橋梁濕接縫用含粗骨料超高性能混凝土的性能研究

伍賢智，李信，陳露一，黃有強(qiáng)，張志豪，譚洪波

（1.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430034；2.中鐵橋研科技有限公司，湖北 武漢 430030；3.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

橋梁濕接縫施工是預(yù)制混凝土橋面板現(xiàn)場(chǎng)施工的主要環(huán)節(jié)，其施工速度影響預(yù)制混凝土橋面板施工速度；同時(shí)在運(yùn)營(yíng)期間，濕接縫是預(yù)制混凝土橋面板最容易出現(xiàn)病害的部位之一，其質(zhì)量的優(yōu)劣會(huì)影響結(jié)構(gòu)的整體性能和承載力，影響橋梁的使用功能，甚至引起橋梁的早期破壞[1-2]。橋梁濕接縫常見的病害誘因有：濕接縫混凝土與預(yù)制梁混凝土結(jié)合差，濕接縫混凝土收縮徐變大，濕接縫混凝土強(qiáng)度不足及耐久性差等[3]。

含粗骨料超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete with coarse ag-gregate，UHPC-CA），是通過(guò)在UHPC體系中摻入粗骨料配制而成，粗骨料粒徑通常為5～10 mm。UHPC-CA具有高強(qiáng)度、高韌性和優(yōu)異耐久性，由于其摻入了碎石，減少了膠凝材料用量，相比于UHPC，其彈性模量更高、收縮徐變更小、成本更低[4]，更適合作為橋梁濕接縫混凝土。但目前UHPC-CA應(yīng)用于橋梁濕接縫的研究基本沒有，相關(guān)工程應(yīng)用報(bào)道也僅有南京五橋。因此，有必要開展橋梁濕接縫用UHPC-CA的研究，同時(shí)對(duì)比分析UHPC-CA、UHPC及當(dāng)前橋梁濕接縫常用的C60高性能混凝土的各項(xiàng)性能，旨在研制出性能優(yōu)異的橋梁濕接縫用UHPC-CA，提高橋梁的健康與安全，同時(shí)產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：湖北媧石股份有限公司生產(chǎn)的P·Ⅱ52.5水泥，比表面積330 m2/kg，密度3100 kg/m3，28 d抗壓、抗折強(qiáng)度分別為59.1、8.9 MPa，其主要化學(xué)成分見表1。

表1 水泥的主要化學(xué)成分 %

核心料：UHPC-CA的核心組份，粉末顆粒，由特殊摻合料和功能型外加劑組成，核心料預(yù)先拌合均勻，其需水量比≤75%，含水率≤1%。

粗骨料：湖北京山玄武巖碎石，粒徑5～10 mm，表觀密度3050 kg/m3，壓碎值6.6%，針片狀含量4%，含泥量0.5%。

細(xì)骨料：湖北鳳陽(yáng)石英砂，粒徑20～80目，SiO2含量大于90%。

鋼纖維：端鉤型，平均長(zhǎng)度約13 mm，平均直徑約0.2 mm。

水：自來(lái)水。

1.2 配合比

UHPC-CA配合比中影響其性能的主要因素有以下幾個(gè)方面：

（1）水膠比（W/B）：鑒于其用于橋梁濕接縫，強(qiáng)度要求并沒有橋面鋪裝要求高，水膠比按經(jīng)驗(yàn)選擇0.20左右為宜。當(dāng)水膠比過(guò)低，流動(dòng)性差、成型較困難，密實(shí)度下降，對(duì)強(qiáng)度和耐久性均帶來(lái)一定的損害；當(dāng)水膠比過(guò)大時(shí)，雖然工作性良好，但其強(qiáng)度及耐久性能也會(huì)有一定程度的下降。

（2）核心料用量：核心料用量會(huì)影響UHPC-CA的和易性、強(qiáng)度以及UHPC-CA與鋼纖維之間的粘結(jié)強(qiáng)度，核心料總摻量不超過(guò)膠凝材料的40%，具體摻量根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定。

