張 豐，白 銀，張金康，祝燁然，寧逢偉，呂樂樂，胡海明

(1.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029；2.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京 210029； 3.南京市公路事業(yè)發(fā)展中心，南京 252000；4.南京瑞迪高新技術(shù)有限公司，南京 210024)

0 引 言

預(yù)制裝配式橋梁在交通工程中發(fā)展快速，需要進行大量構(gòu)件預(yù)制，且一般為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，其耐久性風(fēng)險主要來源于混凝土開裂(膠凝材料用量大、水膠比低、水泥等級高，再加上砂石骨料品質(zhì)波動大，構(gòu)件開裂風(fēng)險大)。裂縫一旦發(fā)生，很難處理；裂縫嚴重的，混凝土構(gòu)件要重新澆筑。針對預(yù)制構(gòu)件中裂縫的形成機理多基于Griffith微裂紋理論，即在外力作用下，每個預(yù)制構(gòu)件中即有微裂紋或缺陷周圍會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，當應(yīng)力達到一定值時，裂紋開始擴展，進而形成裂縫甚至發(fā)生構(gòu)件斷裂現(xiàn)象。

減小混凝土收縮是提高預(yù)制裝配式橋梁抗裂性能的基本途徑[1-2]。實際工程中，除對混凝土組成和配比進行優(yōu)化外，摻膨脹劑、減縮劑等抗裂材料是混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制可選擇的有效途徑[3-5]。著名學(xué)者Shah等[6]把摻混凝土減縮劑列為預(yù)防混凝土收縮開裂的兩個措施之一，我國學(xué)者20世紀90年代初開始關(guān)注國外減縮劑的技術(shù)發(fā)展[7]，已研制開發(fā)出不同類型的減縮劑[8]，相關(guān)產(chǎn)品(如JSJ減縮劑)已在工程上應(yīng)用[9]，但由于價格太高，一定程度上制約了減縮劑的推廣應(yīng)用[10-11]。減縮劑的主要作用機理是降低混凝土孔隙水的表面張力，從而減小毛細孔失水時產(chǎn)生的收縮應(yīng)力[12-13]。在減少收縮方面，一些成熟減縮劑產(chǎn)品報告中提到減縮劑可使混凝土28 d和最終干燥收縮分別降低50%～80%和25%～50%[14]。Tazawa等[15-16]研究表明，減縮劑除了對降低水泥基材料干燥收縮有效外，對自收縮同樣有效。膨脹劑的作用原理是在水泥水化反應(yīng)早期，利用膨脹劑自身水化產(chǎn)生具有較大膨脹性水化產(chǎn)物來實現(xiàn)對混凝土收縮的控制和補償[17]，以防止混凝土開裂[18-19]。但除了存在高溫(60 ℃以上)穩(wěn)定性以及延遲膨脹的問題[20]，膨脹劑要發(fā)揮膨脹作用，其對水分要求較高，高強混凝土內(nèi)部是否有足夠水分可供膨脹劑水化，摻膨脹劑之后是否會進一步加劇混凝土內(nèi)外收縮差，這些問題還需要進一步研究[21]。

本文針對裝配式混凝土最易出現(xiàn)裂縫的箱梁結(jié)構(gòu)混凝土，在測試C50混凝土力學(xué)、變形、抗裂、熱學(xué)性能基礎(chǔ)上，采用B4Cast軟件仿真分析構(gòu)件混凝土的溫度、應(yīng)力發(fā)展規(guī)律以及開裂趨勢、開裂特征，并研究膨脹劑、減縮劑對箱梁混凝土的防裂效果。

1 實 驗

1.1 原材料

1.1.1 水泥

采用臺泥水泥有限公司生產(chǎn)的P·II 52.5水泥，按GB/T 176—2017《水泥化學(xué)分析方法》測定其部分化學(xué)組成，如表1所示。水泥的物理性能如表2所示，比表面積為379 m2/kg，標準稠度用水量為27.7%，3 d、7 d水化熱分別達294 kJ/kg和335 kJ/kg，水泥膠砂7 d、28 d抗壓強度分別為35.1 MPa、60.8 MPa，所檢指標均滿足GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的技術(shù)要求。

