安明喆 韓松 王月 尹必晶

（北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)通過提供額外的內(nèi)養(yǎng)護(hù)水，減小了由于混凝土干燥引起的內(nèi)部自生應(yīng)力，明顯降低了混凝土的早期開裂風(fēng)險(xiǎn)［1］。韓宇棟等［2-3］研究發(fā)現(xiàn)陶粒、陶砂等多孔材料可提供額外的內(nèi)養(yǎng)護(hù)水，改善混凝土內(nèi)部水分的分布，從而顯著提高混凝土的抗裂能力。Jensen 等［4-5］研究發(fā)現(xiàn)高吸水性樹脂（Super Absorbent Polymer，SAP）與上述多孔材料具有相似的混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果。董淑慧等［6］研究表明，用飽和預(yù)濕陶粒作內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料能顯著提高混凝土的抗裂性能，摻量130 kg/m3時(shí)混凝土收縮值較未摻時(shí)減少了95.6%。Craeye 等［7］研究發(fā)現(xiàn)SAP 作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料顯著提升了混凝土的抗裂性能，SAP 內(nèi)養(yǎng)護(hù)引入水量分別為30，40，50 kg/m3時(shí)，混凝土自收縮量分別降低了51%，58%，58%。摻入內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料雖然能顯著提高混凝土的抗裂性能，然而多孔內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料以及SAP 釋放水后產(chǎn)生的孔洞等缺陷往往是混凝土中的薄弱區(qū)域，會(huì)劣化混凝土力學(xué)性能。韓松等［8］研究表明采用黏土陶粒替代30%粗骨料的C30 混凝土，其28 d 抗壓強(qiáng)度較未摻時(shí)降低了22.4%。焦賀軍等［9］研究表明SAP摻量為水泥質(zhì)量0.2%時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較未摻時(shí)分別降低20%和29%。Liu 等［10］研究發(fā)現(xiàn)利用浮石粉代替細(xì)骨料制備超高性能混凝土材料，當(dāng)替代比例為30%時(shí)抗壓強(qiáng)度下降13.6%。因此，混凝土采用內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料提高其抗裂性的同時(shí)，損失了其部分強(qiáng)度。目前針對高強(qiáng)度混凝土，研究采用內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料對其抗裂性能影響的研究較少。因此，本文選取頁巖陶砂、粉煤灰黏土復(fù)合陶粒（簡稱復(fù)合陶粒）、浮石粉3種內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料，研究不同內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料摻量對高強(qiáng)度混凝土的工作性能、力學(xué)性能及早期抗裂性能的影響，配制滿足工程需求的混凝土；并利用MIDAS FEA 軟件，分析了滬通長江大橋主塔工程的早期開裂風(fēng)險(xiǎn)，研究結(jié)果可為采用內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料制備高強(qiáng)度混凝土的工程提供參考。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥采用大連小野田P·Ⅱ52.5R 硅酸鹽水泥，比表面積為379 m2/kg；粉煤灰采用Ⅰ級粉煤灰，比表面積為350 m2/kg；硅粉比表面積為14 310 m2/kg；細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)2.6 的河砂；粗骨料采用粒徑5～10 mm和10～25 mm 的連續(xù)級配碎石，摻配比例為2∶3；減水劑采用聚羧酸系高效減水劑，減水率為37%，含固量為26.5%；拌和水采用自來水。內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料：頁巖陶砂堆積密度970 kg/m3，飽和吸水率10.5%；復(fù)合陶粒堆積密度530 kg/m3，飽和吸水率27.2%；浮石粉密度450 kg/m3，飽和吸水率16.5%。

1.2 混凝土配合比及試驗(yàn)方法

考慮到內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料對混凝土強(qiáng)度的削弱作用，C60混凝土水膠比取0.24，膠凝材料用量為520 kg/m3。內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料分別按照10%，20%，30%的體積比取代部分粗骨料，砂率取37%。具體配合比見表1。其中：C0為基準(zhǔn)配合比；CY為頁巖陶砂內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土；CN為復(fù)合陶粒內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土；CF 為浮石粉內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土；混凝土配合比編號中的數(shù)字1，2，3分別表示內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料替代粗骨料的體積比為10%，20%，30%。

