箱梁C55高性能混凝土的抗裂性能研究.pdf

箱 梁C55高 性 能 混 凝 土 的 抗 裂 性 能 研 究 李北星 1, 田晓彬2, 胡明义2, 关爱军2, 查 进 1 , 周明凯 1 ( 1. 武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室, 湖北 武汉 430070; 2. 鄂东长江公路大桥有限公司, 湖北 黄石 435000) 摘要: 针对鄂东长江公路大桥预应力混凝土宽箱梁, 通过水化热、 绝热温升、 平板开裂、 干燥收缩、 温度 应 力开裂等试验方法, 研究箱梁 C55高性能混凝土的早期抗裂性能。试验结果表明, 采用适量粉煤灰或粉煤灰与矿 粉复掺, 可以改善箱梁 C55高性能混凝土的抗裂性能, 掺入聚丙烯纤维可进一步提高其抗裂性能。箱梁采用粉煤 灰高性能混凝土, 未发现有害裂缝, 外观良好。 关键词: 箱形梁; 高性能混凝土;早期开裂; 试验 中图分类号: U444. 18文献标志码:A文章编号: 1671- 7767(2010)03- 0040- 03 收稿日期3 基金项目 交通部科技项目(353 3) 作者简介 李北星(), 男, 教授,年毕业于武汉工业大学硅酸盐工程专业, 获学士学位,5 年毕业于武汉工业大学无机非金属材 料专业, 获硕士学位,年毕业于武汉工业大学材料学专业, 获博士学位(x6)。 1前言 在现代桥梁建设中, 大量采用了预应力高强混 凝土梁结构。高强混凝土由于水泥用量高, 水胶比 低, 使得混凝土温度收缩和自收缩大 1 , 如养护不当 则要再加上较大的干缩, 通常被认为具有较高的开 裂倾向, 可能导致梁体表面开裂, 这一问题在工程实 践中已被证实 2, 3 。为保证结构长期的安全使用, 避免有害裂缝的产生, 需要对混凝土早期所产生的 裂缝进行控制。 鄂东长江公路大桥主桥为( 367. 5+ 72. 5+ 926+ 72. 5+ 367. 5) m 九跨连续半漂浮体系双塔 双索面的混合梁斜拉桥, 中跨为 PK 断面钢箱梁, 边 跨为 PK 断面预应力混凝土宽箱梁。边跨 PC 箱梁 中心线处梁高 3. 8 m, 风嘴宽1. 0 m, 底板宽 4. 4 m; 中间桥面板宽 14. 86 m, 全宽 38. 0 m, 桥塔处缩窄 为 34. 4 m; 标准横断面顶板厚 30 cm、 水平底板厚 35 cm、 斜底板厚 30 cm、 中腹板厚50 cm。箱梁混凝 土强度等级为 C55, 采用满堂支架逐跨现浇, 一次浇 筑量大, 在温差和混凝土收缩影响下, 箱梁极易产生 裂缝。为明确箱梁拟用的 C55 高性能混凝土的早 期开裂特点, 采用多种开裂试验方法对 4 种配合比 混凝土的早期抗裂性能进行对比试验研究。 2试验原材料及配合比 2. 1原材料 水泥为华新水泥股份有限公司生产的堡垒牌 5O 水泥, 3、抗压强度分别为5 MPa 和 58. 2 MPa; 粉煤灰为武汉阳逻电厂 ! 级粉 煤灰; 矿粉为武汉钢铁集团公司生产的磨细矿渣粉, 比表面积500 m 2/ kg; 砂为巴河黄砂, 细度模数 2. 9; 碎石为湖北黄石大冶旺仁百花碎石厂生产的 5 25 mm连续级配石灰岩碎石, 压碎值11. 7%, 针片状含 量 4% ; 减水剂为 MAPEI SR 22 聚羧酸盐减水剂 (固含量 24%) ; 纤维为 DURA 聚丙烯纤维, 长度 19 mm、 直径 48m, 束状单丝, 抗拉强度 290 MPa, 弹 性模量 3. 5 4. 8 GPa; 水符合规范要求。 2. 2混凝土配合比 表 1 是箱梁 C55 高性能混凝土的试验用配合 比与基本性能试验结果, 其中 A1 为对比用基准混 凝土配合比, A2 A4 为优化的箱梁 C55 高性能混 凝土配合比。由表 1 可知, 4 个配合比 C55 高性能 混凝土均有优良的工作性能, 强度满足设计要求。 3试验结果与分析 3. 1水化热 采用 JAF 热量计测定矿物掺合料对水泥水化 热的影响(见表 2), 每次试验胶凝材料用量 30 g, 水 胶比 0. 40。表 2 结果显示, 随粉煤灰掺量增加, 水 化放热速率和水化放热量降低, 其中掺 20% 粉煤灰 的 7 d 水化热较纯水泥的降低了 13. 6%。在矿物掺 合料掺量同为 25% 条件下, 复掺粉煤灰与矿粉的 7 d 水化热略大于单掺粉煤灰的, 主要原因是矿粉活 性高于粉煤灰, 同时矿物掺合料复掺, 可以产生叠加 效应, 进一步促进胶凝材料的水化。 40世界桥梁 2010 年第 3 期 : 2009- 07-0 :200742 180 :1970-1992199 1998E mail: lib 021212 . com 42.Pd 28 d19. 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1箱梁 C55高性能混凝土试验配合比及性能 编号 混凝土各材料用量/ kgm- 3 水泥粉煤灰矿粉水砂碎石纤维 减水剂 掺量/ % 坍落度 (扩展度)/ mm 抗压强度/ MPa 7 d28 d A1475-1577481 077-1. 2225(600)60. 675. 2 A239298-1577601 050-1. 1230(605)57. 475. 0 A3367. 573.5491577601 050-1. 2225(580)60. 480. 6 A439298-1577601 0500. 751. 2220(560)55. 672. 7 注: 配合比中的用水量包含外加剂中的水。 