海工耐久混凝土配合比试验研究与 70米预应力混凝土箱梁裂缝控制

海工耐久混凝土配合比试验研究与 70米预应力混凝土箱梁裂缝控制
赵剑发中铁大桥局股份有限公司
摘要通过对C50海工耐久混凝土各种性能的试验研究，以及杭州湾跨海大桥70米预制箱梁的工程实践，阐述如何通过优化配合比和低强初张拉等其它工艺措施，对预应力混凝土箱梁裂缝进行控制。

关键词海工耐久混凝土配合比研究裂缝控制
1 前言随着现代桥梁不断向海洋化、大跨度、高耐久、整体预制安装方向发展，桥梁工程中的混凝土对下列各项性能指标提出了更高的要求：耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性、经济性，特别是不易开裂性。

鉴于目前我国海工钢筋混凝土建筑物的使用寿命普遍偏短的状况，我们开展了海工高耐久混凝土的试验研究，以期提出桥梁工程用海工耐久混凝土配合比及其应用技术，有效地控制混凝土梁体早期裂缝产生，延长海工混凝土建筑物的使用寿命。

混凝土梁体早期开裂与高性能混凝土的性能密切相关，杭州湾跨海大桥和东海大桥箱梁使用的是C50高性能海工耐久混凝土，其设计使用年限为100年，由于其独特的海洋环境和设计使用寿命的提高，要求混凝土的密实度、抗氯离子渗透性能等都有一些更高的指标，它掺入了除水泥以外其它一些如矿粉、粉煤灰、甚至硅灰等胶凝材料；使用了性能更优的外加剂，以及低水胶比。

也正是由于这些要求使混凝土箱梁在施工过程中更容易产生裂缝。

在以往施工的许多类似桥梁中，都不同程度的存在箱梁顶板收缩裂缝、翼缘板横向裂缝（严重的翼缘板裂缝会贯穿）、箱梁腹板内外侧竖向裂缝的现象。

这些裂缝的产生无疑是对海工混凝土的耐久性及桥梁使用寿命的一个极大的挑战。

为此，我们在许多方面做了一些研究和探讨以及有益的尝试，取得了良好的效果。

2 海工混凝土的特点相对于普通混凝土，海工混凝土主要有以下特点：①高耐久性。

②高工作性。

主要包括高填充性、高抗离析、坍落度经时损失小。

③高体积稳定性，高减水率。

④高强度。

对于梁体混凝土，还应具有高弹性模量。

⑤高掺量、多组份外掺料。

⑥低水胶比。

⑦低水化热。

⑧低的升温和降温速率。

3 混凝土组份对抗裂性能的影响。

3.1 胶凝材料海工耐久混凝土一般要求使用P•Ⅱ42.5R以上的低热水泥，并掺入大量的颗粒更细的矿物掺合料，如矿粉.粉煤灰.硅灰等.采用Ⅰ级粉煤灰或Ⅱ级粉煤灰和S95矿渣粉、S105矿渣粉。

3.1.1 水泥品种水泥用量对混凝土的性能指标影响最为敏感，水泥用量大，外掺料相对减少，混凝土容重增大。

由于外掺料的活性较水泥低，混凝土的早期强度及弹模迅速增长。

不同品种的水泥对抗裂性能的影响首先是温度发展的影响，不同的温度发展对抗裂性能的影响不同。

其次，不同水泥有不同的变形特性，这也会影响抗裂性能。

3.1.2 粉煤灰：众所周知，粉煤灰由于发生火山灰反应而提高混凝土的抗裂性能，国内许多工程也采用大掺量粉煤灰来降低温升，粉煤灰具有减少混凝土早期抗开裂的优良特性。

