常泰长江大桥桥塔C60大体积混凝土配合比设计及防裂技术.pdf

d o i:1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 4-6 0 6 6.2 0 2 3.0 5.0 1 0常泰长江大桥桥塔C 6 0大体积混凝土配合比设计及防裂技术阳 俊1,2,张 思1,2,秦明强1,2(1.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司,武汉4 3 0 0 4 0;2.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室,武汉4 3 0 0 4 0)摘 要:常泰长江大桥桥塔为C 6 0混凝土,要求一泵到顶,施工难度大,开裂风险高。论文从混凝土配合比设计及优化、大体积混凝土温控防裂两方面展开研究。通过调整胶凝材料组成、辅加抗裂剂及降黏掺合料对混凝土配合比优化设计,以满足桥塔混凝土施工性能、力学性能、热学性能、耐久性能要求。同时通过有限元仿真计算对主塔混凝土的开裂风险进行了分析,并提出了温控标准,开展模型试验验证,为主塔大体积混凝土结构的施工提供技术保障。关键词:大体积混凝土控裂;功能改性材料;泵送性;高强混凝土C 6 0M a s sC o n c r e t eM i xP r o p o r t i o nD e s i g na n dC r a c kP r e v e n t i o nT e c h n o l o g yf o rP y l o no fC h a n g t a iY a n g t z eR i v e rB r i d g eY ANGJ u n1,2,ZHANGS i1,2,Q I N M i n g-q i a n g1,2(1.C C C C Wu h a nH a r b o u rE n g i n e e r i n gD e s i g n&R e s e a r c hI n s t i t u t eC o,L t d,W u h a n4 3 0 0 4 0,C h i n a;2.H u b e iK e yL a b o r a t o r yo fA d v a n c e dM a t e r i a l s&R e i n f o r c e m e n tT e c h n o l o g yR e s e a r c hf o rM a r i n eE n v i r o n m e n tS t r u c t u r e s,W u h a n4 3 0 0 4 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h eb r i d g et o w e r so ft h eC h a n g t a iY a n g t z eR i v e rB r i d g ew e r ec o n s t r u c t e du s i n gC 6 0c o n c r e t e.T h er e-q u i r e m e n tw a s t op u m p t h e c o n c r e t e a l l t h ew a y t o t h e t o p,w h i c hp o s e dg r e a t c o n s t r u c t i o nd i f f i c u l t i e s a n dah i g hr i s ko fc r a c k i n g.R e s e a r c hw a sc o n d u c t e d i nt w oa s p e c t s:c o n c r e t em i xd e s i g na n do p t i m i z a t i o n,a n dt h e r m a l c o n t r o l a n dc r a c kp r e v e n t i o nf o r l a r g e-v o l u m e c o n c r e t e.T h eo p t i m i z a t i o no f t h e c o n c r e t em i xd e s i g n i n v o l v e da d j u s t i n g t h e c o m p o s i t i o no fc e m e n t i t i o u sm a t e r i a l s,i n c o r p o r a t i n gc r a c k-r