嘉鱼大桥宽幅闭合PC箱梁混凝土抗裂性能优化研究

刘 敬 余 浩 李北星

(1.湖北交投智能检测股份有限公司，湖北 武汉 430050； 2.武汉理工大学，湖北 武汉 430063)

嘉鱼长江公路大桥是武汉城市圈环线高速公路跨越长江的控制性工程，全桥长4 667 m，主桥主跨920 m，为目前世界上最大跨径非对称混合梁斜拉桥，其中主桥边跨采用C55预应力混凝土(PC)箱梁。

本箱梁为整体式单箱三室超宽箱梁，箱梁截面宽度达38.5 m，采用支墩支架现浇工艺，在温度梯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，其构造复杂、结构形式新颖更是加大了裂缝控制难度，目前国内尚无成熟经验可供参考。

针对混凝土箱梁抗裂研究，张方[1]从桥梁结构生命周期的角度，应用考虑“时间依存性”的分析方法，对钢筋混凝土箱梁裂缝进行理论及计算机模拟研究，得出支架的不均匀沉降是裂缝产生的主要原因之一，且施工期间开裂的风险远高于运营期。杨志强[2]结合现场调查资料，通过ANSYS数值模拟分析，得出大桥单箱单室混凝土箱梁裂缝产生的主要原因是混凝土温度应力。赵宝俊[3]重点分析PC箱梁复杂的受力特点，同时对混凝土收缩徐变效应对箱梁应力重分布的影响进行了研究。李春辉[4]通过对典型预应力混凝土箱梁桥的动力特性及振型分析，表明裂缝绝大多数产生于施工过程中，箱梁自重及梯度温度是裂缝产生的主要原因，运营后的车道荷载则加速了旧裂缝的开展和新微细裂纹的产生。

为此，从混凝土配合比着手，采用具备高工作性、高抗裂能力和低收缩徐变性能的高性能混凝土，以期提高PC箱梁在施工过程中的抗裂性能。

1 宽幅闭合PC箱梁配合比优化设计

表1 宽幅闭合PC箱梁混凝土配合比

为实现嘉鱼桥北边跨宽幅箱梁混凝土高工作性、高抗裂性、低收缩徐变的配制目标，配合比设计遵循低水泥用量、低用水量、骨料最大堆积密度、掺用缓凝型高性能减水剂与较大掺量矿物掺合料的原则，优选原材料，采用纯水泥、单掺粉煤灰、复掺粉煤灰及矿粉共配制11组配合比，砂率固定为40%，具体见表1。

表2 宽幅闭合PC箱梁混凝土配合比工作性与强度结果

由表2结果可知：

1)11组配合比除X0,X1,X7外，工作性满足要求；7 d抗压强度均超过55 MPa的设计强度，28 d强度除X10配合比外均高于试配强度66 MPa，且均有较高的富余系数。

2)在单掺粉煤灰的配合比中，随着粉煤灰掺量增加(X7→X6→X8→X9→X10)，拌合物坍落度、扩展度增加或达到同等工作性，外加剂掺量有所降低，说明粉煤灰较好的改善了混凝土的工作性。

3)在双掺粉煤灰与矿粉的混凝土配合比中，随着粉煤灰掺量增加(X2→X1；X4→X3)，拌合物坍落度和扩展度增加，矿粉掺比增加使得拌合物粘聚性增大，坍落度和扩展度有所降低。

4)在X1～X7配比中，矿物掺合料总量从15%增至30%，7 d强度呈降低趋势，但28 d强度与矿物掺合料总量关系并不明显，说明矿物掺合料30%范围内对强度影响较小。

5)矿物掺合料类型对强度有一定影响，主要体现在同等矿物掺合料总量前提下，粉煤灰掺量较多的X1,X3配比7 d强度略低于矿粉掺量较多的X2,X4配比，但X1,X3的28 d抗压强度较X2,X4高约5 MPa，这说明粉煤灰对混凝土后期强度的贡献率大于矿粉。

6)提高粉煤灰掺量至20%以上，7 d,28 d强度均下降，粉煤灰掺量25%的X9配比28 d抗压强度为70.3 MPa，满足试配要求。

7)从7 d至28 d强度增长趋势来看，各组配比增加幅度在7.0 MPa～21.1 MPa间，其中X9配比增进最小，相应水化热放热过程更均匀。

综合考虑粉煤灰、矿粉掺量和组成比例对混凝土工作性、抗裂性、强度、收缩徐变等的可能影响，筛选出基准X0,复掺X1及单掺X9三组配比进一步开展热学、变形、抗裂试验。

2 绝热温升试验

依据水工混凝土试验规程所提供的方法，采用HR-2A型混凝土热物理参数测定仪进行测定，试验历时7 d，每1 h记录一次中心温度，得出X1,X9的7 d绝热温升试验值分别为56.53 ℃,54.76 ℃。