表1 水泥部分化學(xué)組成Table 1 Part chemical composition of Portland cement

表2 水泥物理性能Table 2 Physical properties of Portland cement

1.1.2 骨料

細骨料：采用天然砂，細度模數(shù)2.7，屬于II區(qū)中砂,其含泥量約為1.8%，表觀密度為2 650 kg/m3，天然砂相關(guān)品質(zhì)指標均滿足JTG/T F50—2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定。

粗骨料：采用5～25 mm連續(xù)級配石灰?guī)r碎石，由粒徑5～16 mm、16～25 mm的兩級碎石按質(zhì)量比4 ∶6摻配而成。粗集料粒形較好，顆粒飽滿，泥塊含量約為0.1%，表觀密度為2 750 kg/m3；針片狀含量達7.6%，壓碎值稍偏高，達到18.9%。碎石的相關(guān)品質(zhì)指標滿足JTG/T F50—2011中II類以上碎石的技術(shù)要求。

1.1.3 減水劑

采用北京百瑞吉BRJ-YJ聚羧酸高性能減水劑，固含量17.8%(質(zhì)量分數(shù))，推薦摻量1.20%(質(zhì)量分數(shù)，下同)，減水率29.0%，滿足GB 8076—2008《混凝土外加劑》中高性能減水劑(緩凝型)的技術(shù)要求。

1.1.4 抗裂材料

膨脹劑：采用南京瑞迪高新技術(shù)有限公司生產(chǎn)的CaO類復(fù)合膨脹劑，主要成分是輕燒氧化鈣、硫鋁酸鈣等。膨脹劑的物理力學(xué)性能檢測結(jié)果見表3，均滿足GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》中II型膨脹劑的相關(guān)技術(shù)要求。

表3 膨脹劑物理力學(xué)性能Table 3 Physical and mechanical properties of expansion agent

減縮劑：采用南京瑞迪高新技術(shù)有限公司生產(chǎn)的402F型減縮劑，濃度約為50%(質(zhì)量分數(shù)，下同)，摻量為2%～4%(質(zhì)量分數(shù))。其為一種聚醚類減縮型外加劑，憑借獨特的分子結(jié)構(gòu)能顯著降低硬化混凝土毛細孔溶液的表面張力，從而有效減少混凝土體積收縮。

1.2 試驗方法

1.2.1 力學(xué)性能試驗

立方體抗壓強度測試：參照JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》，成型150 mm×150 mm×150 mm混凝土試件，測定其7 d、28 d和90 d抗壓強度。

軸拉性能測試：參照SL 352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》中軸向拉伸試驗方法，成型100 mm×100 mm×515 mm試件，測試其軸心抗拉強度、抗拉彈性模量和極限拉伸值。

1.2.2 開裂試驗

圓環(huán)開裂試驗：參照ASTM C 1581進行混凝土圓環(huán)法抗裂性試驗，將混凝土拌合物中砂漿用5 mm篩篩出，澆筑在圓環(huán)狀試模中，24 h后用石蠟密封頂部，然后拆去外環(huán)試模，放置于溫度(20±2) ℃、相對濕度(60±5)%的環(huán)境中。在鋼環(huán)內(nèi)壁貼應(yīng)變片，采用靜態(tài)應(yīng)變儀采集應(yīng)變片的讀數(shù)，并記錄圓環(huán)開裂時間。

平板開裂試驗：參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中混凝土早期抗裂試驗方法，澆筑600 mm×600 mm×100 mm平薄板混凝土試件。試驗進行(24±0.5) h后，測量每條裂縫的最大寬度，計算每條裂縫平均開裂面積、單位面積的裂縫數(shù)目以及單位面積上的總開裂面積。