表 2矿物掺合料对水泥水化热的影响 序号掺合料掺量/ % 最大水化放热 速率/ Jg- 1h- 1 最大放热 速率出现时间/ h 水化热/ Jg- 1 1 d2 d3 d5 d7 d 109. 368. 6154. 1205. 0240. 5281. 1299. 1 215(粉煤灰)8. 198. 7135. 6180. 0209. 1250. 3265. 4 320(粉煤灰)8. 018. 6132. 6175. 6202. 5239. 1258. 4 425(粉煤灰)7. 589. 7126. 8168. 7193. 9229. 7248. 4 515(粉煤灰)+ 10(矿粉)7. 099. 5121. 9164. 6192. 4232. 6254. 5 3. 2绝热温升 采用 JR 2 型混凝土绝热温升测定仪测定了矿 物掺合料对箱梁 C55 高性能混凝土绝热温升的影 响(见图 1)。由图 1 结果可知: 3 个配合比混凝土的 绝热温升在水化 24 h 内增长很快, 基本呈直线增 长, 24 h 之后增长速度减慢, 到 36 h 后绝热温升趋 于稳定, 因此混凝土施工时应特别关注前 36 h 的温 峰值并采取有效措施降低温峰。掺 20% 粉煤灰的 A2、 15%粉煤灰与10%矿粉复掺的 A3, 最终绝热温 升较 A1 分别降低了 7. 2 、 8. 5, 说明掺合料的 掺入有利于减少温度收缩开裂。 图 1箱梁 C55高性能混凝土绝热温升曲线 3. 3干燥收缩 混凝土干缩试验按#公路工程水泥及水泥混凝 土试验规程 (JTG E30- 2005)进行。干燥养护环 境为温度(20%2) 、 相对湿度60% %5%。试件尺 寸为 100 mm100 mm400 mm, 采用千分表测定 试件的长度变化。箱梁 C55 高性能混凝土干缩曲 线见图 2。图 2 结果显示, 混凝土的干缩在早期发 展迅速, 随着时间的延长而逐渐平缓,龄期以 后基本趋于稳定。与相比,、 3干缩 值分别降低了%、 3 %, 表明掺% 的粉煤灰或 5% 粉煤灰与% 矿粉复掺对箱梁55 高性能混 图 2箱梁 C55 高性能混凝土干缩曲线 凝土的干缩有显著的减小作用。与 A2 相比, 掺入 0. 75 kg/ m 3 聚丙烯纤维的 A4 干缩值进一步降低, 说明该纤维有利于抑制收缩开裂。 3. 4塑性收缩开裂 混凝土塑性收缩开裂试验采用日本笠井芳夫教 授平板试件约束抗裂性试验方法。试件尺寸为 600 mm600 mm63 mm, 用于浇筑试件的钢制模具、 试验方法及开裂参数计算公式详见#混凝土结构耐 久性设计与施工指南 ( CECS 01- 2004)附录 A2。 平板法抗裂试验的结果见表 3。 由表 3 结果可知, 与 A1 相比, 单掺粉煤灰的 A2 单位面积上开裂裂缝数目增加了 15%, 但单位 面积上的总开裂面积降低了 42%, 抗裂等级由 A1 的 冬季施工主要采用 蓄热保温(利用混凝土水化热)措施进行浇筑和养 护, 以消除混凝土内部与表面温差过大和表面与环 境温差过大形成热裂缝的问题。施工留样试块检测 结果表明, 箱梁混凝土的强度、 氯离子扩散系数和抗 冻性指标均达到或超过设计要求。施工完成后, 经 全面检测未发现有害裂缝, 梁体表面平整光滑, 无大 气孔和水线等缺陷, 外观良好。 5结论 (1) 在箱梁混凝土中掺入20%的粉煤灰或复掺 15%粉煤灰与 10% 矿粉, 降低了混凝土的水化热与 绝热温升, 提高了混凝土的抗塑性收缩开裂性能, 混 凝土应力储备增加, 开裂温度降低, 抗裂性提高, 并 有利于降低干燥收缩。 (2) 在箱梁混凝土中掺入 0. 75 kg/ m 3 的聚丙 烯纤维, 提高了混凝土的阻裂能力和开裂应力, 显著 提高了混凝土的抗裂性能, 可作为箱梁混凝土的辅 助防裂措施。 (3) 鄂东长江公路大桥边跨宽箱梁采用 A2 配 合比粉煤灰高性能混凝土浇筑, 施工完成后未发现 有害裂缝, 外观良好, 对保证混凝土的浇筑质量与防 裂起到了积极的作用。 参考文献: 1 覃维祖. 混凝土的收缩、 开裂及其评价与防治J. 混凝 表 4箱梁 C55 高性能混凝土温度 应力开裂试验结果 编号 新拌混凝土 温度 T0/ 第 1 零应 力温度/ 最大压 应力/MPa 最大膨 胀值/m 最高 温度/ 温升/ 第 2 零应 力温度/ 室温 应力/ MPa 最大 收缩值/ m 开裂 应力/ MPa 开裂 温度/ 应力 储备/ % 355556 566553 556 35666365335 565566 注 )表示拉应力。(下转第 53 页) 42世界桥梁 2010 年第 3 期 A128. 128. 90. 201 17. 829. 7. 0- 1. 12- 2. 228.248. 2 A224. 72 . 20. 19948. 824. 14 . 2- 0. 98- 2. 20. 8 A24. 92 . 80. 2104 . 221.44.- 0. 912- 2. 2.09. 2 A42 . 22 . 10. 1811048. 022. 84 . 2- 0. 922- 2. 