掺加粉煤灰能够减少用水量，降低水胶比，由于粉煤灰可延长水化反应的时间，降低水化热，推迟了温度峰值的产生，减少了温度裂缝的产生因素。

混凝土的温度峰值随着粉煤灰掺量的增加而降低。

3.1.3 磨细矿渣：磨细矿渣有降低CL-扩散系数的能力，同时对开裂也具敏感性。

国外有资料表明矿渣掺量达到70%～80%时可有效降低混凝土的绝热温升。

3.1.4 硅灰：对于硅灰，其颗粒非常小，比表面积为18000m2/kg，非常大，28天活性指数为96%。

它与水泥水化时吸收大量的水分，从而造成构件明显的塑性收缩、自身收缩和干燥收缩。

3.1.5 复合矿粉（含硅灰）：复合矿粉（含硅灰）具有快速降低CL-扩散系数的能力，28天强度提前。

水泥、矿渣与粉煤灰协同掺入试件开裂时间最长，粉煤灰掺量增大更加明显。

3.2 粗细骨料采用低热膨胀系数的集料可以减少混凝土的温度变形，减少混凝土收缩时的约束应力，从而获得较低的开裂敏感性。

粗骨料一般采用粒径为5～25mm碎石，最好是Ⅰ类碎石，且无碱活性。

采用细度模数为2.6的中粗砂，其颗粒级配要好，且有Cl—、SO3含量控制要求，要求为Ⅱ类砂以上，并且无碱活性。

3.3 外加剂及拌合水主要成分是聚羧酸反应型高分子聚合物，具有非引气、超塑化、高效减水和增强、低收缩等功能，产品性
能符合国标GB8076—1997(高效减水剂)一等品指标。

采用洁净的自来水。

4 混凝土配合比设计及其性能 4.1 混凝土配合比优化过程混凝土材料的性能和配合比设计固然是提高混凝土工作性能和抗裂性能的根本，也是混凝土配合比优化设计的关键所在。

4.1.1 确定混凝土胶凝材料的组成：单掺粉煤灰或矿渣（或硅灰），还是双掺粉煤灰或矿渣，除了要满足混凝土强度、抗渗性能、工作性外，另一个重要指标是混凝土配合比所决定的抗裂性能，即混凝土的水化热。

在同一种水泥条件下，混凝土的水化热取决于掺合料的材料特性和其水化机理。

掺加矿渣后，混凝土的强度及抗渗透性能将优于掺加粉煤灰的混凝土。

当两者掺量相同时，单掺矿渣比单掺粉煤灰在混凝土早期硬化过程（28天以内）产生的水化热要大，即混凝土内部的绝热温升要高。

4.1.2 确定混凝土胶凝材料的比例：单掺粉煤灰和单掺矿渣各有优劣，但都不易满足混凝土技术和施工需要。

通过大量的试验和实践，最终形成了双掺粉煤灰和矿渣的耐久混凝土设计思路。

采用最低的胶凝材料用量，通过调整混凝土掺合料的比例，最大限度地降低混凝土水化热，并满足混凝土抗裂性、工作性要求。

如水泥掺量小于30%，在初凝前给混凝土的保水性带来考验，稍有不慎极易出现泌水；如水泥掺量超过50%，在早期将带来过高的水化热；如矿渣掺量超过胶凝总量的50%以上，压力泌水的可能性就很难避免。

4.2 选择优质的掺合料：矿渣、粉煤灰掺合料的质量也将直接影响混凝土的性能。

4.2.1 烧失量：烧失量的大小在一定程度上反映了燃烧完全的程度和含碳量指标，含碳量高的粉煤灰烧失量大，需水量亦大，对混凝土的工作性、强度、耐久性和外加剂掺量等都有不利影响。

4.2.2 需水量比：矿渣、粉煤灰掺合料需水量比越小，混凝土干缩越小，在相同水胶比条件下，能保持混凝土较好的工作性。

4.2.3 细度：细度并非越小越好，同一种掺合料的细度越小，比表面积越大，需水量比越大，活性指数越大，早期水化反应速度越快，放热亦快。

矿渣的比表面积宜控制在360～500m2/kg，Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰的比表面积分别为600m2/kg和400m2/kg。

矿渣比表面积的大范围波动将给混凝土早期水化热和混凝土的保水性带来影响。

如表1：表1 胶凝材料烧失量、需水量比、比表面积表胶凝材料密度（g/cm3）烧失量（%）需水量比（%）比表面积（m2/kg）水泥 3.1 2.24 28.6 395 矿渣 2.9 1.2 97 500 粉煤灰 2.1 2.1 92 560 4.2.4 值得探讨的问题：在水胶比一定的条件下，如何按照水泥、矿渣、粉煤灰胶凝材料的水化速度、需水量比等指标，来合理确定各胶凝材料的掺配比例和胶凝材料总量，降低混凝土内部水化热和最高绝热温升，并延缓混凝土内部最高温升出现的时间。

4.3 设计技术方案根据混凝土耐久性指标要求和施工的特点，混凝土配合比设计采用以下技术方案： a、低水胶比（0.33），大坍落度(16~20) ； b、采用粉煤灰和矿渣粉或粉煤灰和硅灰复掺方案。

5 混凝土的各种性能根据原材料分析和以往的实际经验，我们按耐久性理念和确定的技术方案设计了127种混凝土配合比，经试配，得到10个最优配合比。

其中Hp1为不掺粉煤灰和矿渣粉的普通混凝土，其它为掺10％～15％粉煤灰和25％～45％矿渣粉的海工耐久混凝土和掺12.9％～15％粉煤灰和5%硅灰的海工耐久混凝土。

