UHPC調節層在索塔下橫梁裂縫控制中的應用

惠曉亮，劉雨，吳柯

（1.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430040；3.海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430040）

0 引言

白居寺長江大橋索塔下橫梁采用變截面單箱室結構，中部寬10.76～15 m，中部高10.5 m。頂板厚200 cm，底板厚0～300 cm，腹板厚200 cm。其中下橫梁圓弧段直接與承臺連接，且下橫梁圓弧段存在0～40 cm厚薄壁混凝土，其主體混凝土結構采用C55混凝土，其自身屬于超大尺寸、復雜結構、高標號混凝土結構，混凝土開裂風險大；同時，由于原有承臺基礎結構已施工2 a，承臺混凝土基本已經完成變形，承臺混凝土對下橫梁的約束強，下橫梁極易形成深層裂縫。

為提高下橫梁構件的抗裂能力，本工程在下橫梁首節采用UHPC（超高性能混凝土，Ultra-High Performance Concrete，簡稱UHPC）混凝土、鋼纖維混凝土和C55混凝土組成混凝土應力調節層，利用UHPC超高的抗拉性能，能有效保證下橫梁結構的抗裂能力，提高橋梁結構構件的抗裂性能。本文從有限元仿真對比分析、低熱低收縮UHPC材料配制、現場應用等方面研究了UHPC應力調節層的設計及應用技術。

1 有限元仿真對比分析

1.1 設計模型仿真計算

采用Midas FEA軟件建立下橫梁仿真模型，總結并借鑒合理的技術手段，對下橫梁混凝土材料性能、分塊分層、溫控措施進行有限元仿真計算，驗證UHPC應力調節層對于大收縮差強約束構件的抗裂能力改善效果。

1.2 混凝土配合比及參數

下橫梁C55混凝土配合比見表1，UHPC及纖維混凝土計算參數指標見表2和表3，下橫梁混凝土的出機溫度估算見表4。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix ratio kg/m3

表2 混凝土劈裂抗拉強度計算值Table 2 Calculated value of splitting tensile strength of concrete MPa

表3 混凝土物理熱學參數Table 3 Physical thermal parameters of concrete

表4 下橫梁混凝土出機口溫度估算Table 4 Estimation of temperature of concrete at discharge outlet for lower cross beam ℃

考慮混凝土運輸及澆筑過程中的升溫[1]。根據施工計劃，下橫梁混凝土澆筑時間為2月中下旬，C55混凝土澆筑溫度在19.9℃左右。仿真計算時下橫梁混凝土澆筑溫度取為20.0℃。

1.3 結構邊界條件

1）下橫梁C55混凝土受承臺混凝土約束，承臺混凝土標號為C35，計算時承臺的最終彈模取36 GPa。

2）承臺與下橫梁首節施工間隔期為720 d，下橫梁混凝土的澆筑溫度取20℃。

3）混凝土澆筑氣候條件按照2月考慮，環境溫度取值（10±3）℃。

4）參考氣候資料，風速按≥7 m/s考慮。

5）下橫梁上表面采用覆蓋養護，表面散熱系數取值960 kJ/（m2·d·℃）。

6）下橫梁分3層澆筑，分別為3 m+4 m+4 m，同時在下橫梁中間設置2 m后澆帶（如圖1）。第1層澆筑時間為2019年3月10日，第2層澆筑時間為2019年4月5日，第3層澆筑時間為2019年4月28日。

圖1 下橫梁分層布置圖Fig.1 Layering arrangement of lower cross beam

7）第1層混凝土采用3種混凝土依次澆筑，分別為30 cm UHPC混凝土+100 cm鋼纖維混凝土+170 cm常規C55塔柱混凝土。第1層采用3種不同混凝土的原因是根據上橫梁受力分析，首節段結合面位置應力較上部大，且結合面靠外邊緣的應力為整個下橫梁最大應力帶，故根據應力分布情況配置合適種類的混凝土，既達到滿足受力的要求，又達到降本增效的目的。

