應(yīng)用于裝配式橋梁的微膨脹UHPC研究

蔡莉莉，孫明書(shū)，郭小坤，秦文濤，洪碧武

(西南交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，云南 昆明 650000)

超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete，UHPC)具備高抗壓強(qiáng)度、高耐久性、抗凍融性能以及抗?jié)B透性，其已在橋梁結(jié)構(gòu)、防爆結(jié)構(gòu)、房屋結(jié)構(gòu)、抗沖擊結(jié)構(gòu)中獲得廣泛應(yīng)用[1-2]。隨著建筑業(yè)的飛速發(fā)展，快速橋梁施工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。國(guó)內(nèi)外研究顯示，快速橋梁施工技術(shù)的推廣對(duì)傳統(tǒng)橋梁的發(fā)展影響深遠(yuǎn)，而預(yù)制橋梁結(jié)構(gòu)快速施工是實(shí)現(xiàn)橋梁快速施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3-4]。預(yù)制橋梁快速施工是以確保橋梁結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵機(jī)械性能為前提的，因此社會(huì)對(duì)用作裝配式橋梁的橋墩承插縫的微膨脹超高性能混凝土(UHPC)材料提出更高要求[5-6]。鑒于此，本研究應(yīng)用于裝配式橋梁的自密實(shí)微膨脹UHPC，達(dá)到保障預(yù)制橋梁連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能、促進(jìn)預(yù)制裝配橋梁發(fā)展的目的。

1 微膨脹UHPC的制備設(shè)計(jì)

1.1 微膨脹UHPC材料的制備方案

UHPC作為承接縫灌注材料，應(yīng)具備前期微膨脹后期微收縮的特點(diǎn)。自密實(shí)、免蒸養(yǎng)是微膨脹UHPC材料在建筑工程中發(fā)揮作用的前提[7-8]。自密實(shí)超高性能混凝土具有高流動(dòng)性，在進(jìn)行澆筑作業(yè)時(shí)，不發(fā)生離析及泌水現(xiàn)象，通常情況下具備填充能力、穿越能力以及抗離析能力的高流動(dòng)性混凝土才可稱(chēng)為自密實(shí)混凝土[9-10]。

圖1為橋梁墩柱與承臺(tái)承插連接、墩柱與預(yù)制蓋梁承插半剛性連接，其中灌注縫混凝土均為UHPC。研究通過(guò)D-F方程完成級(jí)配設(shè)計(jì)，并以濕顆粒堆積密實(shí)度分析UHPC材料的影響因素。

圖1 橋梁構(gòu)建裝配工藝Fig.1 Bridge construction assembly process

表1為自密實(shí)免蒸養(yǎng)微膨脹UHPC材料的性能指標(biāo)，研究配置的微膨脹UHPC材料應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足這7項(xiàng)指標(biāo)。水泥為配置UHPC的原材料之一，水泥熟料經(jīng)過(guò)粉磨后，顆粒細(xì)度直接影響水泥強(qiáng)度。本次實(shí)驗(yàn)選擇存在不超過(guò)10%的顆粒直徑小于3 μm，高于90%顆粒直徑處于3～30 μm的硅酸鹽水泥，該類(lèi)型水泥具備極好流變性，對(duì)應(yīng)的3 d的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度分別為31.2、6.3 MPa；28 d的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度分別為62.1、9.6 MPa，比表面積340 m2/kg，凝結(jié)時(shí)間分別為173(初凝)、224 min(終凝)，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為24.4%。

表1 現(xiàn)澆免蒸養(yǎng)UHPC材料性能指標(biāo)及條件Tab.1 Properties and conditions of cast-in-place non-steaming UHPC materials