5.1 混凝土拌合物性能从试验可以看出，掺粉煤灰和矿渣粉或粉煤灰和硅灰的海工耐久混凝土坍落度保持更好，用粉煤灰和矿渣粉或粉煤灰和硅灰取代部分水泥和细骨料拌制的海工耐久混凝土初期压力泌水较小，掺粉煤灰和矿渣粉比掺粉煤灰和硅灰的抗裂性好。

5.2 混凝土力学性能混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度及静力受压弹性模量等试验结果见图1。

从中可看出，掺粉煤灰和磨细矿渣粉的海工耐久混凝土的早期抗压强度（3天）较普通混凝土低，但所有混凝土的后期力学性能均达到C50～C70的设计要求。

掺粉煤灰和大掺量矿渣粉或小掺量硅灰的海工耐久混凝土的后期力学性能与普通混凝土基本相同。

5.3 混凝土早期抗裂性能 5.3.1 混凝土开裂性能评价体系：我们通过温度—应力试验，掌握了一些关键性的参数，如表2：表2 温度—应力试验抗裂评价指标评价指标第二零应力温度应力储备开裂温度数值 <40℃ >35% <14℃开裂温度是评价混凝土抗裂性能的综合指标。

根据不同配比及实际工程验证，开裂温度应小于14℃。

5.3.2 平板试验为了评价混
凝土拌合物在初期凝结硬化过程中收缩开裂的性能，我们采用平板试件进行混凝土抗裂性测试。

记录试件开裂时间、裂缝数量、裂缝长度和宽度。

试件早期抗裂性等级评价准则如下： 1）仅有非常细的裂纹； 2）平均开裂面积a＜10mm2； 3）单位面积开裂裂缝数目b ＜10根／m2； 4）单位面积总开裂面积C＜100mm2/m2。

按照上述四个准则，将抗裂性划分为五个等级：Ⅰ级：全部满足上述四个条件我们对10组配合比的混凝土试件进行了抗裂性的对比试验，从中可看出，有些配合比拌制的混凝土早期抗裂性能好，它们在相应的环境条件下从浇注起直至24小时未开裂；早期抗裂评定等级为Ⅰ级。

5.4 混凝土长期性能和耐久性能为满足杭州湾大桥海工耐久混凝土的性能要求，我们进行了180天收缩徐变试验和Cl-扩散系数试验。

5.4.1 收缩徐变试验为了掌握海工耐久混凝土的收缩徐变特性及给设计部门提供早期张拉预应力损失计算和桥梁线型计算的资料依据，我们进行了收缩、徐变试验。

图2为四种混凝土徐变的对比情况。

从试验可以看出，掺粉煤灰和磨细高炉矿渣粉的海工耐久混凝土与不掺粉煤灰和磨细高炉矿渣粉的普通混凝土相比，前者的120天徐变值小62％～65％。

遗憾的是，180天以后的数据目前没有，这种高性能混凝土的最终徐变与普通混凝土相比到底有多大差别，还没有充分的数据说明，值得进一步研究。

5.4.2 抗Cl-渗透性能试验对于海工混凝土来说，外界氯离子渗入速度越慢，渗入量越少，混凝土中钢筋的腐蚀速度越慢，其结构就越耐久。

因此，混凝土抗氯离子的渗透性能是衡量海工混凝土耐久性的重要指标之一。

本项目利用最新的RCM法（DuraCrete非稳态电迁移试验方法）检测混凝土Cl-扩散系数，试验结果见图3。

从中看出，不掺粉煤灰和矿渣粉的普通混凝土（Hp1）Cl-扩散系数较大，84天龄期的Cl-扩散系数为1.88×10－12m2/s；而掺了粉煤灰和矿渣粉或硅灰的海工耐久混凝土Cl-扩散系数很小，28天龄期的Cl-扩散系数为（0.85～1.30）×10－12m2/s，84天龄期的Cl-扩散系数为（0.31～0.43）×10－12m2/s，仅为前者的1/6。

表明掺粉煤灰和矿渣粉的海工耐久混凝土具备优越的抗氯离子侵蚀能力，与普通混凝土相比，最少可以延长使用寿命3～4倍以上。

工程应用情况:利用该配合比在杭州湾跨海大桥70米箱梁的使用过程中没有出现其它类似工程中常见的裂缝，取得了非常好的裂缝控制效果。

6 裂缝成因分析 6.1 裂缝产生机理（本文所讨论的裂缝均为非结构裂缝）： 6.1.1 施工过程导致裂缝的原因：由于周围环境的相互作用，以及水与胶凝材料本身的反应会使混凝土自身产生体积变化，如果体积变化受到内部或外部的约束，拉应力就会在混凝土中出现，此时的拉应力如大于混凝土当时的抗拉能力，即产生裂缝。

