劉 敬 余 浩 李北星

(1.湖北交投智能檢測股份有限公司，湖北 武漢 430050； 2.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430063)

嘉魚長江公路大橋是武漢城市圈環(huán)線高速公路跨越長江的控制性工程，全橋長4 667 m，主橋主跨920 m，為目前世界上最大跨徑非對稱混合梁斜拉橋，其中主橋邊跨采用C55預(yù)應(yīng)力混凝土(PC)箱梁。

本箱梁為整體式單箱三室超寬箱梁，箱梁截面寬度達38.5 m，采用支墩支架現(xiàn)澆工藝，在溫度梯度和混凝土收縮徐變作用下，受支墩支架縱橫向約束極易產(chǎn)生裂縫，其構(gòu)造復(fù)雜、結(jié)構(gòu)形式新穎更是加大了裂縫控制難度，目前國內(nèi)尚無成熟經(jīng)驗可供參考。

針對混凝土箱梁抗裂研究，張方[1]從橋梁結(jié)構(gòu)生命周期的角度，應(yīng)用考慮“時間依存性”的分析方法，對鋼筋混凝土箱梁裂縫進行理論及計算機模擬研究，得出支架的不均勻沉降是裂縫產(chǎn)生的主要原因之一，且施工期間開裂的風(fēng)險遠高于運營期。楊志強[2]結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查資料，通過ANSYS數(shù)值模擬分析，得出大橋單箱單室混凝土箱梁裂縫產(chǎn)生的主要原因是混凝土溫度應(yīng)力。趙寶俊[3]重點分析PC箱梁復(fù)雜的受力特點，同時對混凝土收縮徐變效應(yīng)對箱梁應(yīng)力重分布的影響進行了研究。李春輝[4]通過對典型預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的動力特性及振型分析，表明裂縫絕大多數(shù)產(chǎn)生于施工過程中，箱梁自重及梯度溫度是裂縫產(chǎn)生的主要原因，運營后的車道荷載則加速了舊裂縫的開展和新微細裂紋的產(chǎn)生。

為此，從混凝土配合比著手，采用具備高工作性、高抗裂能力和低收縮徐變性能的高性能混凝土，以期提高PC箱梁在施工過程中的抗裂性能。

1 寬幅閉合PC箱梁配合比優(yōu)化設(shè)計

表1 寬幅閉合PC箱梁混凝土配合比

為實現(xiàn)嘉魚橋北邊跨寬幅箱梁混凝土高工作性、高抗裂性、低收縮徐變的配制目標，配合比設(shè)計遵循低水泥用量、低用水量、骨料最大堆積密度、摻用緩凝型高性能減水劑與較大摻量礦物摻合料的原則，優(yōu)選原材料，采用純水泥、單摻粉煤灰、復(fù)摻粉煤灰及礦粉共配制11組配合比，砂率固定為40%，具體見表1。

表2 寬幅閉合PC箱梁混凝土配合比工作性與強度結(jié)果

由表2結(jié)果可知：

1)11組配合比除X0,X1,X7外，工作性滿足要求；7 d抗壓強度均超過55 MPa的設(shè)計強度，28 d強度除X10配合比外均高于試配強度66 MPa，且均有較高的富余系數(shù)。

2)在單摻粉煤灰的配合比中，隨著粉煤灰摻量增加(X7→X6→X8→X9→X10)，拌合物坍落度、擴展度增加或達到同等工作性，外加劑摻量有所降低，說明粉煤灰較好的改善了混凝土的工作性。

3)在雙摻粉煤灰與礦粉的混凝土配合比中，隨著粉煤灰摻量增加(X2→X1；X4→X3)，拌合物坍落度和擴展度增加，礦粉摻比增加使得拌合物粘聚性增大，坍落度和擴展度有所降低。

4)在X1～X7配比中，礦物摻合料總量從15%增至30%，7 d強度呈降低趨勢，但28 d強度與礦物摻合料總量關(guān)系并不明顯，說明礦物摻合料30%范圍內(nèi)對強度影響較小。

5)礦物摻合料類型對強度有一定影響，主要體現(xiàn)在同等礦物摻合料總量前提下，粉煤灰摻量較多的X1,X3配比7 d強度略低于礦粉摻量較多的X2,X4配比，但X1,X3的28 d抗壓強度較X2,X4高約5 MPa，這說明粉煤灰對混凝土后期強度的貢獻率大于礦粉。

6)提高粉煤灰摻量至20%以上，7 d,28 d強度均下降，粉煤灰摻量25%的X9配比28 d抗壓強度為70.3 MPa，滿足試配要求。

7)從7 d至28 d強度增長趨勢來看，各組配比增加幅度在7.0 MPa～21.1 MPa間，其中X9配比增進最小，相應(yīng)水化熱放熱過程更均勻。

綜合考慮粉煤灰、礦粉摻量和組成比例對混凝土工作性、抗裂性、強度、收縮徐變等的可能影響，篩選出基準X0,復(fù)摻X1及單摻X9三組配比進一步開展熱學(xué)、變形、抗裂試驗。