表1 混凝土配合比 kg·m-3

平板約束早期塑性開裂試驗(yàn)和收縮試驗(yàn)，參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的平板約束早期塑性開裂試驗(yàn)和收縮試驗(yàn)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，其中收縮試驗(yàn)以1 d 齡期的長度為初值。絕熱溫升試驗(yàn)采用NJ-JRWS 混凝土絕熱溫升試驗(yàn)系統(tǒng)，測試方法參照DL/T 5150—2017《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

2 混凝土試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 工作性能

為了滿足混凝土的泵送要求，同時(shí)避免多孔材料的上浮，混凝土的坍落度和坍落擴(kuò)展度分別控制在180，450 mm 左右，混凝土拌和物和易性試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土拌和物和易性試驗(yàn)結(jié)果

2.2 抗壓強(qiáng)度

為了分析內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，測定了各配合比混凝土不同齡期的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見圖1。可知：隨著內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料摻量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度均有一定程度的降低。頁巖陶砂、復(fù)合陶粒、浮石粉3 種內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料摻量10%時(shí)混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度分別降低2.2%，2.7%，-0.2%，摻量20%時(shí)混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度分別降低7.1%，3.1%，3.0%，摻量30%時(shí)混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度分別降低11.4%，8.3%，9.6%。3 種內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料中對抗壓強(qiáng)度影響最大的是頁巖陶砂，最小的是浮石粉，摻浮石粉的效果最好。當(dāng)內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料摻量30%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度降幅很大，因此建議內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料摻量不宜過大，控制在20%左右比較合適。

圖1 混凝土抗壓強(qiáng)度與內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料摻量的關(guān)系

2.3 早期抗裂性能

頁巖陶砂、復(fù)合陶粒、浮石粉分別摻20%，制備3種配合比混凝土及基準(zhǔn)配合比混凝土進(jìn)行平板約束早期塑性開裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3和圖2。

由表3 和圖2 可知：基準(zhǔn)配合比混凝土早期開裂嚴(yán)重，初裂時(shí)間為103 min，開裂總面積達(dá)到978 mm2。3 種內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料中浮石粉的早期抗裂效果最好，初裂時(shí)間延遲至512 min，開裂面積減少至248 mm2。加入3 種內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料后混凝土的初裂時(shí)間均明顯推遲，最終開裂面積均顯著減少。這是因?yàn)殡S著水化反應(yīng)的進(jìn)行，預(yù)吸水的內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料開始向混凝土內(nèi)部補(bǔ)充水分，使混凝土內(nèi)部相對濕度維持在較高的水平，一方面減小了混凝土早期收縮，另一方面促使混凝土內(nèi)膠凝材料持續(xù)水化，使混凝土內(nèi)部更密實(shí)，提高了混凝土強(qiáng)度，增強(qiáng)了混凝土的抗裂性能。

表3 混凝土早期開裂時(shí)間及總開裂面積

圖2 平板約束早期塑性開裂照片

3 橋塔混凝土抗裂性有限元分析

3.1 模型的建立

滬通長江大橋全長11 072 m，其中航道橋采用主跨1 092 m 的鋼桁梁斜拉橋結(jié)構(gòu)，為世界上最大跨徑的公鐵兩用斜拉橋。斜拉橋主塔高度330 m，壁厚大多超過1.5 m，混凝土強(qiáng)度高、水化熱大、養(yǎng)護(hù)環(huán)境差。因此需要采用一種低收縮、高抗裂混凝土。選取CF2配合比混凝土，其性能參數(shù)見表4。

表4 內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土材料性能參數(shù)

CF2 配合比混凝土絕熱溫升曲線見圖3。CF2 混凝土早期收縮曲線見圖4?；诮^熱溫升試驗(yàn)、收縮試驗(yàn)結(jié)果以及混凝土材料性能參數(shù)，采用MIDAS FEA對塔柱混凝土進(jìn)行水化熱分析，選取最易開裂部位，進(jìn)行混凝土開裂計(jì)算。