除水泥外，硅灰同屬高性能混凝土的配置原材料，其可通過(guò)火山灰效應(yīng)，迅速與水泥發(fā)生氫氧化鈣反應(yīng)，產(chǎn)生C—S—H，從而提高混凝土強(qiáng)度，加強(qiáng)水泥石與骨料的粘接程度；同時(shí)通過(guò)填充效應(yīng)，加強(qiáng)體系密實(shí)度[11-12]。粉煤灰微珠具備高活性、優(yōu)良流動(dòng)性，且其質(zhì)量小，可充當(dāng)UHPC的新型活性超微骨料。粉煤灰成分主要包含SiO2、Al2O3，二者可與氫氧化鈣迅速發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的水化物可直接填充于硬化的混凝土間隙中，在提高混凝土強(qiáng)度的同時(shí)，提升整體的抗腐蝕能力，達(dá)到延長(zhǎng)使用壽命的目的[13-14]。石英砂為UHPC的唯一骨料，其硬度高、價(jià)格低廉，主要負(fù)責(zé)UHPC中的集料。另外研究選擇西卡540粉體聚羧酸減水劑作為UHPC的高效減水劑，并于UHPC體系中增添鋼纖維，借此增大UHPC的抗壓能力、抗折能力。將上述材料混合攪拌制成拌合物，并放入100 mm×100 mm×100 mm的模具中，進(jìn)行一段時(shí)間的養(yǎng)護(hù)。

1.2 自密實(shí)微膨脹UHPC配制試驗(yàn)

自密實(shí)微膨脹UHPC配制原理為增大成分細(xì)度、活性，并最大限度地防止材料內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，從而實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)度、耐久性的提升[15]。因此，自密實(shí)微膨脹UHPC選材時(shí)，材料直徑應(yīng)處于0.11～1.00 mm，從而減少混凝土孔與孔間的距離，增大拌合物密度；為防止界面過(guò)渡區(qū)出現(xiàn)，自密實(shí)微膨脹UHPC配制選材時(shí)應(yīng)著手于挑選細(xì)骨料；為防止內(nèi)部裂縫出現(xiàn)，增強(qiáng)骨料整體密度，配制中還需要改善細(xì)骨料級(jí)配；為使得化學(xué)反應(yīng)減少孔隙率，縮短孔徑，在配制時(shí)還應(yīng)該加大硅粉與粉煤灰含量[16-18]。通過(guò)加壓、熱養(yǎng)護(hù)方式實(shí)現(xiàn)硬化，優(yōu)化材料微觀結(jié)構(gòu)；通過(guò)增加短而細(xì)的鋼纖維來(lái)提升延性，最后需要確保水膠比例小于0.25。另外，為了解自密實(shí)混凝土的流體特征，采用式(1)來(lái)進(jìn)行新拌自密實(shí)混凝土的流變分析。

τ=τ0+ηdr/dt

(1)

式中：τ、η分別為剪切應(yīng)力、粘性系數(shù)；τ0為屈服剪切應(yīng)力，反映避免塑性變形的最大應(yīng)力；dr/dt為切應(yīng)變速率，切應(yīng)變速率dr/dt與剪切應(yīng)力τ均屬變量；屈服剪切應(yīng)力τ0與粘性系數(shù)η均屬常量。當(dāng)剪切應(yīng)力τ大于屈服剪切應(yīng)力τ0時(shí)，混凝土發(fā)生流動(dòng)；粘性系數(shù)η反映保持混凝土拌合物不變的指標(biāo)，粘性系數(shù)η越小，混凝土流動(dòng)速度越快[19-20]。通過(guò)Dinger-Funk模型來(lái)設(shè)計(jì)整體配方，具體如式(2)所示。

(2)

式中：U(Dp)、n分別指累計(jì)篩下顆粒百分比、分布模數(shù)；Dp、Dps、DpL分別指當(dāng)前粒徑、最小粒徑和最大粒徑，μm。分布模數(shù)n決定整個(gè)體系中細(xì)顆粒占比，當(dāng)n∈[0.4～0.7]時(shí)，混合體系屬于粗匹配；當(dāng)n取較小值時(shí)，體系中細(xì)顆粒含量較高，n=0.25。

設(shè)定各材料的體積和為1，利用Dinger-Funk方程，使實(shí)際曲線盡量靠近目標(biāo)曲線。在最緊密堆積情況下，計(jì)算不同材料的實(shí)際體積分?jǐn)?shù)，并以不同材料間的密度比獲取材料的質(zhì)量、各粒徑范圍內(nèi)材料的摻量，最終確定UHPC的最優(yōu)配合比。