1.4 計算結果及分析

根據混凝土的物理性能參數、熱學性能參數、混凝土所受約束信息、水管分布等設定條件，計算下橫梁混凝土內部最高溫度為65.5℃。根據模型及溫度場結果，下橫梁溫度及應力計算結果如表5所示。

表5 下橫梁溫度及溫度應力場結果Table 5 Temperature and temperature stress field of lower cross beam

設定工況條件下下橫梁混凝土各層安全系數分別為1.30、1.34和1.32，基本滿足施工要求[2]。仿真計算表明采用UHPC應力調節層能有效提高構件的安全系數，降低混凝土的開裂風險。

2 UHPC材料配制

2.1 材料性能指標

根據有限元模型分析結果，本項目需要重點開發一種低水化熱、低收縮、高抗裂性能的UHPC混凝土，對性能提出表6相關技術指標。

表6 UHPC性能指標要求Table 6 Performance requirements of UHPC

2.2 配制路線

根據表6的UHPC指標要求，從如下幾個方面開展低水化熱、低收縮、高抗裂的UHPC混凝土的配制研究：

1）優化砂石級配，選擇合適粒徑碎石，降低骨料空隙率，基于最緊密堆積的配合比設計原理[3]，采用常規級配良好的粗、細集料進行混凝土配制，以降低UHPC混凝土的成本，同時提高混凝土的體積穩定性，降低收縮[4]。

2）優化混凝土膠材體系，采用大摻量礦物摻合料[5]和復合膨脹劑[6]，降低水化熱和收縮，通過性能的比對試驗，確定最佳摻量。

3）研究不同摻量鋼纖維對混凝土工作性、力學性能的影響，尤其是工作性、抗折強度、梯級穩定性的對比試驗，確定鋼纖維的尺寸及摻量。

2.3 原材料種類及指標

1）水泥：華新P·O 42.5級水泥，28 d抗壓強度49.3 MPa；2）石英砂：20～200目，SiO2含量95%～99.8%；3）硅灰：硅含量96%～99%；4）鋼渣粉：比表面積＞500 m2/kg；5）超細粉：自制，比表面積大于1 000 m2/kg；6）減水劑：自合成高效緩凝型聚羧酸減水劑，含固量32%；7）復合膨脹劑：鈣礬石型復合膨脹劑；8）鋼纖維：鍍銅鋼纖維，直徑0.22 mm；9）5～10 mm玄武巖碎石；10）水：自來水。

2.4 最終配合比及性能指標

綜合單一因素對UHPC性能影響規律的研究成果，最終確定配合比如表7所示。

表7 UHPC混凝土配合比Table 7 Mix ratio for UHPC kg/m3

根據表7配合比，對配制混凝土的工作性及相關力學性能進行測試，試驗結果如表8所示，滿足設計要求。

表8 UHPC性能測試表Table 8 Results of UHPC performance tests

同時相關研究表明玄武巖粗骨料母巖強度高，最大粒徑10 mm碎石骨料表面粗糙，能有效提高UHPC基體與骨料界面過渡區黏結能力；同時粗骨料可在UHPC體系內形成剛性骨架，骨料咬合作用增強[6]，提高了UHPC整體受壓性能。微觀實驗結果也表明，硬化水泥漿體、集料、鋼纖維構成，水泥、硅灰、礦粉等摻合料水化形成C-S-H凝膠可將鋼纖維和集料包裹住形成致密結構，水泥漿體與集料間的界面過渡區較為致密[7]。

3 現場應用

3.1 現場應用方案

根據仿真計算結果和現場攪拌站及模板實際情況，下橫梁分3層澆筑，分別為3 m+4 m+4 m，同時在下橫梁中間設置2 m后澆帶；第1層混凝土采用3種混凝土依次澆筑，分別為外側長邊方向澆筑30 cm UHPC（為了便于施工，短邊方向235 cm寬度范圍內澆筑40 cm UHPC）+100 cm鋼纖維混凝土+200 cm常規C55混凝土。1號節段混凝土分布如圖2所示。