1.2.3 變形性能試驗

干縮測試：參照JTG E30—2005，成型100 mm×100 mm×515 mm試件。標準養(yǎng)護48 h拆模后放入干縮室，采用LVDT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測試試件長度隨養(yǎng)護齡期的變化。干縮室溫度為(20±2) ℃，相對濕度為(60±5)%。

自生體積變形測試：參照SL 352—2006中混凝土自生體積變形測試方法，成型φ200 mm×500 mm試件，內(nèi)埋DI-15型差動式電阻應(yīng)變計，取澆筑后24 h的讀數(shù)作為基準值，測試混凝土試件應(yīng)變隨養(yǎng)護齡期的變化。

1.2.4 膠凝材料水化熱

采用TAM AIR II熱導(dǎo)式等溫量熱儀，恒溫20 ℃，測試膠凝材料0～7 d的水化熱，固定膠凝材料總質(zhì)量8.00 g、水膠比(W/B)0.34。試驗操作參照ASTM C1679—08“Standard practice for measuring hydration kinetics of hydraulic cementitious mixtures using isothermal calorimetry”進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 C50箱梁混凝土基本性能

2.1.1 配合比和工作性

選用某公路改擴建工程用C50箱梁混凝土配合比為基礎(chǔ)，采用P·II 52.5水泥，外摻5%膨脹劑(PZ)、3%減縮劑(JS)、5%膨脹劑+3%減縮劑(按膠凝材料質(zhì)量分數(shù)計，下同)，經(jīng)試拌調(diào)整后確定4組混凝土配合比如表4所示，調(diào)整減水劑用量控制拌合物坍落度相當。參照GB/T 50080—2012《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》，測得各組拌合物的坍落度、表觀密度、含氣量等指標，如表5所示。摻3%減縮劑(C50-JS)時，坍落度達205 mm，膨脹劑與減縮劑復(fù)摻(C50-PZ+JS)時，坍落度也達到了200 mm，坍落度增大較為明顯；而膨脹劑的摻入對拌合物工作性影響不大。各組混凝土拌合物坍落度在180～205 mm之間，含氣量在1.8%～2.7%(體積分數(shù))之間，表觀密度在2 490～2 520 kg/m3之間，滿足裝配式預(yù)制混凝土構(gòu)件澆筑施工性能的要求。液體減縮劑濃度約為50%，摻3%減縮劑(C50-JS)時，需適當降低減水劑的摻量。

表4 C50混凝土配合比Table 4 Mix ratio of C50 concrete

表5 C50混凝土工作性Table 5 Workability of C50 concrete

2.1.2 抗裂性能

(1)平板開裂

摻膨脹劑、減縮劑、膨脹劑+減縮劑不同抗裂材料和對比樣(C50-Blank)4組混凝土的平板開裂情況如圖1所示，相應(yīng)的裂縫數(shù)目、開裂面積統(tǒng)計結(jié)果如表6所示。由表6可知，C50-Blank單位面積裂縫為19.4條，每條裂縫平均開裂面積為16 mm2，總開裂面積達到了310 mm2/m2?？沽巡牧系膿饺耄煌潭忍岣吡薈50混凝土早期的抗裂性，單位面積總開裂面積均有所下降。減縮劑較膨脹劑對改善混凝土早期抗裂效果更為顯著，總開裂面積為33 mm2/m2，較C50-Blank降低了89%，這是因為減縮劑降低了混凝土中的毛細孔負壓，可有效減小混凝土早期的收縮變形，從而改善早期抗裂性。膨脹劑也降低混凝土早期單位面積總開裂面積約68%,膨脹劑中氧化鈣等組分水化反應(yīng)產(chǎn)生體積膨脹，在平板四周約束條件下產(chǎn)生一定壓應(yīng)力，從而可部分抵消混凝土失水體積收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力。膨脹劑與減縮劑復(fù)摻(C50-PZ+JS)時，產(chǎn)生的裂縫數(shù)量少、寬度小，總開裂面積僅為17 mm2/m2，較C50-Blank降低了95%，效果顯著。