e s i s t a n ta g e n t sa n dv i s c o s i t y-r e d u c i n ga d m i x t u r e s.T h i sw a sd o n et om e e tt h er e q u i r e m e n t sf o rc o n s t r u c t i o np e r f o r m a n c e,m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e,t h e r m a lp e r f o r m a n c e,a n dd u r a b i l i t yo ft h ec o n c r e t eu s e d i n t h eb r i d g e t o w e r s.A d d i t i o n a l l y,f i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o nw a su s e d t oa n a l y z e t h e r i s ko f c r a c k i n g i n t h em a i nt o w e r sc o n c r e t e.T e m p e r a t u r ec o n t r o l s t a n d a r d sw e r ep r o p o s e d,a n dm o d e l t e s t sw e r ec o n d u c t e dt ov e r i f yt h ee f-f e c t i v e n e s s.T h e s ee f f o r t sp r o v i d e dt e c h n i c a la s s u r a n c ef o rt h ec o n s t r u c t i o no f t h em a i nt o w e r sl a r g e-v o l u m ec o n c r e t es t r u c t u r e.K e yw o r d s:c o n c r e t ec r a c kc o n t r o l;f u n c t i o n a l l ym o d i f i e dm a t e r i a l s;h i g hp u m p a b i l i t y;h i g h-s t r e n g t hc o n c r e t e收稿日期:2 0 2 3-0 4-1 2.作者简介:阳 俊(1 9 8 9-),工程师.E-m a i l:2 8 2 1 6 9 9 1 9q q.c o m常泰长江大桥长约5k m,其采用六车道“高速公路+双层公铁”合建的桥梁方案,主航道桥为双塔斜拉桥,跨径为(1 4 2+4 9 0+11 7 6+4 9 0+1 4 2)m。该桥采用钢-混混合空间钻石型桥塔,桥塔总高3 5 2m,分上、中、下塔柱三个区段。上塔柱为钢箱-核芯混凝土组合索塔锚固结构,中、下塔柱为钢筋混凝土结构1,2。下塔柱高4 8.5m,外轮廓尺寸由上至下为1 1m1 1m1 3m1 3m,壁厚最薄处为1.9m,最厚处为底部3.5m;中塔柱高1 8 2.6 m,外轮廓尺寸由上至下为8 m8 m1 1 m1 1 m,第一段壁厚由上至下为1.5 52.1m,第二段为1.5 51.9m。中、下塔柱结构为C 6 0高抗裂、准清水钢筋混凝土。常泰长江大桥桥塔高,塔身为C 6 0准清水、高强混凝土,外观质量要求较高,泵送施工难度大,且主塔锚固区作为索塔承受和传递索力的关键部位,其结构受力复杂,不允许出现裂缝,对混凝土耐久性要求高。索塔锚固区混凝土施工必须解决可泵性与抗裂性两个矛盾因素,以满足施工和耐久性的要求。04建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第5期1 原材料及配合比设计1.1 原材料1)水泥:句容台泥水泥公司生产,P5 2.5,标准稠度用水量为2 8%,比表面积为3 3 8m2/k g,7d、2 8d抗压强度分别为3 2.4MP a、5 9.8MP a;7d、2 8d抗折强度分别为5.9MP a、9.4MP a。2)粉煤灰:谏壁电厂,F类级粉煤灰,细度9.0%,需水量比9 3%。3)矿渣粉:南钢嘉华,7d、2 8d活性指数为8 2%、1 0 7%,密度3.0 2g/c m3,比表面积4 3 7m2/k g。4)河砂:鄱阳湖,区中砂,表观密度26 2 0k g/m3,紧密堆积密度17 6 0k g/m3,松散堆积密度为15 5 0k g/m3,含泥量1.1%。