圖2 下橫梁第1層混凝土分布構造圖Fig.2 Concrete arrangement for first layer of lower cross beam

3.2 UHPC混凝土施工

1）UHPC材料準備

為降低運輸及澆筑難度，預先在工廠將水泥、石英砂、高性能礦物摻合料、復合外加劑等按一定比例，采用合理的投料、混合、包裝工藝制備成UHPC干混料。UHPC干混料采用噸袋包裝，鍍銅鋼纖維材料采用牛皮紙袋包裝。碎石采用現場5～10 mm粒徑范圍碎石，攪拌用水為自來水。

2）UHPC攪拌及運輸

UHPC攪拌可使用現場常規攪拌機組，UHPC用水量為干粉料質量的8%～10%，拌制過程要先加入所需質量的UHPC干粉料并開動攪拌機，然后邊攪拌邊加入碎石，再加入拌合用水，加水結束后再攪拌5～6 min出機。UHPC每盤可攪拌1.5 m3，每盤攪拌時間10 min。攪拌站每小時可生產9 m3，運輸時間約40 min，UHPC施工時間約4 h。采用混凝土罐車運輸，泵送施工。運輸中需注意混凝土出機到澆筑時間不宜超過2 h。

3）UHPC澆筑工藝

白居寺大橋下橫梁首節段UHPC混凝土和鋼纖維混凝土同時澆筑，結合面采用收口模板，采用高壓泵管泵送施工，泵管經過設計優化盡量減少彎頭，防止爆管[8-9]。UHPC澆注完成后立即澆筑鋼纖維混凝土，混凝土外側面養護采用帶模養護5 d，拆模后采用保溫篷布覆蓋養護9 d，頂部灑水噴霧保濕，保溫保濕時間不少于14 d。

4 下橫梁UHPC的實施效果

白居寺長江大橋下橫梁混凝土分左右兩幅澆筑，單幅UHPC用量約為12.3 m3，采用現場攪拌站攪拌機組攪拌，采用混凝土泵車運輸，汽車泵進行泵送澆筑?，F場采用制冷水和碎冰拌和措施控制澆筑，采用智能溫度監控設備監控混凝土內部不同高度中心點、表面點以及澆筑等溫度數據。以P8下游第1層混凝土為例，混凝土入模溫度為19.4～21.1℃；混凝土內部最高溫度為67.6℃，最高溫度出現時間為測點覆蓋后39 h；混凝土最大內表溫差23.7℃。具體監控數據匯總見表9，第2層測點的溫度特征值曲線見圖3。

表9 溫控監測數據匯總Table 9 Summary of measured temperature for thermal control

圖3 第2層溫度特征值歷時曲線圖Fig.3 Duration curve of temperature characteristic values of second layer

從監測結果來看，混凝土入模溫度、最高溫度、內表溫差等監控數據均滿足規范要求。從現場情況來看，拆模后的P7、P8索塔UHPC調節層未發現裂縫產生，下橫梁控裂效果理想。

5 結語

白居寺長江大橋下橫梁構件的仿真模型對比分析中，分析了低熱低收縮UHPC作為功能調節層的可行性，提出了白居寺長江大橋UHPC混凝土的性能指標，通過對UHPC材料的精確設計，配制出滿足計算指標要求的低熱低收縮UHPC混凝土，并在白居寺長江大橋下橫梁第1節混凝土成功應用，并得出結論如下：

1）采用UHPC作為應力調節層，利用其超高的抗拉性能，能有效提高承臺和下橫梁結合段的抗裂能力，現場應用效果良好。UHPC應力調節層可以作為類似構件的抗裂參考措施。

2）采用Midas FEA仿真計算分析對現場進行模擬，通過對關鍵參數確認，計算結果與現場監控結果基本符合，計算結果可以作為施工參考。

3）采用大摻量礦物摻合料、復合膨脹劑，能有效降低UHPC材料的水化熱和收縮。測試結果表明配制的UHPC工作性能良好，標養條件28 d劈拉強度達15.2 MPa、抗壓強度達131.3 MPa、絕熱溫升僅59.5℃，180 d干燥收縮率僅255×10-6，各項指標均能滿足白居寺長江大橋下橫梁混凝土抗裂要求。