圖2顯示在實(shí)際累計(jì)過(guò)篩體積曲線與理論曲線逼近時(shí)，粉煤灰微珠的粒徑分布于0.1～1.5 μm；硅灰平均粒徑在0.1～0.2 μm，即粉煤灰微珠在一定程度上代替了硅灰的粒徑。且當(dāng)硅灰的體積分?jǐn)?shù)為0%時(shí)，粉煤灰微珠的體積分?jǐn)?shù)為0.1%，水泥的體積分?jǐn)?shù)為0.24%；石英砂粒徑在70 ～140、40～70、20～40和10～20 μm的體積分?jǐn)?shù)分別為0.35%、0%、0.07%、0.24%。

圖2 實(shí)際累計(jì)過(guò)篩體積曲線與理論曲線示意圖Fig.2 Schematic illustration of actual accumulativesieve volume curve and theoretical curve

鑒于不同原材料的密度間存在差異，研究過(guò)程中進(jìn)行體積質(zhì)量間的換算，可得如表2所示的每立方米體積UHPC理論堆積體中不同材料的質(zhì)量占比，即UHPC的最優(yōu)級(jí)配比例顯示為粉煤灰微珠、水泥及石英粒徑分別為70～140、40～70、20～40、10～20 μm與水泥的質(zhì)量比分別為0.36、1.00、1.21、0.64、0.24、0.83。

表2 UHPC中各種材料的質(zhì)量比Tab.2 Mass ratio of various materials in UHPC

2 自密實(shí)微膨脹UHPC影響因素分析

2.1 自密實(shí)微膨脹UHPC強(qiáng)度影響因素分析

流動(dòng)性直接影響自密實(shí)微膨脹UHPC的抗離析性、自填充性以及混凝土強(qiáng)度，且礦物摻合料對(duì)自密實(shí)微膨脹UHPC強(qiáng)度也產(chǎn)生影響。以Dinger-Funk方程計(jì)算出的配比作為自密實(shí)微膨脹UHPC的基本配比，分析流動(dòng)性與礦物摻合料摻量對(duì)UHPC的作用。水膠比取0.23，且自密實(shí)微膨脹UHPC為最優(yōu)級(jí)配比例，粉煤灰微珠、水泥和石英料徑分別為70～140、40～70、20～40、10～20與水泥的質(zhì)量比分別為0.36、1.00、1.21、0.64、0.24、0.83。減水劑摻量、粉煤灰微珠摻量對(duì)自密實(shí)微膨脹UHPC強(qiáng)度與流動(dòng)度影響如圖3所示。

圖3 減水劑摻量、粉煤灰微珠摻量對(duì)自密實(shí)微膨脹UHPC強(qiáng)度、流動(dòng)度的影響Fig.3 Effects of water reducing agent content andfly ash bead content on strength and fluidityof self-compacting micro expansion UHPC

由圖3(a)可知，當(dāng)減水劑摻量由0.3%提高到0.35%時(shí)，抗壓強(qiáng)度由68 MPa增加至81.1 MPa；當(dāng)減水劑摻量為0.40%時(shí)，抗壓強(qiáng)度為89.4 MPa；當(dāng)減水劑摻量為0.45%時(shí)，抗壓強(qiáng)度為最大值90.2MPa。隨著減水劑摻量的增加，自密實(shí)微膨脹UHPC抗壓強(qiáng)度、30 min的膠砂流動(dòng)性逐漸增大；當(dāng)減水劑摻量為0.45%時(shí)，對(duì)應(yīng)的砂漿30 min流動(dòng)度變化最微弱，自密實(shí)微膨脹UHPC抗壓強(qiáng)度最大，即最佳減水劑摻量應(yīng)當(dāng)為膠凝材料的0.45%。

由圖3(b)可知，隨著膠凝材料中粉煤灰微珠摻量的增加，自密實(shí)微膨脹UHPC中凈漿抗壓強(qiáng)度、堆積密實(shí)度均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)；說(shuō)明粉煤灰微珠摻量過(guò)多，不利于自密實(shí)微膨脹UHPC材料的28 d抗壓，膠凝體系中抗壓強(qiáng)度與堆積密實(shí)度之間存在正相關(guān)關(guān)系。水灰比、漿體空氣含量對(duì)自密實(shí)微膨脹UHPC抗壓強(qiáng)度的影響如圖4所示。

