荆岳长江公路大桥钢混结合段混凝土配制及性能研究

刘松，屠柳青，裴炳志，李顺凯，查进

（1.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430071；2.荆岳长江公路大桥建设指挥部，湖北 监利 433300）

1 引言

荆岳长江公路大桥全长约4.3 km，为主跨816m的双塔混合梁斜拉桥。其中设于南边跨的钢-混结合段为本桥的关键部位，对大桥的安全、可靠性和耐久性非常重要。钢-混结合段靠近主塔根部，受主跨传来的轴力大，本工程采用了带PBL键（开孔板连接件）和剪力块的前、后承压板钢格室方案，截面轴力和弯矩是通过钢格室前后承压板、PBL键以及钢板与混凝土的摩擦力来传递，剪力和扭矩主要通过结合面端部的剪力块传递。

为了有效地把钢梁上的力传递到上、下翼缘板及腹板附近的连接部分，在结合部位制作了一段双壁式的钢箱结构（带剪力键的多格室结构），并在其中灌注混凝土，依靠剪力键将钢梁与预应力混凝土箱梁（P.C.）连为一个整体。此设计方案的优点是刚度过渡比较均匀，应力扩散好，不需要设置过厚的承压钢板；缺点是构造相对较复杂，对结合段钢格室加工和混凝土的性能要求较高。其中填充混凝土设计强度等级高达C50，养护困难，易收缩开裂。一旦浇筑不密实或收缩开裂将会导致混凝土箱梁与钢箱梁结合不紧密，从而不能满足钢混结合段及PBL剪力键的设计要求。

2 钢混结合段混凝土配制要求

为了保障钢-混结合段的密实浇筑，防止结合段混凝土在施工和使用阶段脱粘与开裂，该混凝土的设计重点是：①采用大流态、易于灌注的自密实混凝土；②收缩小，利于钢箱梁与混凝土箱梁的结合；③刚度大、韧性好、疲劳强度高，保证钢箱梁与混凝土箱梁间的力学匹配。本研究通过采用高效聚羧酸外加剂以及优质粉煤灰来改善混凝土的工作性能，适量掺加膨胀剂来补偿混凝土的收缩，同时利用纤维来改进混凝土的弹性模量和力学性能[1]。新拌混凝土的坍落度控制在（250±20）mm（目标值≥230mm），坍落扩展度为（650±50）mm（目标值≥600mm），胶凝材料控制在490～550 kg/m3。

3 试验原材料及配合比

原材料包括：岳阳华新低碱P.O42.5水泥；湖北汉川电厂Ⅰ级粉煤灰；岳阳临湘5～20 mm碎石（表观密度2 750 kg/m3）；岳阳汨罗中砂（细度模数2.6，表观密度2 630 kg/m3）；瑞士Sika V3301C聚羧酸高效减水剂；某品牌的聚丙烯纤维和钢纤维以及A，B，C 3种不同厂家的膨胀剂。采用表1中的配合比配制C50钢混结合段混凝土。

表1 钢-混结合段混凝土试拌配合比

4 新拌混凝土工作性能

针对钢混结合段钢格室多，钢筋密集的特点，采用坍落度筒外加M10钢筋围成直径300mm的圆环测试坍落度、扩展度。圆环外径330mm，内径270mm，四周分布17根φ10的钢筋，钢筋间距40mm（图1）。在测试混凝土坍落度、扩展度的同时，测试混凝土的中心和边缘四等分点处混凝土的高度差的均值ΔH1（无J型环时）或ΔH2（有J型环时），该值可较好地反映混凝土的流动性和抗离析性能。其中表2为采用J环测试新拌混凝土工作性能结果。

