鋪裝層超高性能混凝土密配鋼筋的通過(guò)性研究

楊洪磊，鄭渝，班鵬輝，朱濤，林瑋

（1.中交路橋華南工程有限公司，廣東 中山 528403；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司 高性能土木工程材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211103）

0 前言

超高性能混凝土（UHPC）是指兼具超高抗?jié)B性能和力學(xué)性能的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。UHPC具有較高的抗彎拉強(qiáng)度及應(yīng)變硬化特性，在鋼橋面薄層鋪裝中展現(xiàn)出獨(dú)特的結(jié)構(gòu)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[1-4]。通過(guò)鋼橋面的UHPC薄層鋪裝，增加結(jié)構(gòu)剛度，并協(xié)助鋼橋面承受彎拉疲勞荷載，可大大提升鋼橋面及其鋪裝層的服役性能及壽命。

超高性能輕型組合橋面結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程指出[5]，密配筋對(duì)于鋼橋面UHPC鋪裝層開裂前抗拉強(qiáng)度具有顯著效果，鋼筋間距有可能僅有33 mm。但是，由于UHPC的制備技術(shù)特點(diǎn)[6-9]，包括極低的水膠比、大量微細(xì)膠材粉體、以及高體積摻量的鋼纖維等，導(dǎo)致UHPC拌合物粘聚性高、流動(dòng)緩慢，密配筋通過(guò)性亟需考察與解決。

UHPC拌合物對(duì)密配筋的通過(guò)性，直接影響實(shí)際鋪裝工程施工的效率與質(zhì)量。針對(duì)特定性能要求的UHPC拌合物的密配筋通過(guò)性開展針對(duì)性實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，考察了鋼筋間距、UHPC拌合物流動(dòng)性、以及振動(dòng)等對(duì)密配筋通過(guò)性及密實(shí)填充效果的影響，為類似工程的UHPC拌合物流動(dòng)性調(diào)控及相應(yīng)施工工藝選擇提供參考。

1 原材料、配合比與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料與配合比

本研究UHPC原材料系由江蘇蘇博特新材料股份有限公司提供的超高性能混凝土預(yù)混料SBT-UDC(II)產(chǎn)品，其包含核心干混料、液料與微細(xì)鋼纖維三個(gè)組分，加入自來(lái)水拌合后使用。其中核心干混料為依據(jù)最緊密堆積原則的各種膠材與洗骨料的精細(xì)配伍；液料為具有大減水、降粘與減縮作用的功能性液體外加劑；微細(xì)鋼纖維為直徑0.18～0.22 mm、長(zhǎng)度12～14 mm的微細(xì)鍍銅鋼纖維，單絲抗拉強(qiáng)度≥2 500 MPa。

本研究使用的基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)配合比如表1所示，水膠比為0.16，膠砂比為1∶1，鋼纖維體積摻量為3.5%。

表1 UHPC基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)配合比 單位：kg/m3

1.2 試驗(yàn)方法

本研究UHPC基本性能測(cè)試依據(jù)《超高性能混凝土基本性能與試驗(yàn)方法》（T/CBMF 37—2018）進(jìn)行，包括抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及坍落擴(kuò)展度等。

UHPC拌合物的流動(dòng)性通過(guò)在基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)配合比基礎(chǔ)上，適當(dāng)增減液料用量調(diào)整。

為考察UHPC拌合物的鋼筋間距通過(guò)性，分別采用J環(huán)擴(kuò)展度試驗(yàn)方法、不同孔徑方孔篩篩余及模擬構(gòu)件鉆芯取樣的方式開展研究。

其中J環(huán)擴(kuò)展度試驗(yàn)方法遵照《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 283—2012）進(jìn)行。

采用滿足《試驗(yàn)篩技術(shù)要求和檢驗(yàn)第2部分金屬穿孔板試驗(yàn)篩》（GB/T 6003.2—2012）要求的，篩孔邊長(zhǎng)分別為31.5 mm、37.5 mm、53 mm、63 mm，以及篩盤直徑30 cm的方孔篩，量取5 L的UHPC拌合物，1 min內(nèi)經(jīng)自重作用通過(guò)方孔篩，并計(jì)算其通過(guò)率。

采用Φ10的HRB400螺紋鋼筋制作間距為35 mm間距鋼筋網(wǎng)片，置于相應(yīng)模具中，采用墊塊使網(wǎng)片距離底模15 mm，澆筑UHPC拌合物，并標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后鉆芯取樣，觀測(cè)內(nèi)部密實(shí)情況。鋼筋布置及試件尺寸情況如圖1所示。

圖1 UHPC密配筋通過(guò)性試驗(yàn)的試件尺寸與鋼筋配置

所有測(cè)試與成型工作均在拌合1 h內(nèi)完成。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 強(qiáng)度及流動(dòng)擴(kuò)展度

通過(guò)調(diào)整液料的用量，分別得到三種不同坍落擴(kuò)展度的UHPC拌合物，其流動(dòng)性能、力學(xué)性能等基本情況見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)UHPC基本性能

從表2中可以看出，隨著液料摻量的遞增，UHPC拌合物U1、U2、U3的流動(dòng)性逐步提高，分別控制在650 mm、750 mm與850 mm坍落擴(kuò)展度水平。同時(shí)，在拌合1 h內(nèi)，各UHPC拌合物的流動(dòng)性能基本保持不變。表2還顯示出，隨著UHPC拌合物流動(dòng)性的增加，其含氣量略有下降，但基本保持在同一水平。隨著含氣量的降低，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的UHPC抗壓試件強(qiáng)度也隨著增長(zhǎng)，但由于含氣量的變化不大，其抗壓強(qiáng)度也在同一水平。UHPC的抗折強(qiáng)度主要受到纖維摻量與“基體-纖維”粘結(jié)強(qiáng)度的影響，因此，在纖維摻量相同與基體強(qiáng)度相當(dāng)?shù)那闆r下，拌合物U1、U2、U3 28 d的UHPC抗折試件強(qiáng)度均約為29 MPa。

