劲性骨架拱桥C60外包混凝土制备与性能研究

摘要：为提升劲性骨架拱桥外包混凝土的抗裂性、耐久性，文章通过添加抗裂剂、PVA纤维进行了C60外包混凝土优化设计，并通过多项试验分析了混凝土的工作性能、力学性能以及变形性能，结合工程需要进行方案优选。结果表明：掺入PVA纤维会对外包混凝土工作性能产生一定的负面效果，影响混凝土的可泵送性；复合掺入抗裂剂、PVA纤维有利于改善外包混凝土的劈裂抗拉强度、收缩变形、开裂变形，提高外包混凝土的抗裂性能、耐久性能。

关键词：劲性骨架拱桥；高性能混凝土；力学性能；抗裂性能

0引言

钢管混凝土劲性骨架拱桥由于具有施工工序简单、承载能力大、耐久性好等优点［1］，目前已被广泛应用，并且不断突破着拱桥的最大跨径纪录［2］。钢管混凝土劲性骨架拱桥以钢管拱肋为支撑，并在管内填充灌注自密实高强度混凝土［3］，从而提升钢管拱桁的稳定性和刚度。此外，钢管外包一层混凝土，形成钢管混凝土加劲混合结构，从而提高桥梁结构的抗震性、抗冻性、耐久性等［4］。然而，外包混凝土在不均匀日照、风蚀等自然环境作用下，易发生开裂现象，同时外包混凝土常采用高压远程泵送且施工方量大［5］。因此，需通过掺入矿物掺合料、纤维等手段优化配合比［6］，并加强施工振捣以及后期养护，提高外包混凝土的施工和易性、力学性能以及耐久性能，提升桥梁的耐久性。

综上，本文以某钢管混凝土劲性骨架拱桥为背景，进行C60外包混凝土配合比设计并进行性能研究，根据现场施工条件选择较优的配合比设计方案，同时为同类型桥梁提供参考。

1 工程概况

某钢管混凝土劲性骨架拱桥全长2 488.55 m，主桥为上承式单跨600 m，位于某水库库区，年平均降雨量为1 370.6 mm，年平均日照时数为1 281.9 h，最大风速达18 m/s。拱肋外包混凝土采用C60混凝土，共约27 944 m3，采用“分环分段”的方法，按先底板环、再腹板环、后顶板环的顺序依次浇筑，且两岸对称同步进行。

2 C60外包混凝土配合比设计

2.1 原材料选择

为改善C60外包混凝土各项性能，须优选原材料。其中，水泥：鱼峰P·O52.5水泥，主要性能指标如表1所示；粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰，细度为22.2%，烧失量为1.32%；硅灰：烧失量为2.14%，含水率为1.8%；微珠：烧失量为4.79%，含水率为0.2%；粗集料：5～10 mm、10～20 mm精加工石灰巖整形碎石；细集料：0～5 mm精品石灰岩机制砂，石粉含量≤10.0%；减水剂：江苏苏博特PCA-I聚羧酸减水剂，减水率为16%；抗裂剂：江苏苏博特HME-V抗裂剂；纤维：聚乙烯醇温缩抗裂纤维（PVA纤维）。

2.2 配合比设计

大跨径劲性骨架拱桥拱圈外包混凝土常采用远程泵送工艺，且混凝土泵送方量大、浇筑时间长，对混凝土的流动性、保坍性等具有较高要求。拱圈外包混凝土钢筋骨架结构密集对混凝土存在较强约束，且钢筋、钢管、外包混凝土热膨胀系数不同，在日照作用下会产生不同的微应变，外包混凝土开裂风险较高。根据《高强混凝土应用技术规程》（JGJ/T 281-2012）和《自密实混凝土应用技术规程》（JGJ/T 283-2012）技术要求，并结合工程经验，进行C60外包混凝土配合比设计，以常规混凝土J1组作为基准参照，通过掺入8%的抗裂剂补偿混凝土收缩，设计0.28、0.30、0.32三种不同水胶比下的混凝土为W1、W2和W3组，研究水胶比对混凝土工作性能影响。经试配后，在W2的基础上，复合掺入1.0 kg/m3、1.5 kg/m3、2.0 kg/m3的PVA纤维制备X1、X2、X3组试件，进行外包混凝土加筋处理，进一步提升混凝土的抗裂性能。配合比优化设计方案如下页表2所示。

3 C60外包混凝土性能研究

3.1 工作性能

劲性骨架拱桥外包混凝土施工面临泵送高差大、泵送距离远等问题，且外包混凝土的钢筋骨架较为密集，振捣难度较大，这就要求外包混凝土不仅要具备较高的可泵送性，同时还需具备较好的自密实性。通过扩展度试验、V型漏斗试验及U形箱试验评价外包混凝土的工作性能，试验结果如表3所示。