(2)圓環(huán)開裂

摻膨脹劑、減縮劑、膨脹劑+減縮劑抗裂材料和對比樣4組混凝土的圓環(huán)開裂情況如圖2所示，對應(yīng)各組混凝土圓環(huán)開裂時間如表7所示。由表7可知，C50-Blank圓環(huán)開裂時間約為52 h，抗裂材料的摻入使圓環(huán)開裂時間均有不同程度延后。減縮劑對改善圓環(huán)法抗裂性效果明顯，摻減縮劑C50混凝土圓環(huán)開裂時間均在7 d之后(7～14 d)，其中C50-JS、C50-PZ+JS較對比樣分別延后170 h(約7 d)、227.5 h(約9.5 d)；單摻膨脹劑(C50-PZ)時，C50混凝土圓環(huán)開裂時間也延后了105.5 h?？傮w來說，膨脹劑、減縮劑復(fù)摻時對改善圓環(huán)法抗裂性作用效果明顯，圓環(huán)開裂時間延長超7 d。

圖1 混凝土平板開裂情況Fig.1 Cracking of concrete slabs

表6 混凝土平板開裂試驗結(jié)果Table 6 Cracking test results of concrete slabs

圖2 混凝土圓環(huán)開裂情況Fig.2 Cracking of concrete rings

表7 混凝土圓環(huán)開裂試驗結(jié)果Table 7 Cracking test results of concrete rings

2.1.3 力學(xué)性能

(1)立方體抗壓強度

圖3 C50混凝土立方體抗壓強度Fig.3 Cube compressive strength of C50 concrete

標養(yǎng)條件下，摻不同抗裂材料C50混凝土的7 d、28 d和90 d立方體抗壓強度結(jié)果如圖3所示。C50-Blank的7 d、28 d和90 d抗壓強度分別達60.6 MPa、68.3 MPa和74.6 MPa，由于裝配式預(yù)制混凝土構(gòu)件3～7 d預(yù)應(yīng)力張拉需要，混凝土強度等級高，且早期強度發(fā)展較快，不到7 d即可滿足裝配式預(yù)制混凝土構(gòu)件預(yù)應(yīng)力張力的指標要求(抗壓強度50 MPa)。

膨脹劑、減縮劑、膨脹劑+減縮劑等抗裂材料的摻入，對混凝土抗壓強度影響不大。僅減縮劑使C50混凝土抗壓強度稍有降低但影響不明顯，7 d、28 d、90 d抗壓強度較對比樣分別降低了4.4%、9.9%和9.4%。膨脹劑與減縮劑復(fù)摻時，混凝土各齡期抗壓強度均處于C50-PZ和C50-JS兩組之間?？傮w來說，摻不同抗裂材料對混凝土抗壓強度影響不大。

(2)軸心抗拉性能

表8給出了摻不同抗裂材料C50混凝土7 d、28 d和90 d抗拉性能測試結(jié)果。由表可知，各組混凝土極限拉伸值均在28 d時最大。C50-Blank的7 d、28 d和90 d極限拉伸值分別達136 με、160 με和123 με。3種抗裂材料中，膨脹劑的摻入會使各齡期極限拉伸值均有所增大，而減縮劑使各齡期極限拉伸值有不同程度減??；C50-PZ+JS的7 d、28 d和90 d極限拉伸值分別達146 με、166 με和125 με，較對比樣提高了2%～7%，這說明膨脹劑與減縮劑復(fù)摻可增大C50混凝土的拉伸變形性能，從而提高混凝土抗裂性。