（3）鋼纖維摻量：UHPC-CA中鋼纖維摻量過(guò)低將失去增強(qiáng)與改善脆性的意義，鋼纖維摻量過(guò)高則會(huì)使拌合物變得非常干澀，造成施工不便[5]，結(jié)合橋梁濕接縫混凝土的抗彎要求，鋼纖維體積摻量以0.5%～1.0%為宜。

（4）碎石選擇及摻量：碎石的硬度及彈性模量對(duì)混凝土的徐變性能影響較大，故宜優(yōu)選玄武巖來(lái)配制UHPC-CA。碎石用量過(guò)大時(shí)工作性能及勻質(zhì)性較差；碎石用量過(guò)少時(shí)收縮、徐變降低幅度較小，彈性模量增長(zhǎng)不明顯，且意義不大。

基于UHPC的制備原則，開展了UHPC-CA配合比設(shè)計(jì)初步試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果反饋，確定了水膠比、水泥用量、核心料用量等參數(shù)。根據(jù)碎石用量、鋼纖維體積摻量的不同，設(shè)計(jì)了不同配合比進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，如表2所示。

表2 UHPC-CA試驗(yàn)配合比 kg/m3

1.3 試件制備及性能測(cè)試

試件制備：將稱量好的膠凝材料、減水劑、骨料及鋼纖維倒入強(qiáng)制式攪拌機(jī)內(nèi)攪拌2 min，再倒入水?dāng)嚢? min。攪拌完成后立即進(jìn)行流動(dòng)性測(cè)試，然后裝模成型試件并在試模表面覆蓋1層薄膜，防止水分蒸發(fā)，拆模后移到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。立方體抗壓試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，棱柱體抗折及收縮、徐變?cè)嚰呔鐬?00 mm×100 mm×400 mm，棱柱體靜力受壓彈性模量試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm。

性能測(cè)試：坍落度、擴(kuò)展度參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試；抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及靜力受壓彈性模量參照GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》進(jìn)行測(cè)試；抗凍性、抗氯離子滲透性、收縮及徐變參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，其中抗凍性采用快凍法，抗氯離子滲透試驗(yàn)采用RCM法且未摻鋼纖維。

2 結(jié)果與討論

2.1 工作性能

工作性能是影響UHPC-CA施工的關(guān)鍵因素。橋梁濕接縫處鋼筋密集，這要求含粗骨料超高性能混凝土具有良好的流動(dòng)性，但是流動(dòng)性也不宜過(guò)大，否則碎石容易沉底。UHPCCA的流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 UHPC-CA的流動(dòng)性

由表3可見，碎石用量從750 kg/m3增加到900 kg/m3，UHPC-CA的坍落度及擴(kuò)展度逐漸減小，碎石摻量為825 kg/m3時(shí)，含粗骨料超高性能混凝土的流動(dòng)性已不良。鋼纖維用量從0.5%（40 kg/m3）增加到1.0%（80 kg/m3），UHPC-CA的坍落度、擴(kuò)展度有所下降，但仍具有良好流動(dòng)性。UCA100的流動(dòng)性良好，能夠滿足橋梁濕接縫的施工要求。

2.2 力學(xué)性能

力學(xué)性能是決定UHPC-CA使用范圍的最主要性能之一，也是其性能優(yōu)于普通高性能混凝土的主要表現(xiàn)。UHPCCA的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 UHPC-CA的力學(xué)性能

由表4可知，不同碎石用量的UHPC-CA力學(xué)性能良好，抗壓、抗折強(qiáng)度、彈性模量均相差不大，其中，UCA100的力學(xué)性能略好；鋼纖維摻量從40 kg/m3增加到80 kg/m3，UHPC-CA的抗壓強(qiáng)度和彈性模量變化不大，抗折強(qiáng)度略有提高，但是幅度較小。UCA100含粗骨料超高性能混凝土更適合作為濕接縫材料，其與常用UC120超高性能混凝土、C60高性能混凝土的力學(xué)性能對(duì)比見圖5。