5)碎石:江西彭泽,52 5mm连续级配,表观密度27 4 0k g/m3,堆积密度16 6 0k g/m3,针片状含量5.8%,压碎值1 8.1%。6)减水剂:江苏苏博特,聚羧酸高性能减水剂,减水率2 7%,固含量2 5%。7)选用江苏苏博特“MHE-V”型抗裂剂和“HD C-”型降黏掺合料,技术指标如表1、表2所示。表1“MH E-V”型抗裂剂性能指标1.1 8mm筛筛余/%比表面积/(m2k g-1)2 0限制膨胀率/%水中7d空气中2 1d水化热降低率/%1d7d抗压强度/MP a7d2 8d04 1 00.0 5 50.0 0 33 01 53 7.95 6.1表2“H D C-”型降黏掺合料性能指标4 5m筛筛余/%碱含量/%氯离子含量/%S O3含量/%流动度比/%含水量/%活性指数/%7d2 8d8.60.3 80.0 0 30.7 69 90.48 09 51.2 配合比设计原则经调研、工程实践和试验总结,确定常泰长江大桥高泵送、高强、高抗裂索塔结构的C 6 0大体积混凝土主要性能:1)大掺量矿物掺合料体系,6 0d抗压强度6 0.0MP a;6 0d劈拉强度4.0MP a。2)绝热温升7d宜5 0.0,1d绝热温升值占7d比值不大于5 0%。3)混凝土2 8d碳化深度5mm,2 8d干缩率小于3 5 01 0-6。4)抗拉强度/最大收缩应力1.0,开裂风险系数0.7。桥塔混凝土需满足超高泵送,应有良好的体积稳定性和耐久性能。结合国内大型桥梁索塔混凝土配制的经验3-5,拟采用大掺量掺合料胶凝体系,辅以添加专用抗裂剂及降黏掺合料等功能材料,以达到混凝土可泵性好、强度发展适宜、体积稳定性好和抗裂及耐久性能优良的目的,配合比如表3所示。表3 索塔C 6 0混凝土配合比/(k gm-3)编号水泥粉煤灰矿粉抗裂剂降黏掺合料河砂碎石水减水剂C T-12 9 51 5 50007 8 910 4 11 4 45.8 5C T-22 9 51 1 04 5007 8 910 4 11 4 45.8 5C T-32 7 01 3 54 5007 8 910 4 11 4 45.8 5C T-42 5 01 5 54 5007 8 910 4 11 4 45.8 5C T-52 9 51 1 903 607 8 910 4 11 4 45.8 5C T-62 9 51 1 0004 57 8 910 4 11 4 45.8 5C T-72 9 57 403 64 57 8 910 4 11 4 45.8 52 试验结果2.1 工作性能表4为不同胶凝体系混凝土工作性能对比测试结果。14建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第5期表4 不同配合比工作性能统计表编号扩展度/mmT5 0 0/s倒坍时间/s含气量/%泌水率/%表观密度/(k gm-3)C T-16 6 06 6 09.11 6.61.62.424 3 0C T-26 4 06 5 07.78.22.22.424 7 0C T-36 2 06 4 01 0.46.12.02.624 7 0C T-46 3 06 5 07.94.32.12.024 8 0C T-56 1 06 2 01 2.87.62.62.024 6 0C T-66 0 06 1 09.06.02.52.024 6 0C T-76 2 06 2 01 1.37.72.32.224 8 0 由表4可知,混凝土掺入抗裂剂、降黏掺合料后,均存在流动性降低情况,含气量变化不大;考虑到坍落度可模拟混凝土泵送情况,结合倒坍数据,说明使用降黏掺合料能提高混凝土的泵送性;与粉煤灰、矿渣粉相比,掺入抗裂剂和降黏掺合料后,混凝土含气量有所提高,混凝土泌水率降低,但对混凝土施工影响不大。2.2 力学性能图1为各组配合比混凝土抗压强度测试结果。由图1可知,各组混凝土的6 0d抗压强度值均超过7 0MP a;抗裂剂会降低早期强度,但后期水化完全后,能填充孔隙,使结构密实、强度提高;掺入降黏掺合料1 0%时,混凝土力学性能降低;采用大掺量矿物掺合料体系,在水胶比、胶材总量及矿渣粉掺料不变情况下,降低水泥用量、提高粉煤灰掺量,混凝土强度均有所降低,但相差不大。2.3 干缩性能图2为不同配合比干缩试验变化曲线。从图2可知,粉煤灰、矿粉、降黏掺合料的胶凝材料组成在测试龄期均出现收缩,且早龄期(1 4d)的收缩值占比较大。掺入抗裂剂后,混凝土产生了显著的早期自生体积膨胀,2 2d后混凝土存在收缩,但较未掺抗裂剂时明显减小。