4組混凝土軸心抗拉強度、抗拉彈性模量則均隨齡期延長而逐漸提高，C50-Blank的7 d、28 d和90 d抗拉強度分別達4.14 MPa、4.66 MPa和5.02 MPa。不同抗裂材料的摻入，對混凝土抗拉強度影響不大，7 d抗拉強度為3.74～4.19 MPa，28 d抗拉強度在4.33～4.68 MPa之間。其中，減縮劑的摻入使C50混凝土各齡期抗拉強度略有降低。各組C50混凝土7 d、28 d和90 d抗拉彈性模量分別為33.5～35.0 GPa、34.2～38.2 GPa和43.6～46.8 GPa。

表8 C50混凝土抗拉性能Table 8 Tensile properties of C50 concrete

2.1.4 變形性能

(1)自生體積變形

摻不同抗裂材料C50混凝土的自生體積變形隨齡期變化如圖4所示。各齡期下C50-Blank自生體積變形均最大，7 d、21 d、61 d、96 d自生體積收縮變形值分別達到-53 με、-74 με、-96 με和-100 με。膨脹劑、減縮劑的摻入均減小了混凝土自生體積變形，且各組混凝土水化反應(yīng)至96 d后趨于穩(wěn)定。

減縮劑較膨脹劑對減小C50混凝土自生體積變形效果更為明顯，尤其是46 d之前，7 d、21 d、96 d自生體積收縮變形值分別為-17 με、-35 με和-64 με，較C50-Blank分別減小了68%、53%和36%。單摻5%膨脹劑時，混凝土2 d前體積表現(xiàn)為“膨脹”，之后隨齡期延長自生體積收縮變形逐漸增大，至96 d體積穩(wěn)定時，自生體積收縮變形值為-64 με，較C50-Blank減小了36%；膨脹組分水化反應(yīng)產(chǎn)生體積膨脹，抵消了部分收縮變形。膨脹劑與減縮劑復(fù)摻時，對減小C50混凝土自生體積變形效果最佳，7 d、21 d、96 d自生體積收縮變形值分別為-13 με、-16 με和-37 με，較C50-Blank分別減小了75%、78%和63%。

(2)干縮

圖5為摻不同抗裂材料C50混凝土的干縮變形隨齡期變化曲線。各組混凝土干縮變化趨勢相同，C50-Blank干縮變形最大，變形至145 d后才能趨于穩(wěn)定，干縮變形值達到了-400 με，這表明在約束條件下若不對C50混凝土進行合理規(guī)范的養(yǎng)護，其產(chǎn)生收縮裂縫的風(fēng)險很高。

圖4 C50混凝土自生體積變形隨時間變化曲線Fig.4 Change curves of C50 concrete autogenous volume deformation with time

圖5 C50混凝土干縮變形隨時間變化曲線Fig.5 Change curves of C50 concrete dry shrinkage deformation with time

與自生體積變形結(jié)果類似，摻膨脹劑混凝土也僅在早期(3 d)表現(xiàn)為體積膨脹，可抵消部分收縮變形；減縮劑對減小混凝土干縮效果較為明顯，且齡期越早，效果越明顯。此外，相同抗裂材料對C50混凝土干縮的影響程度均要小于對自生體積變形的影響，作用效果減小近一半。摻3%減縮劑混凝土，7 d、21 d、145 d干縮值較C50-Blank分別減小了45%、36%和25%，干縮變形至145 d趨于穩(wěn)定，干縮值為-302 με。膨脹劑與減縮劑復(fù)摻時，對減小C50混凝土干縮效果最佳，145 d干縮變形值為-250 με，較C50-Blank減小了38%。

