樹文新， 焉學(xué)永， 楊軍珊， 焦隆華

(湖南省永龍高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 永順　416700)

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硅粉聚丙烯纖維混凝土應(yīng)用于大跨PC剛構(gòu)橋0#塊的試驗(yàn)與分析

樹文新， 焉學(xué)永， 楊軍珊， 焦隆華

(湖南省永龍高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 永順416700)

摘要：大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋以其便捷的施工工藝及實(shí)用性在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用，然而普通混凝土的抗拉性能很弱，在早期容易受水化熱、收縮徐變等因素的影響產(chǎn)生裂縫。依托龍永高速紅巖溪特大橋，通過研究硅粉聚丙烯纖維混凝土的力學(xué)性能，運(yùn)用有限元軟件分析0#塊分別受水化熱、徐變和收縮等所產(chǎn)生應(yīng)力分布，采用力學(xué)性能試驗(yàn)優(yōu)化普通混凝土中硅粉和聚丙烯纖維的配合比，并確定最優(yōu)混凝土配合比，為今后同類型橋梁0#塊分析及施工提出建議。

關(guān)鍵詞：剛構(gòu)橋； 0#塊; 硅粉聚丙烯纖維； 配合比； 力學(xué)性能； 有限元分析

0引言

普通混凝土結(jié)構(gòu)在承受拉應(yīng)力時(shí)體現(xiàn)的性能較差，通過摻加硅粉提高其早期強(qiáng)度，摻加聚丙烯纖維改善早期抗裂性能。大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋因其混凝土箱梁0#塊截面尺寸大、采用水泥標(biāo)號(hào)高，在早期硬化過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)溫度升高，在局部位置形成較大的主拉應(yīng)力。紅巖溪特大橋0#塊箱梁底板厚1.2 m，箱梁內(nèi)部熱量不易散出，受水化熱及外界溫度影響較大，其產(chǎn)生溫度應(yīng)力會(huì)引起箱梁表面開裂，對(duì)后期施工及運(yùn)營(yíng)帶來不利影響[1]。

下面通過試驗(yàn)對(duì)比普通混凝土與硅粉聚丙烯纖維混凝土材料性能，并確定硅粉聚丙烯纖維混凝土的配合比，得到其各齡期的力學(xué)性能，并運(yùn)用有限元分析0#塊在早期所受主拉應(yīng)力。

1依托工程

紅巖溪特大橋?yàn)榇罂鏟C連續(xù)剛構(gòu)橋，位于湖南湘西州龍永高速公路，主橋跨徑為(116+220+116)m，采用單箱單室箱梁。其中，0#塊箱梁截面高13.4 m，頂板寬度為12 m，頂板厚0.6 m，底板寬度為6.5 m，板厚1.2 m，腹板板厚1.05 m，有限元分析時(shí)沿橋縱向長(zhǎng)度取13 m，0#塊箱梁內(nèi)部設(shè)有兩道橫隔板，板厚1 m，0#塊采用的為標(biāo)號(hào)為C55混凝土。在有限元模擬過程中采用分層澆筑，共分為3層，每3 d澆筑1層，第1層0～2.7 m(包括墩梁連接處1 m)，第2層2.7～10.7 m，第3層10.7～14.4 m。0#塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　連續(xù)剛構(gòu)橋0#塊箱梁構(gòu)造圖(單位： cm)

2材料性能試驗(yàn)

鑒于普通混凝土早期抗拉、抗壓強(qiáng)度不高，參考相關(guān)文獻(xiàn)[2]可在混凝土中摻入硅粉和聚丙烯纖維。硅粉可以提高混凝土早期強(qiáng)度，還可適當(dāng)減少水泥用量，降低水化熱；聚丙烯纖維能增強(qiáng)混凝土的抗拉性能，表現(xiàn)出良好的韌性。表1為試驗(yàn)確定的硅粉聚丙烯纖維混凝土配合比，其中水泥和硅粉總用量與普通混凝土水泥用量相同。

表1 硅粉聚丙烯纖維混凝土材料配合比材料單位體積用量/(kg·m-3)比值水泥451.81砂6781.50碎石11062.45水1580.35硅粉45.180.10纖維1.50.003美克10.060.022

針對(duì)結(jié)構(gòu)受力特性，材料性能試驗(yàn)[3]主要有抗壓、劈裂抗拉、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。混凝土試塊分3 d、7 d、14 d及28 d 4種齡期，并對(duì)普通混凝土在同等條件下做相同試驗(yàn)作為對(duì)比。