由表3可知，掺入抗裂剂后，在同水胶比的情况下，混凝土工作性能变化不明显，不同水胶比对混凝土的和易性和密实填充性影响较大。当采用0.32水胶比时，混凝土扩展较大易发生离析，作为外包混凝土泵送入模时，过剩的流动性会增大对模板的压力，易产生胀模、漏浆等危害；当采用0.28水胶比时，混凝土扩展度较小，流动性较弱，泵送阻力较大，不利于现场泵送施工。结合实际工程需要，C60拱圈外包混凝土初始扩展度宜控制在600 mm。通过减水剂反应作用，0.5 h内混凝土扩展度会有所提高，0.5 h扩展度宜控制在650 mm；2 h内混凝土性能变化不明显，利于保持长时间泵送的稳定性。当加入PVA纤维后，混凝土工作性能明显下降，扩展度、U形箱填充高度随纤维掺量提高损失较快，T500、V型漏斗流出时间随纤维掺量提高不断延长，这是因为PVA纤维会互相搭接，形成较为稳定的网状结构，阻碍了混凝土的流动，且PVA纤维掺量越高，阻碍效果越明显，导致泵送过程中外包混凝土堵管风险加剧，入模后自密实效果降低，振捣要求提高，不利于外包混凝土远程泵送和密实性提高。

3.2 力学性能

外包混凝土作为钢管混凝土结构的重要组成部分，需要具备较好的力学性能，以提高结构整体的刚度、耐久性。因此，通过立方体抗压试验、立方体劈裂抗拉试验分别测得混凝土7 d、28 d、60 d的抗压强度和劈裂抗拉强度，通过棱柱体抗压弹性模量试验测得混凝土3 d、7 d、28 d、60 d的弹性模量，试验结果如表4所示。

由表4可知，掺入抗裂剂后，W2组混凝土的抗压强度、弹性模量略有降低，劈裂抗拉强度略有提高，变化幅度较小，较J1组7 d、60 d抗压强度分别下降了1.1%、3.1%，7 d、60 d弹性模量分别下降了6.0%、4.6%，7 d、60 d劈裂抗拉强度分别提高了4.5%、2.8%。同时掺入抗裂剂和PVA纤维后，劈裂抗拉强度进一步提升，相较J1组，X1～X3组7 d、60 d劈裂抗拉强度分别提高了17.9%～28.5%、3.5%～8.9%。试验结果表明，抗裂剂和PVA纤维的掺入会对外包混凝土抗压强度略有影响，但不影响其达到设计强度，而对于外包混凝土劈裂抗拉强度改善明显。这是因为PVA纤维能桥接外包混凝土基体裂缝，抑制裂缝扩展，能有效降低外包混凝土在劲性骨架结构中钢管拱肋、钢筋骨架约束作用、自身收缩、温缩变形等不利因素引起的开裂现象，提高劲性骨架结构整体的耐久性。

3.3 变形性能

诸多不利因素的存在导致拱圈外包混凝土开裂风险较高。劈裂抗拉强度能间接反映外包混凝土抗裂性能，但并不直观。因此，通过接触收缩变形试验、平板开裂试验研究常规混凝土J1、掺抗裂剂混凝土W2以及复掺抗裂剂和PVA纤维混凝土X1的抗收缩变形、抗开裂性能。

3.3.1 接触收缩变形试验

通过接触收缩变形试验，测得3种混凝土在温度为20 ℃、湿度为60%的恒温恒湿环境中1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、45 d、60 d、90 d的收缩变化率，试验结果如图1所示。

由图1可知，相较J1组，W2组1 d、3 d、7 d、14 d、60 d的收缩率分别降低了34.6%、42.9%、44.4%、40.5%、43.4%，表明抗裂剂掺入能显著降低混凝土自身收缩变形。这是因为抗裂剂在混凝土中均匀拌和后，其中的MgO成分水化生成Mg（OH）2，固相体积增大，补偿外包混凝土自身收缩，降低外包混凝土因自身收缩变形引起的开裂风险。其中，抗裂剂的补偿效果在外包混凝土发育早期就能发挥作用，有利于提升混凝土的早期抗裂性能，并且补偿效果会持续于混凝土发育的整个过程。此外，当复合掺入抗裂剂、PVA纤维后，X1组的收缩率进一步降低，这是因为PVA纤维在混凝土中起搭接、加筋作用，能阻碍外包混凝土变形。

3.3.2 平板开裂变形试验

通过平板法测定外包混凝土早期开裂情况，同时通过加热板控制混凝土试件温度（分别为40 ℃、60 ℃、80 ℃），研究C60外包混凝土温度与环境温度差对混凝土早期抗裂性能的影响。试验结果如表5所示。