2.1.5 膠凝材料水化熱

圖6為摻不同抗裂材料C50混凝土膠凝材料0～7 d的水化放熱曲線。各體系膠凝材料加水后迅速發(fā)生水化反應(yīng)并放出熱量，且隨著齡期的延長水化放熱速率先增大后減緩，膠凝材料水化放熱主要集中在3 d(72 h)前，不同膠凝材料體系3 d累計放熱量達到了80%～90%。20 ℃恒溫條件下，C50-Blank膠凝材料水化1 d、3 d、7 d累計放熱量分別為157.0 J/g、271.4 J/g和319.1 J/g。減縮劑的摻入會降低膠凝材料水化放熱速率，峰值出現(xiàn)時間較對比樣延后了近4 h，從而使水化放熱量減小，早期效果尤為明顯，0.5 d和1 d累計放熱量分別減小了26%和28%，7 d累計放熱量也減小了6%。這說明減縮劑的摻入一定程度延緩了膠凝材料的水化反應(yīng)，1 d前作用明顯，對改善混凝土抗溫度應(yīng)力開裂性能有利，這也是摻減縮劑使混凝土力學(xué)性能降低的原因。膨脹劑的摻入會使膠凝材料水化放熱量略有增大，7 d累計放熱量為329.1 J/g(增大3%)。膨脹劑與減縮劑復(fù)摻時，最大放熱速率減小至0.002 5 W/g，但峰值出現(xiàn)時間較對比樣略有提前(提前0.8 h)，膠凝材料各齡期水化放熱量較C50-Blank略有降低。

圖6 C50混凝土膠凝材料水化放熱曲線Fig.6 Hydration heat release curves of C50 concrete cementing materials

2.2 箱梁混凝土溫度應(yīng)力三維仿真分析

“外病內(nèi)治”，根據(jù)2.1節(jié)摻不同抗裂材料C50混凝土基本性能的測試結(jié)果，從水化熱、力學(xué)性能、抗裂性能和變形性能綜合考慮，優(yōu)選5%膨脹劑+3%減縮劑的防裂方案。采用B4Cast軟件仿真分析箱梁構(gòu)件混凝土的溫度、應(yīng)力發(fā)展規(guī)律和開裂趨勢、開裂特征，研究膨脹劑與減縮劑復(fù)摻對箱梁混凝土的防裂效果。

B4Cast是一種基于有限元分析和3D模擬的混凝土結(jié)構(gòu)溫度歷程和應(yīng)力發(fā)展分析軟件。只需在計算過程中提供施工方法、熱邊界條件以及混凝土熱物理性能和力學(xué)性能參數(shù)，進行建模后即可計算不同混凝土結(jié)構(gòu)的溫度場和應(yīng)力場。

2.2.1 幾何模型

參照某公路改擴建工程主線橋梁上部結(jié)構(gòu)采用的預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制小箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸，分左上、右上、左下、右下四部分輸入截面坐標進行建模(箱梁長z=17.5 m)。外部環(huán)境溫度20 ℃，混凝土澆筑溫度20 ℃，拆模時間18 h，外部傳熱模式為通風(fēng)。

2.2.2 材料參數(shù)

參照SL 352—2006，采用HR-3混凝土熱物理參數(shù)測試儀測得C50-Blank和C50-PZ+JS兩組混凝土的熱學(xué)性能參數(shù)如表9所示，膨脹劑+減縮劑抗裂材料對C50混凝土的熱學(xué)性能影響不大。不同配比混凝土抗壓強度、軸拉強度、彈性模量的成熟度函數(shù)參數(shù)A、B、C擬合結(jié)果如表10所示，各組相關(guān)系數(shù)R2基本達到了0.98。

表9 C50混凝土材料熱學(xué)性能參數(shù)Table 9 Thermal performance parameters of C50 concrete

表10 C50混凝土力學(xué)性能參數(shù)擬合結(jié)果Table 10 Fitting results of mechanical properties parameters of C50 concrete

圖7 C50-Blank箱梁混凝土溫度場計算結(jié)果Fig.7 Temperature field calculation results of C50-Blank box girder concrete