它一般有如下几种现象：①塑性沉降；②塑性收缩；③外部干燥；④自身收缩；⑤热应力裂缝。

6.2 裂缝产生的形态与时间：首先要分析裂缝是何时出现的。

一般几小时内产生的裂缝叫塑性收缩或叫Ⅰ类裂缝，此时混凝土还没有初凝；在几天内产生的裂缝，一般是由于温度引起的体积变化，叫热应力裂缝或叫Ⅱ类裂缝；如果是在几周内产生的裂缝，则是收缩引起的体积变化，或外部干燥引起的，叫干缩裂缝，或叫Ⅲ类裂缝。

6.3 以前箱梁施工常见裂缝对照分析： 6.3.1 箱梁顶板裂缝：此种裂缝一般产生在混凝土浇注完毕12h~24h内（具体与混凝土的配合比有关），或产生在顶板混凝土初凝前后，这是一种典型的塑性收缩，是由于新鲜混凝土暴露于空气中，蒸发和风速引起的。

6.3.2 箱梁翼缘板横向裂缝：主要指翼缘板下侧，一般在几天内或模板拆除一天内即会出现。

这是在硬化阶段形成的温度应力裂缝，但它的产生与翼缘板纵向钢筋的布置数量多少、间距、钢筋直径大小等有关系。

此类裂缝严重时会贯穿翼缘板，有时从顶板向下渗水，非常明显。

6.3.3 箱梁腹板内外侧竖向裂缝：此类裂缝大约出现在3到4天左右，此类裂缝也是由于箱内混凝土温度达最高点后，然后开始下降时，由于体内外的温差变化，混凝土体积变小，但由于受模板特别是不规则的内模如变截面、锯齿块等各方面的约束，不能自由收缩引起的。

此时混凝土的强度、弹模均较低，特别是混凝土的抗拉强度完全不足以抵抗此时由于体内温度收缩引起的混凝土的拉应力，致使箱梁腹板内、外侧产生裂缝。

7 裂缝控制措施： 7.1 优化混凝土配合比： 7.1.1在配合比设计阶段：首先要控制原材料的配合比，尽量避免早强、
超强。

配合比设计应遵循：试配阶段应进行抗裂性能的对比试验，还要进行混凝土弹模，不同龄期自由收缩和徐变试验。

为提高混凝土的结构耐久性，改善混凝土配合比应遵循的一般原则如下：①选用质量稳定，并有利于改善混凝土抗裂性能的水泥和集料等原材料，在混凝土中掺入矿物掺和料，并掺量合适。

②控制混凝土的绝对温度，即控制胶凝材料的总用量或胶凝材料总的热量，并设法推迟产生温度峰值产生的时间。

③适当降低混凝土的水胶比，在混凝土中添加引气剂。

7.1.2 拌制混凝土时，应严格执行配合比。

掺和料的任何微小的变化均有可能导致混凝土性能的变化，如早期强度、弹模、塌落度、其它工作性能、裂缝等各种不利情况发生。

并应确保混凝土的拌制时间。

对原材料的入机温度、混凝土初始入模温度等各方面均要严格控制。

7.1.3 施工时保证新拌混凝土能及时并有连续较长的养护时间。

7.1.4 严格控制一些关键温度：①控制混凝土的入模温度，不宜超过28℃，不应大于30℃；②混凝土的表面接触物与混凝土的表面温差不大于15℃；③大体积混凝土入模后30分钟的最大温升应小于30℃；④混凝土的初始温度及出机温度应控制在5℃~28℃之间。

7.2 温度监测：针对70m预应力混凝土箱梁C50海工耐久混凝土的特点，由于其830立方混凝土要在约8～10h内一次连续浇注完毕，为控制箱梁体内外温差引起的温度应力引起构件开裂的难题。