2.4 碳化性能表5为各组配合比不同龄期碳化测试结果。从表5中可知,各组混凝土内部孔隙较小,结构密实,混凝土抗碳化能力较高,2 8d碳化深度均小于1.0mm。在该水胶比和胶凝材料用量情况下,均具有十分优良的抗碳化能力,不会存在碳化而引起的钢筋锈蚀问题。24建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第5期表5 不同配合比5 6d碳化深度统计编号3d7d2 8d抗碳化性能等级评定C T-1001.5T-C T-2001.0T-C T-3001.5T-C T-4001.5T-C T-5001.0T-C T-6001.0T-C T-7001.0T-2.5 混凝土绝热温升选取其中配合比C T-1、C T-5、C T-7进行绝热温升试验,结果如图3所示。由图3分析可知,抗裂剂与降黏掺合料复合能降低混凝土早期水化放热速率及绝热温升值,7d混凝土绝热温升小于5 0。抗裂剂与粉煤灰等常规掺合料相比,其具有更好的温升降低效果,降黏掺合料的水化活性略高于粉煤灰,放热量及放热速率略高于粉煤灰。3 仿真分析结合上述混凝土各项性能试验结果,考虑桥塔实心段混凝土低温升、高抗裂的要求,最终选取C T-7配合比作为该工程桥塔下塔柱根部实心段混凝土配合比。并采用如下措施:1)冷却水管工艺:采用管径3 0mm、壁厚3mm的铁管。水管水平和竖向间距0.81.2m,表层水管距离混凝土表面0.5m。冷却水采用季节常温水,控制通水水温与混凝土温差2 5。混凝土升温阶段,冷却水流速应1m/s,降温阶段,冷却水流速0.5m/s。2)防风、保温、保湿养护:顶面采用洒水养护,养护时间1 4d。带模养护23d,松模后模板上下缘覆盖,内通热雾化汽养护。拆模后在塔壁外围设防风保温养护罩,内通热雾化汽养护。3)施工控制:混凝土节段浇筑间隔1 0d。高温施工时对泵管淋水降温,低温时进行防雨、雪处理。浇筑过程中,采用由外向内均匀布料、水平分层、斜向分段方式,顶层混凝土进行二次振捣。在以上设定条件下,首节塔柱实心段温度应力计算结果见表6。由表6分析可知:1)按照设计的浇筑方式和水管布置方式的配合下,塔柱实心段各龄期安全系数均大于1.4,满足设计要求。2)早期由于混凝土内表温差大,应力相对集中,需采取保温养护措施,控制塔壁混凝土里表温差。3)由于混凝土降温和干缩作用,后期需注意保湿养护。建议拆模后塔壁外设防风保温养护罩、内通雾化水汽养护。表6 温度应力场结果龄期/d塔柱实心段温度应力/MP a抗裂安全系数31.7 31.5 671.9 41.6 02 82.6 61.5 85 61.7 42.5 94 工程应用常泰长江大桥桥塔地处长江之上,周边空旷,气候条件变化剧烈,考虑大体积混凝土温控要求以及现场施工泵送性等要求,选取C T-7配合比作为下塔柱施工,现场采用结构预埋冷却水管工艺、混凝土采用防风、保温、保湿的养护方式,并加强施工过程控制。混凝土入模温度为2 3.22 4.0,内部最高温度为6 0.1,最大内表温差2 0.4,塔柱混凝土外观质量良好,表面平整、光滑,无明显缺陷。(下转第5 2页)34建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第5期d u c e dC a l c i t eP r e c i p i t a t i o nJ.C o n s t r u c t i o na n dB u i l d i n gM a t e r i a l s,2 0 1 8,1 7 2:2 5 1-2 6 2.5 L o p e z-Q u e r o lS,A r i a s-T r u j i l l oJ,E l i p eM G M,e ta l.I m p r o v e m e n to ft h eB e a r i n gC a p a c i t yo fC o n f i n e da n dU n c o n f i n e dC e m e n t-s t a b i l i z e dA e o l i a nS a n dJ.C o n s t r u c t i o na n dB u i l d i n gM a t e r i a l s,2 0 1 7(3 0):3 7 4-3 8 4.6 郑木莲,荆海洋,陈 旺,等.天然风积沙基本特性及火山灰活性研究J.硅酸盐通报,2 0 2 1,4 0(1):1 6 3-1 7 1.7 巩桢翰.风积沙及物理改良风积沙填筑重载铁路路基的工程特性研究D.