2.2.3 溫度場分析

C50-Blank箱梁混凝土溫度場分析結(jié)果如圖7所示，相應(yīng)不同澆筑部位的溫峰場計算結(jié)果見表11。除兩端面外，箱梁結(jié)構(gòu)任一橫截面分別在左上部、右上部和底部存在3個熱量聚集點，溫度較高，而箱梁結(jié)構(gòu)表層混凝土溫度相對較低。箱梁上部、下部結(jié)構(gòu)的溫峰值、溫峰出現(xiàn)時間不盡相同，上部混凝土結(jié)構(gòu)體心處在15.3 h時溫度達到最大值36.3 ℃，表層溫峰值為27.1 ℃，與外部環(huán)境最大溫差為16.3 ℃；下部結(jié)構(gòu)體心溫峰值達到了38.3 ℃，較上部結(jié)構(gòu)溫峰值更高，體心溫峰出現(xiàn)時間為15.9 h，與外部環(huán)境最大溫差為18.3 ℃。從溫差值來看，箱梁結(jié)構(gòu)下部混凝土較上部產(chǎn)生溫降收縮裂縫的風(fēng)險更大，且體心溫峰和表層溫峰出現(xiàn)時間均在15～16 h，接近混凝土模板的撤除時間18 h，溫峰后溫降速率較大，從溫峰至25 ℃溫降速率約為0.55 ℃/h。

摻膨脹劑與減縮劑時，箱梁混凝土溫度場變化明顯，上部、下部結(jié)構(gòu)的體心和表層溫峰值均有3～4 ℃的降低，上部、下部結(jié)構(gòu)與外部環(huán)境最大溫差分別為12.6 ℃和14.3 ℃，溫差最大值較C50-Blank降低了4 ℃，因此混凝土的溫降收縮也會有所減小。

表11 箱梁混凝土不同澆筑部位的溫度場計算結(jié)果Table 11 Calculation results of temperature field of concrete in different pouring parts of box girder

2.2.4 應(yīng)力場分析

計算自澆筑開始至200 h過程中，C50-Blank箱梁混凝土應(yīng)力場分析結(jié)果如圖8所示。箱梁上部、下部結(jié)構(gòu)混凝土體心處的拉應(yīng)力小，而表層拉應(yīng)力較大，分別在翼板兩側(cè)(上部)和底板兩側(cè)拐角(下部)應(yīng)力達到最大。進一步分析可知，水化反應(yīng)至約17 h時，翼板兩側(cè)所受拉應(yīng)力達到最大，約為0.8 MPa；水化反應(yīng)至約19 h時，底板距離箱梁兩端約0.5 m處，兩側(cè)拐角所受拉應(yīng)力達到最大，約為0.9 MPa。

圖8 C50-Blank箱梁混凝土應(yīng)力場計算結(jié)果(z軸、y軸)Fig.8 Calculation results of C50-Blank box girder concrete stress field (z axis and y axis)

由于混凝土體心處熱交換小、溫度高，強度發(fā)展較快；混凝土表層與外部環(huán)境熱交換大、溫度低，強度發(fā)展較慢，因而混凝土表層更容易產(chǎn)生裂縫。圖9為C50-Blank箱梁上部、下部表層最大拉應(yīng)力的發(fā)展歷程，同時給出了相應(yīng)抗拉強度的發(fā)展歷程，應(yīng)力計算結(jié)果見表12，其中σx、σy和σz分別表示x、y、z三個方向上的主應(yīng)力，ft為混凝土抗拉強度。將混凝土所受最大拉應(yīng)力與同時刻混凝土抗拉強度進行比較，計算可得相應(yīng)的抗裂安全系數(shù)(比值)，用以評價混凝土的抗裂安全性高低。

C50-Blank箱梁混凝土在200 h內(nèi)，表層混凝土的抗拉強度均高于所受的拉應(yīng)力，這說明混凝土在此工況條件下，干縮和溫降產(chǎn)生的應(yīng)力不足以導(dǎo)致混凝土開裂。進一步分析可知，上部結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力為0.9 MPa，最大拉應(yīng)力時間為17 h，計算得到抗裂安全系數(shù)為1.06；下部結(jié)構(gòu)澆筑后17 h拉應(yīng)力最大，為0.9 MPa，相應(yīng)的抗裂安全系數(shù)為1.12。由此可知，箱梁結(jié)構(gòu)中上部翼板兩側(cè)開裂風(fēng)險最大，C50-Blank混凝土的抗裂安全系數(shù)為1.06。