分别针对常温和夏季高温在普通养护条件下水化热的温度场进行了监控测试。

下面为气温分别为20℃和35℃时最不利截面端部加厚处的混凝土水化热温度时程曲线图。

其它标准截面明显偏小，最高温度一般低10℃左右。

从曲线图中可以看出，水化热温度大体成“温升→高温持续→温降→平衡”规律进行，且截面尺寸影响较大，较厚的梁端截面明显高于较薄的标准截面。

水化热温度上升过程时间约为30～36h，高温持续时间也均为30～36h，然后开始下降，最高温差20℃。

梁体内最高温度常温时为55.8℃，夏季高温时为80.4℃，均发生在端部加厚处腹板与顶板交接处。

常温时箱梁腹板厚度方面的温度梯度不大，在15℃以内，故不会产生裂缝。

高温环境能够促进水化热的发展过程，与常温相比，水化热发生时间提前约10h，最高温度高出约25℃，水化热过程中温度变化幅度大大提高，温差超出15℃。

水化热温差冬季36.6℃，夏季49.6℃，可见环境温度对温度变化幅度影响很大。

因此，夏季应采取措施，诸如加冰水、骨料隔热等控制混凝土入模温度（还有其它一些工艺措施）。

如果把混凝土的浇筑温度降低10℃，可以降低开裂时的应变10%～15%；同时控制拆模时间，拆模时构件内部和表面温差宜小于15℃。

且夏季时养护的要求更高，采取适当措施控制混凝土温度升高和温度变化速度，使之产生的拉应力小于混凝土的抗拉强度，就可避免出现裂缝。

7.3 低强初张拉的工艺措施。

为防止箱梁混凝土早期出现裂缝。

我们在杭州湾跨海大桥70m箱梁预制时作了一些有益的尝试，即对箱梁进行二次张拉，即低强初张拉和终张拉。

在此，我们把它作为控制混凝土早期裂缝的一种工艺措施，它的原理就是在混凝土早期温度增长过程中，水化热变化大，混凝土抗拉强度非常低，极易产生裂缝，此时我们采取初张拉，给其施加一定的压应力，以补偿由于早期混凝土弹模及强度，特别是抗拉强度的不足，这样可以有效地控制混凝土早期裂缝的出现。

根据我们对箱梁的测温试验记录和温度监测，我们控制初张拉时混凝土的强度不小于C25，弹模不小于18.8GPa，张拉控制力按箱梁腹板设计索力的30%控制。

此值应尽量使断面均匀受压。

并在内模快速拆除之后进行。

7.4 控制裂缝产生的最后一个措施就是良好的养护。

等待凝固的时间正是混凝土对塑性收缩裂缝最敏感的时间。

因此，需要及时养护。

塑性收缩裂缝还取决于混凝土泌水、气温，相对湿度、混凝土温度，风速等因素。

解决的措施就是养护，也就是控制水分的蒸发，控制热量损失速率——保温隔热。

对于海工耐久混凝土，施工应尽量减少暴露的工作面和暴露时间，浇注完后应立即抹平进入养护程序。

8 结语：通过一系列混凝土配合比的研究，从混凝土的各项性能和经济成本的各项指标反映，我们可以得出以下结论：使用P•Ⅱ42.5硅酸盐水泥、Ⅱ区中砂和5～25 mm 碎石、Ⅰ级低钙粉煤灰或Ⅱ级低钙粉煤灰及粒化高炉矿渣粉、混凝土超塑化剂及缓凝高效减水剂可以配制出高标号海工耐久混凝土，满足高标号海工
混凝土力学性能指标、工作性能和耐久性能要求。

掺粉煤灰和磨细矿渣粉或硅灰的海工耐久混凝土具备优良的抗氯离子侵蚀能力，与普通混凝土相比，最少可以延长使用寿命3～4倍以上。

混凝土的抗裂性能与配合比密切相关；混凝土收缩徐变随着预应力张拉龄期的延长而降低。

同时可以看出：矿渣、粉煤灰掺量的增加，其早期强度会明显降低，而外掺料掺量的减少会降低混凝土的耐久性，两者对于梁体预应力混凝土是相互矛盾的。

必须找到一个平衡点，兼顾早期强度和耐久性两项指标。

高标号海工高耐久混凝土的施工工艺与普通混凝土相同，但要求搅拌时间相应增加60s，还应该比普通混凝土更早地开始潮湿养护，且持续时间更长。

混凝土浇注后应处于温度和湿度变化较小的环境中。

海工耐久混凝土的箱梁施工裂缝控制是一个普遍存在的问题，无论是在国内还是在国外；不管是现浇还是预制。

如果措施不力，工艺不正确，都将会出现。

我们在控制裂缝的产生方面做出了一些有益的尝试。

事实证明效果是良好的，裂缝产生得到了有效的控制。

总之通过优化混凝土配合比，加强养护，采取一些有效的工艺措施，特别是低强初张拉的工艺措施，箱梁裂缝就可以控制。