由表5可見，UCA100的3 d抗壓強(qiáng)度高達(dá)80.9 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為118.1 MPa、抗折強(qiáng)度達(dá)到14.9 MPa、彈性模量達(dá)到46.1 GPa，力學(xué)性能表現(xiàn)良好。UCA100的彈性模量高于UC120和C60，其抗壓、抗折強(qiáng)度略低于UC120，但是遠(yuǎn)高于C60，約為其2倍，且UCA100的3 d抗壓強(qiáng)度較C60高性能混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度提高12.2 MPa，早期強(qiáng)度發(fā)展較快，用于濕接縫中可以大幅縮短張拉齡期，有利于其它施工工序的進(jìn)行，大大縮短工期。

表5 3種混凝土的力學(xué)性能對(duì)比

2.3 耐久性

混凝土的耐久性直接影響結(jié)構(gòu)物的安全性和使用性能，而橋梁濕接縫原本是橋面板結(jié)構(gòu)薄弱處，其耐久性對(duì)橋梁的健康與安全尤為重要。

2.3.1 抗凍性

混凝土抗凍融性可間接反映混凝土抵抗環(huán)境水浸入和抵抗冰晶壓力的能力，是混凝土耐久性的一項(xiàng)重要指標(biāo)[6]?？箖鋈谛砸部梢栽谝欢ǔ潭壬戏从郴炷恋膭蛸|(zhì)性和密實(shí)性，反映混凝土是否存在原始缺陷（微裂紋、局部氣孔、宏觀和微觀的缺陷）。3種混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化見圖1。

圖1 3種混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化

由圖1可見：C60高性能混凝土經(jīng)過(guò)500次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量已經(jīng)下降至69.6%，而UCA100與UC120經(jīng)過(guò)700次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量基本一致，均大于90%，設(shè)計(jì)使用壽命為100年的高速鐵路對(duì)混凝土抗凍性能的要求是經(jīng)過(guò)200次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量≥60.0%，可見，UCA100的抗凍性較優(yōu)。

經(jīng)過(guò)500次凍融循環(huán)后，C60與UCA100試件表面狀態(tài)見圖2。

圖2 經(jīng)過(guò)500次凍融循環(huán)后C60與UCA100的表面狀態(tài)

由圖2可見，經(jīng)500次凍融循環(huán)后，C60的表面發(fā)生破壞，骨料已露出；而UCA100的表面無(wú)變化，具有優(yōu)異的抗凍性。這是因?yàn)椋篣CA100具有較高的力學(xué)性能，特別是抗拉強(qiáng)度，使混凝土具有較高的抵抗凍脹壓力能力；UCA100的孔徑非常小，外界水很難滲透到混凝土內(nèi)部，而其自身的水膠比較小，混凝土內(nèi)部孔隙中的自由水較少，因此在連續(xù)凍融過(guò)程中很難形成凍脹壓力。

2.3.2 抗氯離子滲透性能

混凝土的抗氯離子侵蝕性直接影響混凝土的服役壽命。氯離子侵入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，會(huì)引起鋼筋銹蝕、結(jié)構(gòu)承載力下降和耐久性降低。氯離子主要是通過(guò)混凝土內(nèi)部的孔隙和微裂縫侵蝕到混凝土內(nèi)部，且侵蝕方式并不單一，而是多種侵蝕方式的結(jié)合。3種混凝土的抗氯離子滲透性能見表6。

表6 3種混凝土的抗氯離子滲透性能

由表6可見，UCA100的氯離子擴(kuò)散系數(shù)小于UC120，二者均顯著低于C60，可見UCA100和UC120均具有較高的抗氯離子侵蝕性能。UCA100優(yōu)異的抗氯離子侵蝕性能主要是因?yàn)槠鋼饺肓撕诵牧?，極大地優(yōu)化了混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，細(xì)化了孔徑，使得結(jié)構(gòu)密實(shí)。

2.4 體積穩(wěn)定性

混凝土收縮和徐變是它作為粘彈性體的2種與時(shí)間有關(guān)的變形性質(zhì)，也是鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土的一種重要的時(shí)變特性，會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的受力和變形隨時(shí)間變化[7]。混凝土的收縮和徐變是影響混凝土使用壽命的重要因素，低收縮和徐變能提高混凝土結(jié)構(gòu)的安全性。隨著大量預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的修建和使用，組合橋面濕接縫用混凝土的收縮和徐變性能將是影響橋梁施工和健康的關(guān)鍵。