膨脹劑與減縮劑摻入后，使箱梁混凝土所受的最大拉應(yīng)力降低，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)時間延后，而由于時間的延后使得最大拉應(yīng)力對應(yīng)的混凝土抗拉強度則有所提高，此消彼長，從而使得混凝土抗裂安全性提高,抗裂風(fēng)險降低。膨脹劑+減縮劑復(fù)摻時，箱梁混凝土所受最大拉應(yīng)力僅有0.43 MPa，最大拉應(yīng)力時間延后至21 h，各部位混凝土抗裂安全系數(shù)最小值為3.05，較C50-Blank增大了187%。

由箱梁混凝土的溫度場、應(yīng)力場結(jié)果可知，5%膨脹劑+3%減縮劑復(fù)摻可降低混凝土結(jié)構(gòu)溫峰達4 ℃，所受最大拉應(yīng)力為0.43 MPa，較C50-Blank降低52%，混凝土抗裂安全系數(shù)明顯增大。由于箱梁混凝土的溫降速率較大(0.55 ℃/h)，但溫峰出現(xiàn)時間在拆模之前，且總體內(nèi)外溫差較小(16～18 ℃)，表層混凝土的抗拉強度高于最大拉應(yīng)力，因而可考慮采取以下防裂措施：(1)摻用5%膨脹劑+3%減縮劑的抗裂材料，降低溫峰，減小收縮；(2)適當覆蓋保溫，減小溫降速率；(3)加強拆模后混凝土表面養(yǎng)護，減少空氣對流和太陽直射，加強噴淋保濕，減小混凝土的干縮變形；(4)優(yōu)化混凝土配合比[22]，保證混凝土力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，降低水泥用量，摻優(yōu)質(zhì)粉煤灰，選擇適宜水膠比。

圖9 C50-Blank箱梁不同澆筑部位應(yīng)力、抗拉強度發(fā)展歷程Fig.9 Development of stress and tensile strength of C50-Blank box girder at different placement sites

表12 箱梁混凝土應(yīng)力場計算結(jié)果Table 12 Calculation results of box girder concrete stress field

3 結(jié) 論

(1)箱梁混凝土強度等級高且早期力學(xué)性能發(fā)展快，7 d抗壓強度達60.6 MPa；但抗裂性較差，早期平板總開裂面積達310 mm2/m2，圓環(huán)開裂時間約為52 h。箱梁混凝土與外部環(huán)境最大溫差為16～18 ℃，溫降速率約為0.55 ℃/h，在翼板兩側(cè)和底板兩側(cè)拐角處混凝土表層拉應(yīng)力達到最大，分別約為0.8 MPa和0.9 MPa。

(2)膨脹劑、減縮劑的摻入對C50混凝土拌合物工作性、力學(xué)性能、熱學(xué)性能影響不大，僅單摻減縮劑會使混凝土力學(xué)性能略有降低。

(3)減縮劑對改善混凝土早期開裂效果較好，且減縮劑的摻入會降低膠凝材料水化放熱速率，從而使水化放熱量減小。

(4)膨脹劑與減縮劑復(fù)摻時，平板總開裂面積可降低95%，圓環(huán)開裂時間延后9.5 d，混凝土抗裂性能改善明顯；可使C50混凝土自生體積收縮變形減小63%～78%，干縮減小38%；可降低箱梁混凝土結(jié)構(gòu)溫峰達4 ℃，降低最大拉應(yīng)力52%，混凝土抗裂安全系數(shù)可達3.05，開裂風(fēng)險明顯下降。