2.1抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

抗壓試驗(yàn)中，隨著試壓荷載的增大，混凝土表層出現(xiàn)裂縫，并且不斷延伸，向里層發(fā)展，普通混凝土表面開始外鼓、剝落，最終為正、倒相連的四角錐,如圖2a；而硅粉聚丙烯纖維混凝土由于聚丙烯纖維在混凝土內(nèi)的均勻亂向分布，抑制了裂縫的發(fā)展，在整個(gè)受壓過程中，其剝落程度較普通混凝土小，試塊保持較好的完整性，如圖2b。

a) 普通混凝土

b) 硅粉聚丙烯纖維混凝土

圖2抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

普通混凝土與硅粉聚丙烯纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度結(jié)果見表2。

兩類混凝土在各齡期抗壓強(qiáng)度比較見圖3。由圖可知，由于摻加了硅粉的原因，混凝土在早期其抗壓強(qiáng)度有比較明顯的提升，隨齡期的增長(zhǎng)，硅粉聚丙烯纖維混凝土較普通混凝土抗壓強(qiáng)度差值越來越小。

表2 硅粉聚丙烯纖維混凝土抗壓強(qiáng)度MPa材料抗壓強(qiáng)度3d7d14d28d普通混凝土38.646.252.956.4硅粉聚丙烯纖維混凝土47.250.355.660.1

圖3　混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期變化圖

2.2劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)

劈裂抗拉試驗(yàn)中，普通混凝土沿劈裂面完整地?cái)嚅_，被劈裂成兩部分，普通混凝土抗拉性能較差，出現(xiàn)裂縫后隨即會(huì)貫通整個(gè)截面，因此開裂面較平整，如圖4a；而硅粉聚丙烯纖維混凝土，沿劈裂面有較明顯的裂紋，這是因?yàn)榫郾├w維的抗拉和橋接作用，有效地抑制了劈拉裂縫形成貫通縫，進(jìn)而造成混凝土試塊被完整地劈開，如圖4b。

a) 普通混凝土b) 硅粉聚丙烯纖維混凝土

圖4劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)

在普通混凝土與硅粉聚丙烯纖維混凝土的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)中，根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081 — 2002)規(guī)范計(jì)算得到的劈裂強(qiáng)度見表3。

表3 硅粉聚丙烯纖維混凝土劈裂強(qiáng)度MPa材料劈裂強(qiáng)度3d7d14d28d普通混凝土4.264.835.125.31硅粉聚丙烯纖維混凝土4.955.305.455.72

兩類混凝土在各齡期劈裂強(qiáng)度比較見圖5。由圖可知，由于摻加了硅粉的原因，混凝土在早期其劈裂強(qiáng)度有小幅提升，隨齡期的增長(zhǎng)，硅粉聚丙烯纖維混凝土較普通混凝土劈裂強(qiáng)度相差很小。

圖5　混凝土齡期-劈裂強(qiáng)度圖

2.3抗折試驗(yàn)

抗折試驗(yàn)中，普通混凝土試塊沿跨中幾乎完全斷開，被斷成兩部分，如圖6a；而聚丙烯纖維再生混凝土由于聚丙烯纖維跨接于裂縫兩邊，在荷載達(dá)到極限強(qiáng)度的過程中，隨著纖維的不斷被拉斷或拔出，裂縫寬度不斷增加直至試件破壞，但斷裂面相較于普通混凝土開口有明顯的減小，如圖6b。

a) 普通混凝土

b) 硅粉聚丙烯纖維混凝土

圖6抗折試驗(yàn)

硅粉聚丙烯纖維混凝土的彎拉破壞荷載較普通混凝土大，通過規(guī)范計(jì)算得到的劈裂強(qiáng)度見表4。

表4 硅粉聚丙烯纖維混凝土抗折強(qiáng)度MPa材料抗折強(qiáng)度3d7d14d28d普通混凝土4.995.175.846.10硅粉聚丙烯纖維混凝土5.896.357.057.70

兩類混凝土在各齡期劈裂強(qiáng)度比較見圖7。由圖可知，由于混凝土中聚丙烯纖維的抗拉作用，硅粉聚丙烯纖維混凝土在早期其抗彎性能強(qiáng)度有小幅提升，在各齡期段，硅粉聚丙烯纖維混凝土抗彎強(qiáng)度較普通混凝土偏大，且總體上跨中下?lián)弦草^大。

圖7　混凝土抗折強(qiáng)度隨齡期變化圖

3有限元分析

在混凝土澆筑完成的早期，結(jié)構(gòu)因水化熱及收縮徐變的影響受到不同程度的拉、壓應(yīng)力，并且應(yīng)力隨時(shí)間的變化而變化，以下通過水化熱、徐變、收縮三個(gè)方面分析0#塊所受應(yīng)力大小。

3.1水化熱分析

由于0#塊屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，因此采用分層澆筑，計(jì)算時(shí)分為3層，澆筑一層結(jié)束后，3 d后澆筑下一層。參考相關(guān)文獻(xiàn)[4,5]對(duì)0#塊進(jìn)行水化熱分析，圖8～圖10列出每層澆筑完成后混凝土達(dá)到最大主拉應(yīng)力時(shí)的應(yīng)力云圖。