8407. :- 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( Jiangyin Fasten Sumiden New Material Co., Ltd., Jiangyin 214445, China) Abstract: To determine the minimum epoxy coating thickness that can satisfy corrosion pro tection of steel wires and also to afford some testing bases and the relevant proposals for corrosion protection of stay cables, the test study is made for the relationship between the epoxy coating thickness of steel wires and their pin hole amount that is closely related to the corrosion protec tion of the coating thickness by the electric spark detecting method. The results of the test study show that the coating thickness should be preferably 0. 2 0. 22 mm, the leak detecting voltage should match the minimum coating thickness and the friction and bumping of the wires during storage, transportation and utilization should be lessened in order to avoid damage to the coating. Key words: steel wire; epoxy coating; pin hole; test; corrosion protection (上接第 42 页) 土, 2001, ( 7) :3- 7. 2 朱汉华, 陈孟部, 袁迎捷. 预应力混凝土连续箱梁桥裂缝 分析与防治M . 北京: 人民交通出版社, 2006. 3 赵启林, 周旺进, 江克斌. 预应力混凝土箱梁桥施工中的 裂缝成因分析与修补 J. 公路交通科技, 2006, 23 ( 6): 85- 88. Investigation of Cracking Resistance Behavior of C55 High Performance Concrete Used for Box Girder LI Bei xing 1, TIAN Xiao bin2, H UMing yi2, GUAN Ai j un 2, ZHA J in1, ZHOUMing kai1 (1. Key Laboratory of Silicate Material Science and Engineering of the Ministry of Education, Wuhan U niversity of T echnology, Wuhan 430070, China; 2. Edong Yangtze River H ighway Bridge Co., Ltd., H uangshi 435000, China) Abstract: In the light of the characteristic of the wide prestressed concrete box girder of Edong Changjiang River Highway Bridge and by means of testing of the hydration heat, adiabatic temperature rise, flat slab cracking, dry shrinkage as well as the temperature stress cracking, the early stage cracking resistance behavior of the C55 high performance concrete used for the box girder is investigated. The results of the testing show that the adding of appropriate amount of the fly ash or composite of the fly ash and granulated mineral slag can improve the cracking resist ance behavior of the concrete while the adding of the polypropylene fibre will further enhance the resistance behavior of the concrete. For the box girder used with the high performance concrete added with the fly ash, no harmful cracking have been found and the appearance of the girder is so far so good. Key words: box girder; high performance concrete; early stage cracking; test 53 钢丝环氧涂层厚度与针孔数量关系的试验研究金平 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m