抗擾動快硬高延性混凝土的制備

李利偉，楊建輝

（1. 常州市武進(jìn)區(qū)公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 常州 213001；2. 常州綠瑪特建筑科技有限公司，江蘇 常州 213163）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，大量重型車輛的出現(xiàn)，對承擔(dān)交通運(yùn)輸功能的道路的要求大大提高。水泥混凝土公路路面一旦損壞，需要盡快修補(bǔ)，盡早開放交通。然而現(xiàn)在交通運(yùn)輸量繁重、交通量較大，封閉交通會增加車輛繞行距離，社會影響較大，有時候根本不允許封閉交通。因此，研究如何在交通不中斷或在交通流量較小條件下對其進(jìn)行加固、修補(bǔ)有重大意義。由于車輛行駛會引起路面的振動，導(dǎo)致新澆筑混凝土在凝結(jié)硬化過程中受到持續(xù)擾動，混凝土的性能及內(nèi)部結(jié)構(gòu)將會受到影響。張悅?cè)缓蛷堄谰甑萚1-2]采用標(biāo)準(zhǔn)振擊篩模擬振動條件，指出混凝土凝結(jié)硬化中期抗擾動能力最弱，并提出摻加調(diào)凝劑縮短混凝土的凝結(jié)時間、摻加聚丙烯纖維以及摻加硫鋁酸鹽熟料與明礬石膨脹劑可提高混凝土抗擾動能力。

然而普通纖維（玻璃纖維、聚丙烯纖維、碳纖維或玄武巖纖維等）混凝土抗裂性較好，但抗拉強(qiáng)度和延性仍較低，拉伸變形能力一般不大于 0.2%[3]；鋼纖維混凝土雖具有較高的抗拉強(qiáng)度，但是拉伸延性不超過0.5%，拉伸變形能力遠(yuǎn)不如鋼筋（鋼筋拉伸應(yīng)變能力不小于 8%）。從力學(xué)指標(biāo)來看，現(xiàn)有的高性能混凝土都不足以提供抗拉貢獻(xiàn)，與傳統(tǒng)的混凝土相差不大[4]，如用于交通量繁重的城市快速路水泥路面修復(fù)，在重型車輛反復(fù)碾壓擾動下，會加速混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的劣化而反復(fù)維修[5]。

本文制備一種修補(bǔ)用抗擾動快硬高延性混凝土，應(yīng)變（延性）可達(dá) 11%［鋼筋的應(yīng)變（延性）為 8%～9%］，具有優(yōu)異的韌性；且其在應(yīng)力最大峰值處最大裂縫寬度小于 0.2mm，完全滿足嚴(yán)酷條件下的耐腐蝕耐久性要求，將為工程結(jié)構(gòu)安全服役提供關(guān)鍵性材料保障。采用這種材料來設(shè)計(jì)修補(bǔ)混凝土，能有效減少甚至免除結(jié)構(gòu)今后的維修，大幅度延長結(jié)構(gòu)使用壽命，一般能使其壽命延長 30～50 年[6]。

本文采用標(biāo)準(zhǔn)振擊篩模擬振動條件對抗擾動快硬高延性混凝土施加擾動，探索擾動條件下混凝土力學(xué)性能變化規(guī)律，并將該混凝土應(yīng)用到城市快速路主干道上修復(fù)破損混凝土路面，并持續(xù)觀察后續(xù)修補(bǔ)效果。

1 試驗(yàn)原料和方法

1.1 試驗(yàn)原料

水泥為唐山某公司生產(chǎn)的 42.5 級快硬硫鋁酸鹽水泥；纖維選用 3 種，分別記為 PVA（國產(chǎn)，長度 12mm，直徑 40μm）、鋼纖維（國產(chǎn)，長度 12～16mm，直徑 0.2mm）及 PE（國產(chǎn)，長度 12mm，直徑40μm）；細(xì)骨料為 70～120 目潔凈石英砂；酒石酸、輔助膠凝材料、減水劑及其他助劑均為常州綠瑪特建筑科技有限公司自行制備。

1.2 快硬高延性混凝土制備工藝

快硬高延性混凝土制備工藝為：（1）先將水泥、輔助膠凝材料、石英砂、減水劑及其他助劑混合，干拌 3～4min 至均勻狀態(tài)；（2）加入計(jì)量好的水，快速攪拌 1～2min，使?jié){體至均勻狀態(tài)；（3）切換攪拌狀態(tài)，由高速降至低速，然后加入纖維，投完纖維后，快速攪拌 2～3min，使拌合物呈均勻狀態(tài)；（4）攪拌完成后澆筑、搗實(shí)漿體，然后用透明塑料膜覆蓋表面以防水分蒸發(fā)。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）凝結(jié)時間測試：依據(jù) GB/T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗(yàn)方法》中凝結(jié)時間測定方法測定漿體初凝、終凝時間。

（2）基本力學(xué)性能測試：按照 GB/T 17671—l999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》，對不同配合比進(jìn)行 24h 抗折、抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測定。