圖4 水灰比、漿體空氣含量對(duì)自密實(shí)微膨脹UHPC抗壓強(qiáng)度的作用效果圖Fig.4 Effect of water cement ratio and slurryair content on compressive strengthof self-compacting micro expansion UHPC

由圖4(a)可知，隨著水灰比的增加，自密實(shí)微膨脹UHPC的抗壓強(qiáng)度逐漸減??；但水灰比并非影響自密實(shí)微膨脹UHPC抗壓強(qiáng)度的唯一因素。

圖4(b)顯示漿體空氣含量越高，自密實(shí)微膨脹UHPC抗壓強(qiáng)度越低，即在自密實(shí)微膨脹UHPC抗壓強(qiáng)度處于100 ～220 MPa時(shí)，水灰比以及空氣含量均在一定程度上影響自密實(shí)微膨脹UHPC的抗壓強(qiáng)度。水膠比、鋼纖維體積摻量對(duì)自密實(shí)微膨脹UHPC的力學(xué)性能影響如圖5所示。

圖5 水膠比、鋼纖維體積摻量對(duì)自密實(shí)微膨脹UHPC的作用效果Fig.5 Effect of water binder ratio and volume content of steel fiber on self-compacting micro expansion UHPC

由圖5(a)可知，隨著鋼纖維體積摻量的增加，自密實(shí)微膨脹UHPC的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。當(dāng)鋼纖維體積摻量為2.5%左右時(shí)，自密實(shí)微膨脹UHPC的力學(xué)性能處于優(yōu)異狀態(tài)；當(dāng)鋼纖維體積摻量超過(guò)2.5%時(shí)，拌合物流動(dòng)性降低，自密實(shí)微膨脹UHPC密實(shí)性受到影響，抗折強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的提高率出現(xiàn)下降。這說(shuō)明自密實(shí)微膨脹UHPC配制中，鋼纖維體積摻量不宜超過(guò)2.5%，此時(shí)自密實(shí)微膨脹UHPC的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度依次分別提升至162、10.2、25.9 MPa。由圖5(b)可知，當(dāng)水膠比為0.167時(shí)，自密實(shí)微膨脹UHPC抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值127 MPa；當(dāng)水膠比超過(guò)0.167時(shí)，自密實(shí)微膨脹UHPC抗壓強(qiáng)度逐漸降低；當(dāng)水膠比為0.253時(shí)，自密實(shí)微膨脹UHPC抗壓強(qiáng)度降至76 MPa。這因在單位體積的混凝土拌合物中，漿體含量越多，相應(yīng)拌合物的流動(dòng)性越大，當(dāng)漿體含量過(guò)多時(shí)，拌合物黏度增加，勻質(zhì)性變差，不利于強(qiáng)度的耐久性所致。制備自密實(shí)微膨脹UHPC時(shí)，選擇水膠比為0.16～0.18。

2.2 自密實(shí)微膨脹UHPC限制膨脹率分析

2.2.1UHPC限制膨脹率分析

在裝配式橋梁搭建過(guò)程中，自密實(shí)微膨脹UHPC應(yīng)具備前期微膨脹后期微收縮的特性。收縮變形是無(wú)負(fù)載狀態(tài)下的混凝土出現(xiàn)裂縫的重要因素，裂縫的出現(xiàn)不利于裝配式橋梁建筑的穩(wěn)定性和安全性，因此制備過(guò)程中要重視自密實(shí)微膨脹UHPC的限制膨脹率的影響因素。膨脹劑摻量、收縮劑摻量對(duì)自密實(shí)微膨脹UHPC限制膨脹率的作用效果，具體如圖6所示。

圖6 膨脹劑摻量、收縮劑摻量對(duì)自密實(shí)微膨脹UHPC限制膨脹率的作用效果Fig.6 Effect of expansion agent content and shrinkage agent content on limiting expansion rateof self-compacting micro expansion UHPC