由图1可知，浇筑完成后的16 h～48 h为温控的关键时段，X9配比较X1配比绝热温升试验值低约1.8 ℃，说明粉煤灰对绝热温升的降低效果较矿粉明显。

3 抗裂性能试验

选取X0,X1,X9三组配比，采用平板法塑性干燥收缩开裂试验验证混凝土的抗裂性能(见表3)。

表3 平板法开裂试验结果

与基准样X0相比，X1的最大裂缝宽度明显降低，单位面积裂缝数量增加15%，但单位面积上的总开裂面积降低了42%，表明粉煤灰和矿粉的掺入细化了混凝土裂缝；X9与X1相比单位面积裂缝数量在一定程度上减少，单位面积上的总开裂面积降低了47%，相比而言单掺粉煤灰的X9抗塑性收缩开裂性能优于复掺粉煤灰及矿粉的X1。

4 混凝土自收缩、徐变试验

自收缩试验通过电脑读取磁吸式多通道传感器所感应的线性变形来反映混凝土早期自身体积变形，试验从混凝土初凝持续至28 d，3组配比混凝土自收缩发展曲线见图2。

试验结果表明7 d龄期内自收缩值发展很快，28 d基本稳定；矿物掺合料能够抑制混凝土的自收缩，其中X0的3 d,7 d龄期自收缩率分别为123.1×10-6,163.6×10-6，X9对应龄期的自收缩率降低至93.9×10-6,140.4×10-6，降幅达23.7%,14.2%，由此可见掺入适量粉煤灰对于提高混凝土的抗裂性能具有明显益处。

众所周知，徐变会引起预应力损失，而国家标准规定的徐变试验龄期为28 d。根据嘉鱼桥工程实际，预应力初张多在混凝土成型后的5 d～7 d，因此本研究徐变试验加载龄期选择为接近工程实际的7 d。图3是选定配比的试样徐变随持荷时间的变化曲线，图4是徐变系数曲线。

28 d龄期前徐变迅速增长，随龄期增加，至180 d徐变基本稳定，且矿物掺合料对减小混凝土徐变有着较为显著的效果。相比而言，X1与X9徐变性能相差不大，180 d龄期的徐变度分别为21.3×10-6MPa,23.0×10-6MPa，徐变系数分别为1.49,1.57；较基准样X0，X1和X9的180 d徐变度分别降低了22.8%,16.7%，徐变系数减小了16.3%,11.8%。

相比国内其他桥梁C50～C60预应力混凝土的徐变试验结果，本混凝土箱梁推荐的X1,X9配合比徐变度还是较小的。

5 结语

本文针对宽幅闭合PC箱梁混凝土抗裂性能优化研究，从混凝土配合比设计着手，通过工作性验证及一系列的热学、变形及抗裂试验，得出以下结论：

1)通过配合比中矿物掺合料不同的掺量及组成比例，验证了矿物掺合料对混凝土工作性能及后期强度增长的影响。2)通过绝热温升试验，得出单掺粉煤灰对混凝土绝热温升的降低效果强于粉煤灰及矿粉复掺。3)自收缩及徐变试验表明矿物掺合料对提高混凝土的抗裂性能有显著效果。4)综合考虑各项试验结果，最终选取具备高工作性、高抗裂能力和低收缩徐变性能的X9配比作为嘉鱼长江公路大桥北边跨宽幅闭合PC箱梁混凝土配合比。

本研究从混凝土配合比设计处着手，通过配合比优选及工作性、热学、力学及抗裂性能等试验验证，得出最优配比并及时将试验成果转化应用，从现场施工效果和质量来看，所配制北边跨宽幅闭合PC箱梁混凝土具备优良的抗裂性能，较好的满足了工程设计和施工需求，对今后的箱梁混凝土裂缝控制研究起到一定的指导作用。

参考文献：

[1] 张 方.大型混凝土箱梁裂缝研究[D].成都：西南交通大学硕士学位论文，2004.

[2] 杨志强.混凝土箱梁裂缝成因分析[D].成都：西南交通大学硕士学位论文，2005.

[3] 赵宝俊.竖向预应力作用下箱梁腹板的受力机理研究[D].西安：长安大学博士学位论文，2012.

[4] 李春辉.预应力混凝土箱梁桥开裂行为分析与加固研究[D].杭州：浙江大学硕士学位论文，2010.