甘肃:兰州交通大学,2 0 2 0.8 T i a nKL,W a n gXD,Z h a n gSC,e ta l.E f f e c to fR e a c t a n t I n j e c t i o nR a t eo nS o l i d i f y i n gA e o l i a nS a n dv i aM i c r o b i a l l yI n-d u c e dC a l c i t eP r e c i p i t a t i o nJ.J o u r n a l o fM a t e r i a l s i nC i v i lE n g i n e e r i n g,2 0 2 0,3 2(1 0):4 0 2 0 2 9 1-4 0 2 0 2 9 9.9 张向东,李 军,孙 琦,等.水泥改良风积砂负温动力性能与流变特征研究J.岩土力学,2 0 1 8,3 9(1 2):4 3 9 5-4 4 0 3,4 4 1 2.1 0L i J,W a n gFC,Y i F,e t a l.E f f e c t o fF r e e z e-t h a wC y c l e so nT r i a x i a l S t r e n g t hP r o p e r t yD a m a g e t oC e m e n t I m p r o v e dA e o-l i a nS a n d(C I A S)J.M a t e r i a l s,2 0 1 9,1 2(1 7):2 8 0 1-2 8 2 2.1 1陈三平,张家雨,张向东,等.基于F L A C(3 D)模拟验证基层结构合理性J.北方交通,2 0 1 8(2):4 9-5 1.1 2陈 潇,周明凯,沈卫国,等.水泥-石灰-粉煤灰干硬性体系的单纯型-格子研究J.建筑材料学报,2 0 1 0,1 3(2):2 2 8-2 3 1.1 3樊新舟.水泥稳定风积砂碎石基层的研究J.交通世界(建养.机械),2 0 1 1(1 0):1 3 2-1 3 3.1 4马士宾,苌军英,魏连雨,等.水泥稳定风积砂碎石基层正交试验研究J.重庆交通大学学报(自然科学版),2 0 0 4,2 3(5):4 8-5 1.1 5陈立兵,张 珂,黄保利.风积沙水泥稳定碎石收缩抗裂性研究A.土木工程新材料、新技术及其工程应用交流会C.北京:中冶建筑研究学院有限公司,2 0 1 9:3 1 6-3 1 9.1 6郭根胜,张 飞.基于无侧限抗压强度水泥稳定碎石风积沙基层配比研究J.科学技术与工程,2 0 1 8,1 8(2 0):3 2 6-3 3 1.1 7张飞阳.水泥固化风积沙地基抗拔性能研究与分析D.合肥:合肥工业大学,2 0 2 0.1 8李德超.水泥加固风积沙路用性能研究J.公路交通技术,2 0 0 5(1):2 4-2 7,6 6.1 9方永浩,朱 琦,岑奕侃,等.大掺量超细矿渣粉水泥基胶凝材料的性能与结构及磷石膏的影响J.硅酸盐学报,2 0 0 8(4):4 4 4-4 5 0.(上接第4 3页)5 结 论a.基于常泰长江大桥桥塔高泵送、高强、高抗裂的混凝土要求,从配合比优化及大体积混凝土控裂两个方面分别对索塔混凝土进行了研究,设计出工作性能、力学性能、热学性能、体积稳定性均满足施工要求的C 6 0塔柱混凝土,并取得较好的实施效果。b.适当降低胶材用量,并掺入适量抗裂剂及降黏掺合料,可实现混凝土可泵性好、强度发展适宜、体积稳定性好和耐久性能优良的目的。模型试验拆模后没有出现可见裂缝,进一步验证了针对索塔结构的混凝土裂缝控制效果。c.针对超高桥塔塔柱不同节段部位混凝土性能需求,通过材料措施与关键施工工艺的采用,可实现桥塔结构高强大体积混凝土力学性能、高程泵送性能、抗裂性能及外观质量保障的有机统一。参考文献1 秦顺全,徐 伟,陆勤丰,等.常泰长江大桥主航道桥总体设计与方案构思J.桥梁建设,2 0 2 0,5 0(3):1-1 0.2 张金涛,傅战工,秦顺全,等.常泰长江大桥主航道桥桥塔设计J.桥梁建设,2 0 2 2,5 2(5):1-7.3 马建勇,荆刚毅,申 阳.南京长江第五大桥钢混组合索塔C 5 0大体积混凝土配制技术研究及其温控防裂分析J.公路交通科技(应用技术版),2 0 1 9,1 5(3):2 4 8-2 5 0.4 张士山,徐 文,闫志刚,等.超高索塔结构抗裂混凝土性能研究J.新型建筑材料,2 0 1 9,4 6(1 0):1 4 6-1 5 1.5 周乾大,魏剑峰.安九铁路鳊鱼洲长江大桥桥塔防裂技术J.世界桥梁,2 0 2 2,5 0(1):4 0-4 5.25建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第5期