斜拉桥塔柱大体积混凝土抗裂性能试验研究

斜拉桥塔柱大体积混凝土抗裂性能试验研究

毛宝梅

中铁大桥科学研究院有限公司  湖北 武汉430050

摘要：本文针对斜拉桥塔柱大体积混凝土易裂的现象，提出提高混凝土轴心抗拉强度和补偿混凝土体积收缩两条路线提高混凝土抗裂能力，通过优化混凝土配合比设计，改进混凝土组分及组成比例，实现混凝土力学性能和体积稳定性的双提升，大幅减少了混凝土表面裂纹。

关键词：大体积、补偿收缩、纤维、轴心抗拉强度、体积稳定性、裂纹

一、研究背景

本文依托某跨河双塔双索面三跨连续混凝土梁斜拉桥开展相关试验研究。主塔分别由下、中、上塔柱及下、上横梁五部分组成，其中下塔柱采用C40混凝土，横梁及中、上塔柱采用C50混凝土。下塔柱底脚截面尺寸为8.6m×4.7m，下横梁处截面尺寸6.6m×3.3m，下塔柱为实心变截面。中塔柱高 43m， 上塔柱高26.5m，中、上塔柱为空心截面，截面尺寸为6.6m×3.3m，混凝土等级为 C50。

主塔塔柱分段分节浇筑，浇筑结构尺寸大， 属于大体积混凝土。主塔高度最高达124.2m，混凝土泵送高度高达150m以上，泵送难度大。同时，主塔结构位于跨河风口，风力大，昼夜温差大，混凝土内外温度应力大，失水收缩风险高，对其抗裂能力的评估及试验研究十分必要。

二、技术路线

2.1 根据模型仿真计算内部应力，建立主塔节段施工温度控制制度。同时，设置主塔混凝土施工试验段，在试验段内埋设混凝土测温传感元件，对比实际温度与仿生计算温度场，修正仿生计算模型，设置本工程施工过程控制的温控边界范围，防止混凝土芯部温度峰值、混凝土芯部与表面温度梯度、表面与环境温度差超过限制而出现开裂。

2.2 优化调整塔柱大体积混凝土配合比，提高矿物掺合料用量，降低水泥用量，使混凝土中水泥与矿物掺合料用量达到协调平衡，在保证混凝土力学性能的同时，尽可能减少混凝土水化热，削减混凝土温度峰值。

2.3 在主塔混凝土材料组成中，使用镁质抗裂剂，取代部分胶凝材料，延缓混凝土水化过程，降低混凝土水化热集中程度，同时，抗裂剂本身会在水泥水化引起体积收缩的中后期开始水化，产生体积膨胀，补偿混凝土本身的硬化收缩，维护混凝土体积稳定性。[1]

2.4 优选无机及有机纤维，适当掺入至混凝土中，增加混凝土韧性及抗变形能力，提高混凝土抗拉强度，提高混凝土的抗裂保证系数。

三、原材料

本研究所用主要混凝土原材料如下：

水泥，采用P·O 42.5水泥，比表面积335m2/kg，7d强度28.1MPa，28d强度49.2MPa，初凝时间215min，终凝时间260min，符合GB 175-2017要求。

粉煤灰，采用F类Ⅰ级粉煤灰，烧失量3.9%，细度9.0%，需水量比93%，符合GB/T 1596-2017要求。

河砂，细度模数3.1，含泥量1.5%，符合JTG/T 3650-2020要求。

碎石，压碎值6.7%，针片状含量4.8%，符合JTG/T 3650-2020要求。由5-10mm及16-25mm两档混合而成，通过筛分试验，最佳混合比例为2:8。

外加剂，采用聚羧酸高性能缓凝型减水剂，符合GB 8076-2008要求。

镁质膨胀剂，氧化镁含量大于80%，20℃时限制膨胀率为0.019%，40℃时限制膨胀率为0.038%，符合CBMF 19-2017要求。

玄武岩短切纤维，密度2.65g/cm3，直径15μm，长度18mm，抗拉强度≥1050MPa，能够显著提高混凝土抗裂能力。

聚丙烯纤维，断裂强度635MPa，初始模量5.2GPa，符合GB/T 21120-2007要求。

按照JGJ 55-2011设计并经试验室基准试验验证，得到基准配合比如下：

表 1塔柱混凝土基准配合比(kg/m3)

四、试验研究

以本工程3#墩某节段试验段为研究对象，在墩身内埋设温度及应力传感器，对混凝土内部及表面温度场进行修正并分析。

通过温度场分析，发现，混凝土芯部温度最高超过75℃，且70℃以上持续时间长。混凝土侧表面中心位置到达温峰时间为5d，最高温度为60℃。里表温峰梯度较大，若混凝土表面降温速率过快,容易出现内部及表面大温差现象，进而出现裂纹。

图1 塔柱测温元件埋设示意图          图2混凝土内部温度变化趋势图

为此，本试验围绕降低混凝土芯部温度峰值、提高混凝土自身抗拉强度开展试验，同时混凝土工作性能必须兼顾泵送施工要求。

本文按照单一变量法，对主塔中C50及C40混凝土进行配合比优化设计和试配。其中，氧化镁抗裂剂采用等量替代胶材的方式掺加，聚丙烯纤维和玄武岩纤维采用外掺的方式掺加。