由表5可知，当混凝土加热温度升高时，3种混凝土初始开裂时间提前，最大裂缝宽度增加，开裂面积增大。表明混凝土内部温度与环境温度差越大，越不利于外包混凝土的早期抗裂。这是因为混凝土温度越高，水化过程中失水越快，失水通道易形成毛细孔隙，混凝土硬化后更容易开裂。因此，在外包混凝土施工时应严格控制混凝土温度，以降低开裂风险。在同等温度条件下，掺入抗裂剂和PVA纤维后混凝土早期开裂现象显著降低。其中，X1组较J1组初始开裂时间延长了约60～115 min，每1 m2裂縫减少约22.9～29.5条，每1 m2开裂面积减少约134.2～230 mm2，最大裂缝宽度减小约0.16～0.33 mm，这表明抗裂剂和PVA纤维掺入有利于外包混凝土的早期抗裂性能提高。这是因为抗裂剂体积膨胀补偿和PVA纤维加筋作用，能有效抑制混凝土开裂，改善拱圈外包混凝土的早期抗裂性能。综上，针对提升外包混凝土抗裂性能，配合比设计方案X1优于方案W2，也优于方案J1。

4 工程质量控制

为充分保障外包混凝土的抗裂性能，优选方案X1为浇筑方案进行试泵。经试泵发现，PVA纤维存在难分散、易结团现象，不满足超大跨径劲性骨架结构拱桥外包混凝土较高、较远、泵管组合复杂的泵送施工需要，导致弯管处堵管风险加剧。因此，综合考虑外包混凝土施工的可泵性和劲性骨架结构的耐久性，选用W2为最终浇筑方案。并为保证C60外包混凝土的各项性能，采用了以下手段进行质量控制：

（1）严格控制混凝土入模温度在30 ℃以下，炎热天气施工通过添加碎冰手段降低拌和用水温度，达到控制混凝土温度的效果；

（2）预留多处振捣孔加强振捣，遵循“快插慢拔”的原则，严格控制振捣时间在30～60 s，提高混凝土的密实度；

（3）加强养护，通过覆盖“两布一膜”的方式进行外包混凝土养护，充分做好混凝土的防风、保温、保湿，降低混凝土的开裂风险。

实践表明，W2方案C60外包混凝土施工和易性较好，未出现堵管等问题，拆模后外观质量较高，平整、光洁、整体性好，在龄期内能达到设计强度需要，未出现裂缝、裂纹等缺陷。

5 结语

（1）抗裂剂掺入对C60外包混凝土工作性能影响较小，PVA纤维掺入会大大降低外包混凝土的工作性能；C60外包混凝土初始扩展度宜控制在600 mm。

（2）复合掺入抗裂剂和PVA纤维能改善混凝土劈裂抗拉强度，复合掺入8%抗裂剂和1 kg/m2PVA纤维后，混凝土7 d、60 d劈裂抗拉强度分别提高了17.9%、3.5%，利于提升混凝土的抗裂性能。

（3）抗裂剂和PVA纤维能有效抑制混凝土收缩变形和开裂，利于混凝土的早期抗裂性能，掺入抗裂剂、PVA纤维后，混凝土收缩率、初始开裂时间、开裂面积、最大裂缝宽度等指标明显改善。

（4）综合考虑外包混凝土的施工和易性以及耐久性，优选C60外包混凝土配合比方案为，水泥∶粉煤灰∶硅灰∶抗裂剂∶微珠∶机制砂∶碎石∶水∶减水剂=305∶71∶12∶38∶55∶824∶1 049∶146∶9.62。

参考文献：

［1］徐 宏，周 敉，王亚美，等.钢管混凝土劲性骨架拱桥拱肋施工控制研究［J］.铁道工程学报，2022，39（9）：50-55.

［2］林春姣，郑皆连.劲性骨架拱桥主拱圈混凝土四工作面浇筑法［J］.交通运输工程学报，2020，20（6）：82-89.

［3］任泓锦，许红胜，颜东煌，等.劲性骨架混凝土拱桥改进施工工艺可行性研究［J］.中外公路，2019，39（6）：81-84.

［4］陈宝春，何福云，李 聪，等.美兰法与美兰拱桥技术发展综述［J］.交通运输工程学报，2022，22（6）：1-24.

［5］周孝军，牟廷敏，庞 帅，等.高程泵送低收缩高抗裂钢管外包混凝土制备研究［J］.混凝土，2022（2）：127-130，135.

［6］徐阳晨，邢国华，黄 娇，等.聚乙烯醇纤维和碳纳米管改性对混凝土力学性能的影响［J］.建筑材料学报，2023（7）：809-815，822.

作者简介：毛丹丹（1984—），工程师，研究方向：公路桥梁工程试验检测及质量管理。