（3）抗拉強(qiáng)度、延伸率測試：試驗(yàn)采用試件為13mm×60mm×280mm 狗骨試件（見圖 1），標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至 24h，參照 JC/T 2461—2018《高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，利用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試，加載方式為按位移加載，加載速率為 0.5mm/min。

圖1 拉伸性能用試件

（4）快硬高延性混凝土抗擾動試驗(yàn)：攪拌 20 升快硬高延性混凝土，分別裝入 3 個 5 升混凝土容量桶，編號 1、2、3 號，剩余 5 升裝入砂漿膠砂試模。攪拌完的快硬高延性混凝土靜置 30min，選 1 號放入標(biāo)準(zhǔn)搖篩機(jī)上固定，震動 8min 后裝入砂漿膠砂試模，到第 60min時，選 2 號放入標(biāo)準(zhǔn)搖篩機(jī)上固定，震動 8min 后裝入砂漿膠砂試模；到第 90min 時，選 3 號放入標(biāo)準(zhǔn)搖篩機(jī)上固定，震動 8min 后裝入砂漿膠砂試模。每次搖完后觀察有無裂縫出現(xiàn)，24h 后測試?yán)煨阅芎涂拐劭箟盒阅堋?/p>

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 緩凝劑用量對不摻纖維快硬高延性混凝土凝結(jié)時間和強(qiáng)度的影響

根據(jù)前期工作優(yōu)選一組基準(zhǔn)配合比，但此時為考慮緩凝劑及纖維種類對可操作時間及物理力學(xué)性能的影響，因此未添加緩凝劑和纖維，基準(zhǔn)配合比如表 1 所示。

表1 基準(zhǔn)配合比

由于硫鋁水泥凝結(jié)硬化快，因此需要加入緩凝劑保證有合適的施工時間。本文采用酒石酸作為緩凝劑[7]，固定水膠比為 0.25，在其他組份不變的前提下，緩凝劑用量分別為 0.20%、0.24%、0.28% 和 0.32%。表 2 為緩凝劑的用量對凝結(jié)時間和 24h 抗壓抗折強(qiáng)度的影響。

從表 2 可以看出，隨著緩凝劑用量的增加，初凝時間逐漸增加，但終凝與初凝之間的時間差變化不大。當(dāng)緩凝劑用量為 0.28% 時，初凝時間可以達(dá)到 64min，高延性混凝土具有了較長施工時間。隨著酒石酸添加量增大，抗壓強(qiáng)度逐漸降低，抗折強(qiáng)度先增加后降低。在酒石酸添加量為 0.28% 時抗折強(qiáng)度最高。對水泥混凝土路面而言，抗折抗彎強(qiáng)度越高越好，因此固定緩凝劑摻量為 0.28%。

表2 緩凝劑的用量對凝結(jié)時間的影響

2.2 纖維種類對快硬高延性混凝土拉伸性能和抗壓抗折性能的影響

在前述基礎(chǔ)上，其他組分不變，分別摻入體積含量相等（2%）的 3 種纖維。攪拌均勻后成型，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至 2h 拆模，然后自然養(yǎng)護(hù)至 24h，測試?yán)煨阅芎涂箟嚎拐坌阅?，結(jié)果見表 3。

表3 纖維種類對混凝土拉伸性能和力學(xué)性能的影響

將表 3 與表 2 中緩凝劑摻量為 0.28% 的數(shù)據(jù)對比可以看出，摻加鋼纖維對快硬高延性混凝土抗折抗壓性能提升非常明顯，抗壓強(qiáng)度提升 61%，抗折強(qiáng)度提升 112%，但延伸率只有 0.4%，比較低，對抗拉性能提升不明顯，拉破壞后出現(xiàn) 1 條粗裂縫。摻加 PVA 纖維后，抗壓強(qiáng)度下降 19.6%，抗折強(qiáng)度提升 63.7%，延伸率為 2.5%，對抗拉性能提升較明顯，拉破壞后出現(xiàn) 10條較粗裂縫。摻加 PE 纖維后，抗壓強(qiáng)度下降 9.8%，抗折強(qiáng)度提升 90%，延伸率為 11%，對抗拉性能提升極明顯，且拉破壞后出現(xiàn) 64 條細(xì)微裂縫，出現(xiàn)極明顯的多縫開裂現(xiàn)象，能夠大幅度分散應(yīng)力，且裂縫平均寬度為 0.12mm，小于結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)要求的 0.2mm，能極大提升耐久性。3 種纖維拉伸破壞后的形狀見圖 2。按照普遍規(guī)律，延伸率越大的材料韌性及抗開裂性能越好，在受抗擾動性能也越好。出于今后免維護(hù)的考慮，抗擾動快硬高延性混凝土選定摻加纖維種類為 PE 纖維，體積摻量為 2%。

