下：胶凝材料用量 480～500kg/m3；粉煤灰掺量 15%～25%；砂率 40%～42%，水胶比 0.29～0.31。确定本文正交试验的设计因素和水平见表 2 所示。

表 2 自锚跨箱梁 C50 预应力混凝土配合比正交设计因素及水平

3 试验结果及分析

根据表 2 的正交设计因素和水平，采用正交设计表 L9(34)进行试配试验，试验结果见表 3 所示。

3.1 各因素水平对混凝土性能影响分析

表 3 自锚跨箱梁 C50 预应力混凝土正交试验结果及分析

根据表 3 的试验结果，对粉煤灰掺量、砂率和水胶比三个因素对混凝土工作性能的影响进行分析，具体见图 1 所示，柱状图不同填充表示不同的因素水平，纵坐标为相应水平条件下试验结果的平均值，即 ki。

从图 1 的试验结果可以看出：

（1）随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的和易性逐渐得到改善，表现在混凝土扩展度逐渐增大，倒坍流空时间逐渐减小，拌合物粘度降低，这可能是因为粉煤灰的“微集料”效应和球型颗粒的“滚珠”效应。粉煤灰填充在未水化的水泥颗粒之间，释放了部分自由水，提高了有效水胶比，降低了拌合物的粘度，同时“滚珠”效应使得颗粒之间的摩擦力降低，提高了混凝土的流动性。粉煤灰掺量较低时，混凝土抗压强度变化不大，在掺量 25% 时，混凝土抗压强度降低，这可能是由于粉煤灰活性偏低，胶凝材料水化不充分的缘故。

（2）随着砂率的增加，混凝土的工作性得到相应的改善，混凝土拌合物扩展度的变化不大，均在 550mm 左右，但是粘度得到改善，反映在倒坍流空时间逐渐降低。原因是骨料的平均粒径降低，砂率增大，有利于在骨料表面形成较好的砂浆包裹层，提高了混凝土的流动性。同时，随着砂率增大，混凝土抗压强度变化不明显，降低程度不大，可能是因为混凝土强度等级高，胶凝材料用量大，砂率对强度降低的影响减小。

（3）随着水胶比的增大，混凝土工作性得到改善，扩展度逐渐变大，倒坍流空时间逐渐减小，水胶比增大，提高了混凝土中自由水的含量，有效得降低了混凝土的粘度，提高了混凝土的流动性。同时随着水胶比的增大，混凝土的抗压强度逐渐降低的趋势，但是降低程度不大。因此，考虑混凝土施工工作性的要求，结合本试验的强度试验结果，水胶比0.31 是合适的。3.2 正交因素影响水平分析

图 1 各因素水平对混凝土性能的影响

抗压强度和扩展度越大越好，倒坍流空时间越小越好。因此，根据表 3 的极差分析，分别对三个测试指标得出相应的三个最佳方案，即：对应抗压强度：A2B2C1D1；对应扩展度：A1B3C2D3；对应倒坍流空时间：A2B2C3D3。

采用正交分析法中的综合平衡法对上述三个最佳方案进行优化选择。

胶凝材料 A 对抗压强度和扩展度的极差都较大，是影响较大的因素，对倒坍流空时间而言，胶凝材料影响不大，因此，从满足强度的基础上进行考虑，取 A2 水平为好。

矿物掺合料 B 对扩展度和倒坍流空时间的极差较大，属于影响较大的因素，应分别取 B3 和 B2 水平，同时对于抗压强度来讲，B3 水平强度指标较小，因此，从强度方面考虑，取 B2 水平。

砂率 C 对各个指标的极差都比较小，属于影响较低的因素，综合抗压强度、扩展度和倒坍流空时间三个指标考虑，取 C2 水平。

水胶比 D 对抗压强度和倒坍流空时间的极差在四个因素里最小，属于影响较低的因素，对于扩展度则极差最大，属于影响最大的因素，综合考虑，取 D3 水平。因此，通过上述分析，得出较好的试验方案为 A2B2C2D3，见表 4 所示，验证结果见表 5。

表 4 自锚跨箱梁 C50 预应力混凝土配合比

表 5 自锚跨箱梁 C50 预应力混凝土性能

表 6 江汉六桥 C50 自锚跨箱梁混凝土生产强度统计

表 5 的试验结果可以看出，配制的混凝土工作性能良好，坍落度/扩展度 2h 基本无损失，能够满足高保坍，超缓凝的要求，且通过 Ⅱ 型 U 型箱填充试验表明具有较好的间隙通过性；混凝土的抗压强度和弹性模量均满足了目标设计要求。

4 生产实际效果

在整个江汉六桥项目 C50 自锚跨箱梁预应力混凝土生产浇筑过程中，严格按照既定施工方案对混凝土质量进行控制，并对浇筑后的混凝土及时进行覆盖土工布，洒水进行养护，对拆模后的箱梁结构进行观察，混凝土结构整体性能良好，无明显裂缝。对生产供应的 C50 自锚跨箱梁混凝土进行见证取样，进行抗压强度检测，采用 GB/T50107—2010《混凝土强度检验评定标准》中的统计法进行混凝土 28d 抗压强度评定，混凝土强度评定结果合格，且同时满足市政桥梁工程要求混凝土抗压强度大于设计强度 1.15 倍的要求，检测评定结果如表 6 所示。

5 结论

（1）在本试验条件下，采用 P·O42.5 水泥，Ⅰ级粉煤灰，设计参数为胶凝材料 490kg/m3，粉煤灰 20%，水胶比0.31，砂率 41%，能够制备出工作性能良好，28d 抗压强度60MPa 以上的泵送箱梁混凝土。

（2）粉煤灰能够显著改善混凝土的工作性能，掺量较高时对混凝土的抗压强度有不利的影响，本试验条件下，掺量20% 为最佳掺量。

（3）混凝土实际浇筑效果良好，结构整体性能良好，无明显裂缝。现场检测混凝土 7d 龄期抗压强度满足设计要求，28d 抗压强度评定合格。

[1] 光同文，朱德玉，秦鸿根，等．箱梁高性能粉煤灰混凝土的变形性能与耐久性研究[J]．中外公路，2008(28): 247．

[2] 秦鸿根，孙伟，张亚梅．苏通大桥不同结构部位高性能混凝土配合比与应用研究[J]．商品混凝土，2010(10): 55-59．

[3] 张剑锋，王云金，唐凯，等．九江长江公路大桥超宽箱梁 C55 粉煤灰高性能混凝土配合比设计[J]．中国港湾建设，2012(6): 53-55．

[4] 李北星，天晓彬，周明凯，等．箱梁 C55 高性能混凝土的抗裂性能研究[J]．世界桥梁，2010(3): 40-41．

[5] 李北星，周明凯，王稷良．巴东长江大桥主梁C60高性能混凝土的研究与应用[J]．世界桥梁，2008(2): 51-52．

[6] 马保国，何永佳，吕林女．高性能混凝土配合比设计[J]．武汉理工大学学报，2002(24): 28-31．

［通讯地址］湖北省武汉市华光大道 18 号高科大厦 16 楼中建商品混凝土有限公司华中分公司技术部（430074）

宋正林（1985—），中建商品混凝土有限公司华中分公司，硕士研究生。