圖8　澆筑1 d后主拉應(yīng)力云圖

圖9　澆筑4 d后主拉應(yīng)力云圖

圖10　澆筑7 d后主拉應(yīng)力云圖

從圖中可看出，主拉應(yīng)力值主要分布在一定區(qū)間，應(yīng)力集中值相對(duì)于該區(qū)間值較大，但應(yīng)力集中分布在倒角等極小區(qū)域。表5列出各時(shí)間點(diǎn)的主拉應(yīng)力值區(qū)間及應(yīng)力集中最大值。

表5 各時(shí)間點(diǎn)主拉應(yīng)力值時(shí)間應(yīng)力/MPa主拉應(yīng)力值區(qū)間應(yīng)力集中最大值1d后3.23～4.309.684d后3.21～4.5911.517d后2.53～3.759.88

由表可知，底板主拉應(yīng)力值主要在3.23～4.30 MPa之間，應(yīng)力集中最大值出現(xiàn)在底板、腹板和橫隔板相交的倒角位置，達(dá)到9.68 MPa；腹板主拉應(yīng)力值主要在3.21～4.59 MPa之間，應(yīng)力集中最大值為11.51 MPa，出現(xiàn)在相同位置；頂板主拉應(yīng)力值主要在2.53～3.75 MPa之間，應(yīng)力集中最大值出現(xiàn)在橫隔板外側(cè)與頂板相交位置。

3.2徐變分析

在混凝土澆筑完成早期，因徐變效應(yīng)產(chǎn)生主拉應(yīng)力，對(duì)結(jié)構(gòu)造成一定影響，而早期0#塊除重力外基本上未受其他荷載作用，徐變對(duì)其影響并不明顯。圖11給出通過等效彈性模量法計(jì)算得到徐變作用下的結(jié)構(gòu)7 d后主拉應(yīng)力云圖。

圖11　徐變作用下主拉應(yīng)力云圖

由圖可知，早期徐變作用對(duì)0#塊產(chǎn)生的主拉應(yīng)力很小，7 d后的主拉應(yīng)力主要分布在頂板表面腹板正上方位置，主要在0.27～0.36 MPa之間，在過人洞處最大主拉應(yīng)力達(dá)到0.46 MPa。

3.3收縮分析

在施工過程中，混凝土收縮產(chǎn)生的應(yīng)力和變形對(duì)0#塊結(jié)構(gòu)有一定的影響。在材料特性均勻的靜定結(jié)構(gòu)中，混凝土收縮只會(huì)影響結(jié)構(gòu)的變形，不產(chǎn)生內(nèi)力；在材料不均勻或者超靜定結(jié)構(gòu)中，混凝土收縮不但產(chǎn)生變形，同時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。因此，在結(jié)構(gòu)分析時(shí)需考慮到收縮對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響。

根據(jù)混凝土收縮的特點(diǎn)，在有限元分析中，可采用溫度效應(yīng)等效模擬混凝土收縮。通過相關(guān)文獻(xiàn)[6]可知，溫度效應(yīng)計(jì)算結(jié)果誤差較小，可以有效的模擬混凝土收縮。

圖12給出了0#塊在收縮效應(yīng)下的主拉應(yīng)力云圖。由于0#塊在澆筑完成后處于靜定結(jié)構(gòu)，底面為固端約束，圖中可看出，在底面及附近區(qū)域存在收縮應(yīng)力，除底面四個(gè)邊角極小附近由于應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力主要分布在0～2.23 MPa之間，而其他位置因靜定結(jié)構(gòu)只有變形無應(yīng)力分布。

圖12　收縮引起的主拉應(yīng)力云圖

4結(jié)論

混凝土結(jié)構(gòu)因其材料特性，在早期受到水化熱、收縮徐變及溫度等各種因素的影響，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力及結(jié)構(gòu)變形。鑒于普通混凝土早期抗壓及抗拉強(qiáng)度較低，故在其中摻入硅粉及聚丙烯纖維，利用硅粉增加混凝土早期強(qiáng)度，聚丙烯纖維可改善混凝土抗裂性能。

1) 通過有限元分析可知，混凝土早期水化熱對(duì)0#塊整體影響較大，收縮主要對(duì)底面附近的區(qū)域產(chǎn)生影響，而徐變影響相對(duì)很小。混凝土結(jié)構(gòu)在前期主拉應(yīng)力達(dá)到的最大值主要分布在倒角位置，在3.21～4.59 MPa之間，應(yīng)力集中最大值為11.51 MPa。

2) 對(duì)硅粉聚丙烯纖維混凝土進(jìn)行材料試驗(yàn)，由試驗(yàn)結(jié)果可知，其早期強(qiáng)度中(3 d齡期)，抗壓強(qiáng)度由38.6 MPa增大至47.2 MPa，增幅為22.3%；劈裂強(qiáng)度由4.26 MPa增大至4.95 MPa，增幅為16.2%；抗折強(qiáng)度由4.99 MPa增大至5.89

MPa，增幅為18.0%。由此可知，硅粉聚丙烯纖維混凝土可以較好的改善普通混凝土的早期材料性能，在一定程度上減小混凝土應(yīng)力集中帶來的不利影響。

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中圖分類號(hào)：U 444

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008-844X(2016)01-0065-04