圖2 拉伸破壞試件

2.3 擾動對快硬高延性混凝土拉伸性能和抗折抗壓性能的影響

張永娟、張悅?cè)籟2]等的研究指出，標(biāo)準(zhǔn)搖篩機(jī)的震動特性基本上出于車橋耦合震動范圍內(nèi)，因此可采用標(biāo)準(zhǔn)搖篩機(jī)來模擬車橋耦合震動試驗(yàn)。研究表明，混凝土在凝結(jié)硬化中期受擾后的強(qiáng)度大幅度降低，在凝結(jié)硬化早期和后期受擾后強(qiáng)度降幅不大。本文摻 2% 體積 PE 纖維快硬高延性混凝土初凝時間為 64min，終凝為 73min（纖維對混凝土的凝結(jié)時間影響不大，所以與未摻纖維前的混凝土凝結(jié)時間一致），為全面了解擾動對快硬高延性混凝土性能的影響，選擇凝結(jié)硬化早期（30min），凝結(jié)硬化中期（60min）和凝結(jié)硬化后期（90min）作為受擾動期，測試擾動對快硬高延性混凝土拉伸性能和抗折抗壓性能的影響，結(jié)果見表 4。

將表 4 與表 3 數(shù)據(jù)對比可以看出，快硬高延性混凝土在凝結(jié)硬化早期（30min）和凝結(jié)硬化后期（90min）抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度略有下降，但下降不多，說明擾動對凝結(jié)硬化早期和凝結(jié)硬化后期的快硬高延性混凝土力學(xué)性能影響有限。而在凝結(jié)硬化中期（60min），極限抗拉強(qiáng)度下降 1.0MPa（14.5%），抗壓強(qiáng)度下降了 6.5MPa（13.4%），下降明顯，抗折強(qiáng)度下降 1.4MPa（5.5%），下降不明顯。但是，其延伸率反而提升了 1.8 個百分點(diǎn)，提升了 16.4%，說明其抗開裂能力得到提升，抗擾動性能優(yōu)良。

表4 擾動對混凝土拉伸性能和力學(xué)性能的影響

2.4 工程應(yīng)用

快硬高延性混凝土具有早強(qiáng)、施工開放時間可調(diào)、應(yīng)變大、應(yīng)力分散能力強(qiáng)及多縫開裂的特點(diǎn)，且可噴射、可抹灰、可澆筑，施工方便，可用于多種結(jié)構(gòu)的修復(fù)。在不中斷交通的情況下，目前已成功用于常州某快速路混凝土路面斷板修復(fù)加固。具體應(yīng)用工藝為：道路斷板病害評估→修復(fù)方案設(shè)計(jì)→切除斷板部位→斷板部位鑿毛→基層清理、潤濕→鋼筋布設(shè)與固定→澆筑快硬高延性混凝土→抹面收光→灑水、覆膜養(yǎng)護(hù)。

經(jīng)后期跟蹤，在大流量重載車輛反復(fù)碾壓下，沒有出現(xiàn)任何裂縫，效果優(yōu)良，如圖 3、圖 4 所示。

圖3 修復(fù) 8 個月后效果

圖 4 修復(fù)時

3 結(jié)語

采用硫鋁酸鹽水泥為主要膠凝材料，制備了快硬高延性混凝土，凝結(jié)時間可調(diào)，可按工程實(shí)際條件控制操作時間，且施工性良好，粘聚性強(qiáng)但不粘刀，澆筑施工時流動性好，噴射施工時不垂掛，一次噴射厚度可達(dá) 20mm。纖維種類是實(shí)現(xiàn)快硬高延性混凝土材料應(yīng)變硬化及延伸率（延性）和多縫開裂的最關(guān)鍵材料，鋼纖維、PVA 纖維、PE 纖維摻量為 2% 時，極限應(yīng)變平均值為 0.4%、2.5%、11%，但摻鋼纖維時未出現(xiàn)多縫開裂，摻 PVA 纖維時出現(xiàn)多縫開裂現(xiàn)象，但裂縫數(shù)遠(yuǎn)小于摻 PE 纖維，且裂縫寬度較大，大于 0.2mm；考慮到《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》中承重結(jié)構(gòu)混凝土裂縫寬度不能大于 0.2mm，以及水分通過裂縫滲入混凝土中銹蝕鋼筋的緣故，用于承重結(jié)構(gòu)混凝土修復(fù)得采用 PE纖維，摻量 2% 時性能優(yōu)良。

在道路工程修復(fù)過程中，不可能全部封閉道路，還得考慮車輛對快硬高延性混凝土擾動影響，本文制備的快硬高延性混凝土在凝結(jié)硬化早期（30min）、凝結(jié)硬化中期（60min）和凝結(jié)硬化后期（90min）受擾動時，在受擾動影響最大的凝結(jié)硬化中期，雖然抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度有不同程度下降，但延伸率反而提升 16.4%，說明其抗開裂能力反而得到提升，抗擾動能力優(yōu)良。

抗擾動快硬高延性混凝土適合用于不能完全中斷交通、受車輛擾動的道路、橋梁混凝土路面，也適合于不受擾動的砌體結(jié)構(gòu)、水壩、隧道等混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)，應(yīng)用范圍廣，前景良好。