2.4.1 收縮

3種混凝土長(zhǎng)期干燥收縮對(duì)比見圖3，干燥收縮測(cè)試從7 d齡期開始，7 d之前置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。

圖3 3種混凝土的長(zhǎng)期干燥收縮

由圖3可以看出，UCA100、UC120及C60的干燥收縮應(yīng)變均隨測(cè)試齡期的延長(zhǎng)逐漸增大，且均表現(xiàn)為早期增長(zhǎng)較快，后期增長(zhǎng)較慢，其中，UCA100各齡期的干燥收縮應(yīng)變均為最小，120 d時(shí)，UCA100、UC120及C60的干燥收縮應(yīng)變分別為235×10-6、284×10-6、330×10-6。從長(zhǎng)齡期干燥收縮來(lái)看，UCA100的抗收縮開裂性能優(yōu)于UC120，C60的抗收縮開裂性能最差。

2.4.2 徐變

徐變是混凝土材料本身固有的特征，它是指在持續(xù)荷載作用下，混凝土應(yīng)變隨時(shí)間增大的現(xiàn)象[8-9]。組合橋梁濕接縫用混凝土徐變過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力變化、撓度增大、預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大等，使得橋梁結(jié)構(gòu)過(guò)早地失效或喪失功能，因此徐變是混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不可忽略的重要因素。3種混凝土徐變系數(shù)對(duì)比見圖4。

圖4 3種混凝土的徐變系數(shù)對(duì)比

由圖4可知，3種混凝土徐變系數(shù)曲線與干燥收縮應(yīng)變曲線類似，均為早期增長(zhǎng)較快，后期增長(zhǎng)漸緩，UCA100各齡期的徐變系數(shù)均小于UC120與C60，120 d時(shí)，UCA100、UC120及C60的徐變系數(shù)分別為0.66、0.85、0.90，約完成徐變總量的65%。

影響混凝土徐變的因素較多，內(nèi)部因素主要有水泥、骨料、水膠比、灰漿率、外加劑以及摻合料；外部因素主要有加荷齡期、加荷應(yīng)力、持荷時(shí)間、濕度、溫度、試件尺寸以及形狀及各向異性、浸泡介質(zhì)和碳化等[10-11]。本試驗(yàn)中，外部因素基本一致，其徐變應(yīng)變與徐變系數(shù)的不同來(lái)自于內(nèi)部因素。內(nèi)部因素即為材料性質(zhì)。UCA100中摻入了碎石，彈性模量高，且膠凝材料用量小于UC120，而二者力學(xué)強(qiáng)度表現(xiàn)相當(dāng)，所以，UCA100的徐變性能要明顯優(yōu)于UC120；C60雖然碎石摻量高、膠凝材料用量少，但是其力學(xué)強(qiáng)度最差，綜合表現(xiàn)出最差的徐變性能。UCA100較低的徐變系數(shù)對(duì)于其在預(yù)應(yīng)力橋梁濕接縫處的應(yīng)用尤為重要。

3 結(jié)論

（1）配制的UCA100含粗骨料超高性能混凝土工作性能良好，出機(jī)坍落度為265 mm，擴(kuò)展度為500 mm，易于泵送，便于施工。

（2）UCA100力學(xué)性能優(yōu)異，28 d抗壓、抗折強(qiáng)度分別高達(dá)118.1、14.9 MPa，約為橋梁濕接縫常用普通C60高性能混凝土的2倍，且其早期強(qiáng)度發(fā)展也較快，能縮短張拉齡期。

（3）UCA100具有較好的耐久性能，抗凍等級(jí)及抗氯離子滲透性能遠(yuǎn)優(yōu)于普通C60高性能混凝土，其56 d抗氯離子滲透系數(shù)僅為0.1×10-12m2/s。

（4）UCA100具有優(yōu)良的體積穩(wěn)定性能。長(zhǎng)齡期干燥收縮小于300 με，120 d徐變系數(shù)僅為0.66，均優(yōu)于UC120與C60。