2 絕熱溫升試驗

依據(jù)水工混凝土試驗規(guī)程所提供的方法，采用HR-2A型混凝土熱物理參數(shù)測定儀進行測定，試驗歷時7 d，每1 h記錄一次中心溫度，得出X1,X9的7 d絕熱溫升試驗值分別為56.53 ℃,54.76 ℃。

由圖1可知，澆筑完成后的16 h～48 h為溫控的關(guān)鍵時段，X9配比較X1配比絕熱溫升試驗值低約1.8 ℃，說明粉煤灰對絕熱溫升的降低效果較礦粉明顯。

3 抗裂性能試驗

選取X0,X1,X9三組配比，采用平板法塑性干燥收縮開裂試驗驗證混凝土的抗裂性能(見表3)。

表3 平板法開裂試驗結(jié)果

與基準樣X0相比，X1的最大裂縫寬度明顯降低，單位面積裂縫數(shù)量增加15%，但單位面積上的總開裂面積降低了42%，表明粉煤灰和礦粉的摻入細化了混凝土裂縫；X9與X1相比單位面積裂縫數(shù)量在一定程度上減少，單位面積上的總開裂面積降低了47%，相比而言單摻粉煤灰的X9抗塑性收縮開裂性能優(yōu)于復(fù)摻粉煤灰及礦粉的X1。

4 混凝土自收縮、徐變試驗

自收縮試驗通過電腦讀取磁吸式多通道傳感器所感應(yīng)的線性變形來反映混凝土早期自身體積變形，試驗從混凝土初凝持續(xù)至28 d，3組配比混凝土自收縮發(fā)展曲線見圖2。

試驗結(jié)果表明7 d齡期內(nèi)自收縮值發(fā)展很快，28 d基本穩(wěn)定；礦物摻合料能夠抑制混凝土的自收縮，其中X0的3 d,7 d齡期自收縮率分別為123.1×10-6,163.6×10-6，X9對應(yīng)齡期的自收縮率降低至93.9×10-6,140.4×10-6，降幅達23.7%,14.2%，由此可見摻入適量粉煤灰對于提高混凝土的抗裂性能具有明顯益處。

眾所周知，徐變會引起預(yù)應(yīng)力損失，而國家標準規(guī)定的徐變試驗齡期為28 d。根據(jù)嘉魚橋工程實際，預(yù)應(yīng)力初張多在混凝土成型后的5 d～7 d，因此本研究徐變試驗加載齡期選擇為接近工程實際的7 d。圖3是選定配比的試樣徐變隨持荷時間的變化曲線，圖4是徐變系數(shù)曲線。

28 d齡期前徐變迅速增長，隨齡期增加，至180 d徐變基本穩(wěn)定，且礦物摻合料對減小混凝土徐變有著較為顯著的效果。相比而言，X1與X9徐變性能相差不大，180 d齡期的徐變度分別為21.3×10-6MPa,23.0×10-6MPa，徐變系數(shù)分別為1.49,1.57；較基準樣X0，X1和X9的180 d徐變度分別降低了22.8%,16.7%，徐變系數(shù)減小了16.3%,11.8%。

相比國內(nèi)其他橋梁C50～C60預(yù)應(yīng)力混凝土的徐變試驗結(jié)果，本混凝土箱梁推薦的X1,X9配合比徐變度還是較小的。

5 結(jié)語

本文針對寬幅閉合PC箱梁混凝土抗裂性能優(yōu)化研究，從混凝土配合比設(shè)計著手，通過工作性驗證及一系列的熱學(xué)、變形及抗裂試驗，得出以下結(jié)論：

1)通過配合比中礦物摻合料不同的摻量及組成比例，驗證了礦物摻合料對混凝土工作性能及后期強度增長的影響。2)通過絕熱溫升試驗，得出單摻粉煤灰對混凝土絕熱溫升的降低效果強于粉煤灰及礦粉復(fù)摻。3)自收縮及徐變試驗表明礦物摻合料對提高混凝土的抗裂性能有顯著效果。4)綜合考慮各項試驗結(jié)果，最終選取具備高工作性、高抗裂能力和低收縮徐變性能的X9配比作為嘉魚長江公路大橋北邊跨寬幅閉合PC箱梁混凝土配合比。

本研究從混凝土配合比設(shè)計處著手，通過配合比優(yōu)選及工作性、熱學(xué)、力學(xué)及抗裂性能等試驗驗證，得出最優(yōu)配比并及時將試驗成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用，從現(xiàn)場施工效果和質(zhì)量來看，所配制北邊跨寬幅閉合PC箱梁混凝土具備優(yōu)良的抗裂性能，較好的滿足了工程設(shè)計和施工需求，對今后的箱梁混凝土裂縫控制研究起到一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻：

[1] 張 方.大型混凝土箱梁裂縫研究[D].成都：西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004.

[2] 楊志強.混凝土箱梁裂縫成因分析[D].成都：西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.

[3] 趙寶俊.豎向預(yù)應(yīng)力作用下箱梁腹板的受力機理研究[D].西安：長安大學(xué)博士學(xué)位論文，2012.

[4] 李春輝.預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋開裂行為分析與加固研究[D].杭州：浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.