钢混组合塔结合段高强高抗弯混凝土配制及温度控制技术

吴小斌，徐文冰

（中交第二航务工程局有限公司，湖北武汉430014）

0 引言

以某跨汉江钢混结合梁悬索桥为背景，该桥主跨布置为378+378=756 m，主塔形式为钢-混凝土门形桩架结构，下塔柱为C55混凝土结构，上塔柱为Q420qE钢结构，见图1。钢混结合段处混凝土与钢材两种材料性能存在明显差异，同时在主塔施工过程中该结合段需承受较大的抗弯能力[1]，需研究一种高强高抗弯的混凝土材料作为主塔钢混结合段的连接填充材料，以保障结合段两种结构间良好的整体协调变形性能及力学性能。

1 高抗弯混凝土的配制

1.1 性能要求及配制思路

针对该桥梁主塔结合段结构的特殊性能，需配制的高强高抗弯混凝土的性能指标如表1所示。

常规的C55高性能混凝土无法满足表1中的技术要求，因此针对该高抗弯混凝土的特殊性能要求，本项目结合段用高强高抗弯混凝土的配制制定了以下的技术思路[2]。

图1 钢混组合塔主塔立面图（m）Fig.1 Elevation of steel-concrete composite tower(m)

表1 高强高抗弯混凝土的性能指标要求Table 1 Performance index requirements of high strength-flexural concrete

1）采用添加钢纤维提高混凝土的韧性和抗弯能力。

2）通过取消粗骨料提高混凝土的流动性能。

3）采用添加硅灰提高混凝土的密实性和抗渗透能力。

4）采用降低水胶比提高混凝土的强度和抗渗透能力。

5）采用添加膨胀剂提高混凝土的抗收缩变形能力。

6）引入超高性能减水剂提高低水胶比下混凝土的和易性和流动性能。

1.2 原材料

1）水泥：安徽海螺P.II52.5普通硅酸盐水泥，3 d抗折强度7.2 MPa，抗压强度38 MPa，28 d抗折强度10.8 MPa，抗压强度60.2 MPa。

2）粉煤灰：河南巩义市欧尚超细粉煤灰，粒径200目。

3）硅灰：上海亨创硅灰，SiO2含量99.8%，比表面积29 530 m2/kg。

4）膨胀剂：武汉三源高活性镁质膨胀剂，MgO含量88.3%。

5）石英砂：佛山玉峰石英砂，粒径规格为26~70目，堆积密度1 530 kg/m3。

6）钢纤维：上海真强镀铜带钩钢纤维，直径0.2 mm，长度13 mm，抗拉强度2 800 MPa。

7）减水剂：苏州兴邦聚羧酸高性能减水剂，减水率29.8%。

1.3 配合比

基于以上配制思路，设计高强高抗弯混凝土配合比如表2所示，高强高抗弯混凝土的性能指标如表3所示，均能满足设计性能指标要求。

表2 高强高抗弯混凝土的设计配合比Table 2 Design mix of high strength-flexural concrete

表3 高强高抗弯混凝土的重点性能指标Table 3 Key performance index of high strength-flexural concrete

1.4 微观测试与机理分析

1）对比表1和表3中高强高抗弯混凝土的性能指标，钢纤维的掺入大幅度提高了混凝土的韧性和抗弯能力。常规C55混凝土的抗折强度约为5 MPa[3]，但高强高抗弯混凝土的抗折强度达到了23.3 MPa，主要原因在于钢纤维在混凝土中成网状交错分布形成了环箍效应（如图2所示），加之钢纤维自身较高的抗弯能力，在混凝土中水泥硬化后形成的CSH凝胶（水泥石）与钢纤维紧密包裹后，产生了良好的整体性能，大幅提高了混凝土的抗弯性能，弥补了混凝土自身抗折性能较差的缺点。钢纤维在混凝土中的网状交错分布，在空间上形成了良好的骨架效应，同时也降低了高强高抗弯混凝土的体积收缩变形[4]。

图2 钢纤维在高强高抗弯混凝土中的分布SEM照片Fig.2 SEM picture of distribution of steel fiber in high strength-flexural concrete

2）高强高抗弯混凝土在配制过程中添加了大量的硅灰，硅灰的细度（比表面积跃25 000 m2/kg）大约是水泥及粉煤灰（300~400 m2/kg）的80倍，其细小的颗粒在二次水化后形成的CSH凝胶充分填充混凝土内的孔隙，大幅度提高了混凝土的密实性[5]（如图2所示水泥石结构致密）。在钢纤维采用镀铜防腐措施后，添加硅灰后的高强高抗弯混凝土氯离子扩散系数较低，大幅度提高了高强高抗弯混凝土的耐久性能。