圖3 絕熱溫升曲線

圖4 混凝土早期收縮曲線

考慮到滬通長江大橋一次性澆筑高度達(dá)6 m 以及塔柱截面的對稱性，采用1/4 截面（見圖5）建立模型。假定內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土是均質(zhì)各向同性材料，采用3D 單元進(jìn)行分析，計(jì)算時(shí)間范圍選擇0～168 h。混凝土內(nèi)外表面受模板簡支約束。模型底面和內(nèi)外表面為對流邊界，對流系數(shù)取14 W/（m2·K），混凝土入模溫度為26 ℃。

圖5 滬通長江大橋塔柱底端1/4截面（單位：cm）

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 混凝土內(nèi)外溫差分析

24 h 混凝土內(nèi)部溫度云圖見圖6?？芍夯炷列静繙囟茸兓畲?，混凝土表層由于與大氣接觸溫度變化較小。

圖6 早期溫度云圖（單位：℃）

芯部分析點(diǎn)1 和表層分析點(diǎn)2 的溫度變化曲線見圖7。可知：隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，2 個(gè)分析點(diǎn)溫度均先增大后減小，24 h時(shí)分析點(diǎn)1達(dá)到最高溫度45 ℃，分析點(diǎn)2 達(dá)到最高溫度27 ℃，內(nèi)外溫度最大相差18 ℃，符合GB 50496—2009《大體積混凝土施工規(guī)范》的要求，由內(nèi)外溫差引起的開裂風(fēng)險(xiǎn)較小。

圖7 兩個(gè)分析點(diǎn)溫度變化曲線

3.2.2 混凝土環(huán)向開裂分析

24 h 齡期時(shí)混凝土早期應(yīng)力云圖見圖8，應(yīng)力中拉應(yīng)力是大體積混凝土開裂的主要原因。根據(jù)圖8中拉應(yīng)力位置選取分析點(diǎn)A和B。分析點(diǎn)應(yīng)力與最大容許拉應(yīng)力變化曲線見圖9。

圖8 早期應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖9 分析點(diǎn)應(yīng)力與最大容許拉應(yīng)力變化曲線

由圖9 可知：分析點(diǎn)A前期拉應(yīng)力與最大容許拉應(yīng)力值接近，24 h 齡期時(shí)拉應(yīng)力達(dá)到最大值1.2 MPa，但仍在最大容許拉應(yīng)力范圍內(nèi)。隨著水化熱的散失，應(yīng)力由拉變?yōu)閴骸７治鳇c(diǎn)B壓應(yīng)力隨著混凝土水化的進(jìn)行持續(xù)增加，24 h 齡期時(shí)達(dá)到最大值1.1 MPa，90 h齡期后由于整體的降溫收縮作用應(yīng)力由壓變?yōu)槔?68 h 齡期時(shí)拉應(yīng)力達(dá)到最大值1.3 MPa，遠(yuǎn)小于混凝土此時(shí)的最大容許拉應(yīng)力3.6 MPa。因此，2個(gè)分析點(diǎn)處拉應(yīng)力均在最大容許拉應(yīng)力范圍內(nèi)，混凝土的環(huán)向開裂風(fēng)險(xiǎn)較小。

4 結(jié)論

1）采用內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料可以配制出工作性能良好的高強(qiáng)度混凝土，但隨著內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度有所降低。水膠比0.24、內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的體積摻量在20%以內(nèi)可滿足C60混凝土強(qiáng)度要求。

2）頁巖陶砂、粉煤灰黏土復(fù)合陶粒、浮石粉3種內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料分別摻20%，制備的3 種高強(qiáng)度混凝土初裂時(shí)間明顯延遲且最終開裂面積減小，表明3 種內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料均能顯著改善混凝土早期抗裂性能。其中浮石粉的抗裂效果最好。

3）基于絕熱溫升試驗(yàn)、收縮試驗(yàn)結(jié)果以及混凝土材料性能參數(shù)，采用MIDAS FEA 軟件模擬分析了滬通長江大橋主塔混凝土澆筑后內(nèi)部應(yīng)力分布情況，結(jié)果表明整體模型混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)小。