由圖6(a)可知，當(dāng)膨脹劑摻量為10%時(shí)，自密實(shí)微膨脹UHPC限制膨脹率先增大后減小，即自密實(shí)微膨脹UHPC先膨后縮，在終凝130 h左右，收縮值達(dá)到最大值392×10-6。這是因?yàn)榛炷脸尚秃?，膨脹劑立刻發(fā)生水化作用，并生成鈣礬石。當(dāng)膨脹劑摻量為0%、2%時(shí)，14 d的自密實(shí)微膨脹UHPC限制膨脹率依次分別為-643、-441；當(dāng)膨脹劑摻量為10%時(shí)，自密實(shí)微膨脹UHPC可在28 d時(shí)實(shí)現(xiàn)微膨脹作用。由圖6(b)可知，收縮劑通過(guò)降低孔隙溶液表面張力實(shí)現(xiàn)收縮，收縮劑摻量越多，自密實(shí)微膨脹UHPC限制膨脹率越低，抗壓強(qiáng)度越低。

2.2.2自密實(shí)微膨脹UHPC的粘接性能分析

限制收縮率對(duì)自密實(shí)微膨脹UHPC材料與混凝土管間脫粘的影響效果，結(jié)果具體如圖7所示。設(shè)置了4個(gè)試驗(yàn)組和1個(gè)對(duì)照組，第1組為空白對(duì)照，第2組中加入2%膨脹劑，第3組中加入10%膨脹劑，第4組中加入1%縮減劑，第5組中加入6%膨脹劑與0.5%縮減劑。

圖7 限制收縮率對(duì)自密實(shí)微膨脹UHPC材料與混凝土管間脫黏的影響效果Fig.7 Effect of limiting shrinkage on debonding between self-compacting micro expansionUHPC material and concrete pipe

由圖7可知，5個(gè)組對(duì)應(yīng)的28 d限制膨脹率依次分別為-675、-542、231、-255和95個(gè)微應(yīng)變，與內(nèi)外環(huán)(混凝土管)脫粘長(zhǎng)度分別為390、306、78、200和156 cm，對(duì)應(yīng)的比例分別為55%、43%、11%、28%、22%。限制膨脹率的降低能夠有效限制灌縫UHPC與混凝土管間接觸面的脫粘，從而增強(qiáng)自密實(shí)微膨脹UHPC與混凝土管界面間的粘接性能。結(jié)果表明：自密實(shí)微膨脹UHPC材料與混凝土管間的脫粘率和限制膨脹率成反比關(guān)系。

3 結(jié)語(yǔ)

為找出UHPC力學(xué)性能的影響因素，此次試驗(yàn)從UHPC的配制過(guò)程入手，分析鋼纖維、粉煤灰微珠、水膠比、膨脹劑等多種因素對(duì)自密實(shí)微膨脹UHPC的作用效果。研究結(jié)果表明，0.45%的減水劑摻量時(shí)，自密實(shí)微膨脹UHPC的抗壓強(qiáng)度最高；隨著膠凝材料中粉煤灰微珠摻量的增加，自密實(shí)微膨脹UHPC的凈漿抗壓強(qiáng)度、堆積密實(shí)度均出現(xiàn)先增大后減少的變化趨勢(shì)；自密實(shí)微膨脹UHPC的抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的升高而降低，隨漿體空氣含量的增加而降低，均呈現(xiàn)反相關(guān)關(guān)系；2.5%鋼纖維體積摻量下的自密實(shí)微膨脹UHPC具備高抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度；水膠比為0.167時(shí)，自密實(shí)微膨脹UHPC抗壓強(qiáng)度最高；并且限制膨脹率的降低能夠顯著限制灌縫UHPC與混凝土管間接觸面的脫粘。此次研究雖然取得了一定的成果，但缺少裂縫情況下對(duì)自密實(shí)微膨脹UHPC結(jié)構(gòu)性能的試驗(yàn)，未來(lái)著手于惡劣環(huán)境下自密實(shí)微膨脹UHPC性能結(jié)構(gòu)的相關(guān)試驗(yàn)。