2 有限元模型及分析

本项目钢混组合塔结合段平面尺寸为6 m伊10 m伊2.5 m，混凝土浇筑方量150 m3，为典型的大体积混凝土结构。由表2中可知，为满足结合段特殊的材料性能要求，高抗弯混凝土在配制过程中使用了大量的胶凝材料及硅灰，混凝土的水化热及绝热温升较大[6]。而本项目在施工期平均气温达到了35益，对大体积混凝土的温度裂缝控制提出了严格的要求。因此在施工过程中需要严格控制其温升，评估开裂风险，确保结合段大体积混凝土无有害裂缝，保障结构安全。

利用有限元分析软件对高强高抗弯大体积混凝土的1/4部分进行建模和分析，其最高温度包络图如图3所示。根据有限元分析计算的结果显示，大体积混凝土的最高温度将达到93.3益，对混凝土的入模温度、最高温度及内表温差控制均提出了更高的要求，需采取现场控制措施对混凝土的入模温度（臆28益）和内表温差（臆25益）进行控制。

图3 钢混组合塔结合段大体积混凝土的最高温度包络图Fig.3 Envelope diagram of the highest temperature of the mass concrete in the joint section of the steel-concrete composite tower

3 现场施工控制措施

1）由于施工期平均气温达到35益，为保证大体积混凝土的入模温度满足规范及本项目温控标准要求（臆28益），在高强高抗弯混凝土的拌制过程中，考虑采用添加碎冰加低温拌合水的方式降低混凝土的出机温度。基于各种材料的比热，利用比热容公式Q=cm驻T进行计算，每方混凝土添加25 kg碎冰取代等质量拌合水，同时降低拌合水的温度至10益，有效将大体积混凝土的出机温度控制在26.7益。

2）本项目混凝土搅拌站距离混凝土浇筑现场约1 km，为避免混凝土在高气温条件下产生较大的温升而导致入模温度升幅过大，通过对混凝土罐车进行包裹保温的方式，尽量降低混凝土在输送过程中的温升[7]。混凝土运输泵送施工过程中混凝土温升1.1益，入模温度控制在27.8益。

3）根据有限元计算分析的结果，混凝土内部最高温度将达到93.3益，而表面点温度62.5益，内表温差达到30.8益。内表温差过大在混凝土内部易形成温度梯度而产生温度应力，导致内部出现温度裂缝影响混凝土的耐久性能及整体的力学性能。施工过程中在混凝土表面及钢结构表面覆盖多层土工布进行保温，一方面可以降低表面热量的散失，降低内表温差，另一方面也可以避免高温大风条件下导致混凝土表面的干燥收缩裂缝。

4 现场温度监测

利用智能化多回路数字温度监控仪及传感器对高强高抗弯大体积混凝土施工过程中的内部及表面温度进行了监控，监控结果如图4所示。现场温度监测结果显示，最高温度为90.5益，最高表面温度为65.7益，最大内表温差为24.8益。从图4可以看出，高强高抗弯混凝土从入模12 h开始急剧水化，释放大量水化热，混凝土温度上升较快，在30 h达到混凝土温峰。混凝土表面温度由于紧邻钢结构，散热较快，表面的最高温度低于中心点的最高温度，但由于覆盖土工布，内表温差仍能控制在25益以内。

图4 大体积高强高抗弯混凝土温度监测历时曲线Fig.4 Temperature monitoring duration curve of mass high strength-flexural concrete

根据大体积混凝土温度发展规律，通常混凝土温峰出现在第二三天，但本项目中高强高抗弯大体积混凝土温峰出现在第30小时，温峰明显提前，这与高强高抗弯混凝土掺入大量胶凝材料及大量使用硅灰有关，硅灰超细颗粒（比表面积跃25 000 m2/kg）水化反应速率快，放热后温度升高，促使水泥加剧反应，导致大体积混凝土温峰提前[8]。

5 结语

1）针对本项目钢混组合塔结合段的特殊结构及材料性能要求，配制出坍落度273 mm，扩展度640 mm的大流动性混凝土，同时28 d抗压强度达到125.8 MPa，28 d抗折强度达到23.3 MPa，180 d干燥收缩268伊10-6的高强高抗弯混凝土，满足抗弯力学性能要求。

2）钢纤维在混凝土中网状交错分布形成的环箍效应，大幅提高了混凝土的整体抗弯性能，弥补了混凝土自身抗折性能较差的缺点。同时钢纤维形成的骨架效应也降低了高强高抗弯混凝土的体积收缩变形。

3）通过对结合段进行有限元模型的建立和分析，提出的碎冰加低温拌合水、混凝土罐车包裹运输及表面覆盖的温度控制措施，能有效控制大体积混凝土的入模温度和内表温差，控制了混凝土内部的温度梯度，保障了该结构无有害裂缝和结构的整体安全性。

4）针对组合塔特殊结构要求配制的高强高抗弯混凝土，掺入的大量胶凝材料及硅灰，导致大体积混凝土的温峰明显提前，混凝土绝热升温较大，需采用有效措施控制大体积混凝土的内表温差。