4.1 抗裂剂限制膨胀率试验

以C50塔柱实心段混凝土为基准，开展掺抗裂剂试验，验证抗裂剂的补偿收缩效果。膨胀剂掺量经过厂家指导的膨胀率进行计算，每方混凝土掺入36kg，可替代水泥、粉煤灰或同时等量或不等量替代，本次研究采用等量替代水泥和粉煤灰进行试验。

表2  掺抗裂剂与空白组对比试验配合比

按上述组分配料试拌并成型试件，测试混凝土试件的限制膨胀率。镁质抗裂剂的限制膨胀率随有一定变化，本次试验设定养护温度为20℃，与本工程塔柱试验段施工期间环境温度相仿。

表3 掺抗裂剂与空白组限制膨胀率试验结果

从试验数据可以看到，掺抗裂剂的对比组混凝土限制膨胀率均高于空白组，且随着龄期的增长，效果愈加明显。说明，在混凝土中掺入抗裂剂能够产生一定的体积膨胀，补偿混凝土自身的体积收缩，有利于降低开裂风险。

4.2 纤维试验

本次试验选用无机玄武岩纤维和有机聚丙烯纤维作为试验研究对象开展对比试验，其中，根据纤维对水泥胶砂试验结果的影响，玄武岩及聚丙烯纤维掺入量均设置在0.9kg/m3。

表4  纤维与空白组对比试验配合比

按上述组分配料试拌并成型试件，测试混凝土试件的轴心抗拉强度，同时，观察试验段塔柱混凝土表面裂纹情况，进行比对。

表5 纤维与空白组对比试验结果

通过对各组配合比的工作性、力学性能及实体外观进行比较分析发现，掺加抗裂纤维（聚丙烯或玄武岩纤维）和氧化镁抗裂剂对改善主塔混凝土外观裂纹具有较好的作用，但同时，掺加抗裂纤维或抗裂剂对混凝土工作性及立方体抗压有一定的影响，其中，使用氧化镁抗裂剂等量替代水泥时，早期强度下降明显，后期强度有一定的下降；外掺聚丙烯纤维时，影响混凝土拌和物的流动性，对泵送施工有一定影响。掺加抗裂剂后，能够有效提升混凝土的轴心抗拉强度，其中，聚丙烯纤维效果更佳，能够有效改善混凝土的抗裂保证系数，降低开裂风险。

五、抗裂机理分析

（一）抗裂纤维作用机理

水泥混凝土在硬化过程中，由于塑性收缩和干缩容易使混凝土在内部和表面产生微裂纹。绝大部分的微裂纹发展是在混凝土的强度生长期内完成的，此时混凝土的抗拉强度较小。在混凝土中加入纤维后，纤维能轻易迅速均匀分散在混凝土中形成一种乱向支撑体系，分散了混凝土的定向应力，阻止混凝土中原生裂纹的发生和发展，消除或减少原生微裂纹的数量和尺度，大大提高了混凝土防裂抗渗能力，改善混凝土韧性，从而延长混凝土的使用寿命。[3]另外由于纤维本身具有一定的强度，纤维均匀分散在混凝土中并形成的锚固作用，其在瞬间可吸收一定的破坏能量。

（二）氧化镁抗裂剂作用机理

氧化镁在混凝土水化过程中，能够与水发生作用，产生体积膨胀。[4]通过建立温度及应力模型，对大体积混凝土内部进行分析发现，氧化镁的掺入可在该大体积混凝土中产生最高178～190με膨胀微应变,该应变对于补偿拆模后温度下降段的温度收缩应力具有积极的作用，能够有效抑制因干缩产生的裂纹[5][6]。

六、结论

1.在斜拉桥塔柱混凝土中掺入镁质抗裂剂，能够补偿混凝土中后期体积收缩，维持混凝土的体积稳定性。

2.在斜拉桥塔柱混凝土中掺入抗裂纤维，能够提高混凝土的轴心抗拉强度，提高混凝土的抗裂保证系数，并且，有机纤维在力学性能方面的表现优于无机纤维，但有机纤维相较于无机纤维，对混凝土的工作性影响较大。

3.斜拉桥塔柱大体积混凝土的抗裂核心仍然是削减水化热产生的内部温度峰值和执行温度控制制度，在满足温控的情况下，研究提升混凝土自身抗裂能力方有意义。

参考文献：

[1]基于温度-应力试验的掺膨胀剂混凝土抗裂性能研究[J].纪宪坤，刘猛，向飞，饶蔚兰，王海龙，刘勇.混凝土与水泥制品.2020（02）；

[2]浅谈膨胀剂在混凝土中的作用机理与应用要点[J].胡敏，杨广，贺念，饶蔚兰.四川建材,2022(11)；

[3]关于大体积混凝土裂缝控制问题的探讨[J].张鑫.建材与装饰2018(03)；

[4]论膨胀剂在防水混凝土中的正确应用[J].王进潮.科学之友.2011(10)；

[5]镁质抗裂剂在地下工程中的应用研究.王兵光，刘拼.混凝土世界.2022(01);

[6]镁质混凝土抗裂剂在大体积筏板中应用研究.李从号,侯维红,王海龙,凡涛涛,刘虎.中国硅酸盐学会，第七届全国混凝土膨胀剂学术交流会论文集。