图1 钢纤维混凝土环试验

表2 混凝土拌和物J环试验结果 mm

除施工性能外，混凝土的均质性也是作为评价混凝土质量的重要指标。对于大坍落度混凝土，由于选材和工艺的不恰当，往往容易造成混凝土的离析。从表2可以看出，无论是聚丙烯纤维还是钢纤维，对混凝土的工作性能都有一定的影响，钢纤维影响较聚丙烯纤维大，粉煤灰的掺入改善了混凝土流动性，改善的效果与粉煤灰的掺量有关系[2]。结合钢混结合段混凝土的配制要求，以及试验室试拌情况看，编号为G-1，G-4，G-8，G-9混凝土的均质性以及钢筋的穿越能力较好。

5 力学性能

初步选择了4组混凝土进行抗压强度和弹性模量试验，结果见表3。

表3 钢-混结合段混凝土配合比抗压强度及弹性模量

从表3的强度结果来看，4组混凝土的7 d强度皆超过50MPa，28 d强度均超过60MPa，满足设计要求；4种配比混凝土的早期强度增长速率较快，后期强度增加缓慢，其中掺入的膨胀剂粉末，由于取代了部分水泥，混凝土早期强度相对有所降低，但影响不大；钢纤维的掺入能够提高混凝土的强度，特别是混凝土的28 d强度，这是由于后期水泥基体的强度增长，胶凝体与纤维的粘结强度提高了；与基准混凝土相比，钢纤维的掺入提高了混凝土的弹性模量，聚丙烯纤维混凝土的弹性模量有所降低，但相差不大。

6 体积稳定性

钢混结合段混凝土的体积稳定性是保证钢混结合段结构整体性的重要评价指标，图2为4种不同配合比混凝土的干缩试验结果。从图2可以看出：钢-混结合段混凝土干缩率在14 d内增长迅速，此后随着龄期的增长，增长速率逐渐降低，180 d龄期时混凝土干缩率仍有一定的增长。与基准混凝土（G-1）相比，微膨胀聚丙烯纤维混凝土（G-4）、微膨胀混凝土（G-8）、钢纤维混凝土（G-9），各龄期干缩值均减小，180 d干缩值分别降低了22.6%、6.7%、8.4%，微膨胀聚丙烯纤维混凝土（G-4）降低混凝土自收缩作用效果尤为明显。这说明聚丙烯纤维可以有效地提高自密实混凝土抵抗收缩变形和开裂的能力，从而抑制自密实混凝土的收缩变形。这主要是由于聚丙烯纤维的弹性模量较低，其断裂伸长率大于混凝土断裂伸长率，有利于提高混凝土的延性，改善混凝土的变形性能；另一方面收缩的能量被分散到每立方米数千万条具有高抗拉强度、低弹模的纤维单丝上，从而有效地增加了混凝土的韧性，抑制了混凝土微细裂纹的产生和发展[3]。

图2 4种不同配比混凝土的干缩对比

为了验证混凝土在实际工况下的性能，荆岳长江公路大桥建设指挥部在现场浇筑1∶0.5的钢混结合段模型，课题组通过试验研究，从工作性能、力学性能、体积稳定性能等方面考虑采用G-4配合比浇筑钢隔室。从现场模型试验来看，混凝土浇筑情况良好（如图3所示），能够有效的保证钢混结合段的整体性。

图3 钢混结合段模型混凝土浇筑

7 结语

（1）采用J环试验模拟多筋的施工环境，能够更好地评价混凝土在实际工况下的施工性能。

（2）采用膨胀剂和聚丙烯纤维能改善混凝土的收缩和韧性。试验结果显示G-4配合比力学性能满足要求，干缩率最低。

（3）从现场模型试验来看，G-4配合比混凝土填充效果良好，有利于指导实际施工。

（4）G-4混凝土配合比在荆岳长江公路大桥建设中得到了应用。

[1] 李顺凯，等.金塘大桥预制箱梁海工混凝土配制及性能研究[J].中国港湾建设，2008，（2）：38-40.

[2] 刘松，等.大掺量粉煤灰混凝土在荆岳长江公路大桥承台中的应用[J].粉煤灰综合利用，2009，（1）：41-43.

[3] 李红君，等.聚丙烯纤维混凝土早期开裂敏感性的研究[J].国外建材科技，2009，（1）：41-44.