2.2 J環(huán)擴(kuò)展度實(shí)驗(yàn)

采用J環(huán)擴(kuò)展度實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)UHPC拌合物U1、U2、U3的測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)UHPC的J環(huán)擴(kuò)展度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

J環(huán)擴(kuò)展度實(shí)驗(yàn)方法所測(cè)得的間隙通過(guò)性指標(biāo)（PA）為拌合物坍落擴(kuò)展度與J環(huán)坍落擴(kuò)展度的差值。從表3中可以看出，在鋼纖維體積摻量3.5%時(shí)，盡管拌合物U1、U2和U3的坍落擴(kuò)展度處于不同水平，但其PA值均小于等于25 mm，達(dá)到間隙通過(guò)性最高的PA2等級(jí)，并在數(shù)值上沒(méi)有顯著差異，即J環(huán)并未對(duì)這三種UHPC拌合物的流動(dòng)形成明顯的阻礙。

去粗骨料化是UHPC的傳統(tǒng)制備理念之一，因此，本研究的UHPC拌合物實(shí)際上是極低水膠比的大流態(tài)高鋼纖維摻量水泥基砂漿體系。表3的結(jié)果表明，在UHPC拌合物具有較高流態(tài)的情況下，均勻分散在漿體內(nèi)部的高摻量的短微細(xì)鍍銅鋼纖維，并未在J環(huán)兩站腿的間隙（間距58.9 mm）處形成滯留、搭接或團(tuán)聚，從而未進(jìn)一步阻擋UHPC拌合物的流動(dòng)。

2.3 方孔篩通過(guò)率實(shí)驗(yàn)

不同流動(dòng)性的UHPC拌合物對(duì)于不同邊長(zhǎng)篩孔的方孔篩的通過(guò)率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4和圖2所示。由表4可以看出，拌合物的方孔篩通過(guò)率隨著流動(dòng)性的增大而增加；同時(shí)，隨著方孔篩邊長(zhǎng)的增加，拌合物的通過(guò)率也相應(yīng)增加。值得注意的是，當(dāng)方孔篩篩孔邊長(zhǎng)變?yōu)?1.5 mm時(shí)，流動(dòng)性最小的U1拌合物的通過(guò)率僅為14.2，大部分拌合物無(wú)法順利通過(guò)篩孔，流動(dòng)性最大的U3拌合物的通過(guò)率也不超過(guò)50%；當(dāng)方孔篩篩孔邊長(zhǎng)為53 mm時(shí)，所有拌合物的通過(guò)率均高于85%，其中流動(dòng)性最大的U3拌合物的通過(guò)率達(dá)到了92.2%。

表4 UHPC拌合物的方孔篩通過(guò)率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

另一方面，從圖2可以看出，當(dāng)篩孔邊長(zhǎng)分別為31.5 mm、37.5 mm和53 mm時(shí)，流動(dòng)性與通過(guò)率線性相關(guān)的斜率分別為0.176、0.208和0.034。這說(shuō)明，當(dāng)篩孔邊長(zhǎng)為53 mm時(shí)，本方法對(duì)于不同流動(dòng)性的UHPC拌合物的間隙通過(guò)性區(qū)分度較差。這也印證了J環(huán)擴(kuò)展度實(shí)驗(yàn)未能較好地區(qū)別不同流動(dòng)性UHPC拌合物間隙通過(guò)性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。而當(dāng)篩孔邊長(zhǎng)為37.5 mm時(shí)，區(qū)分度最好；當(dāng)篩孔邊長(zhǎng)進(jìn)一步縮小至31.5 mm時(shí)，線性相關(guān)斜率相較37.5 mm篩孔邊長(zhǎng)時(shí)略有下降，這意味著進(jìn)一步縮小篩孔邊長(zhǎng)，將導(dǎo)致該方法的區(qū)分度下降。

圖2 UHPC拌合物對(duì)于方孔篩的通過(guò)率

2.4 鋼筋網(wǎng)片模擬澆筑試驗(yàn)

表5顯示了鋼筋網(wǎng)片模擬澆筑試驗(yàn)的基本情況。由表5可知，一次布料澆筑后，不同流動(dòng)性的UHPC拌合物在鋼筋網(wǎng)片上的堆料高度隨著拌合物流動(dòng)性的降低而增加。這也反映出UHPC拌合物的鋼筋間隙通過(guò)性能隨著流動(dòng)性的減少而減少。其中，流動(dòng)擴(kuò)展度為650 mm的UHPC拌合物U1的堆料高度達(dá)到43 mm，流動(dòng)擴(kuò)展度為755 mm的UHPC拌合物U2的堆料高度達(dá)到21 mm，而流動(dòng)擴(kuò)展度為845 mm的UHPC拌合物U3的堆料高度僅為16 mm。如以試件制作高度60 mm計(jì)算，分別有28.3%的U1拌合物、48.3%的U2拌合物、63.3%的U3拌合物通過(guò)密配筋鋼筋網(wǎng)片，進(jìn)入鋼筋網(wǎng)片下層的模具空間。該計(jì)算結(jié)果與表4中37.5 mm方孔篩的UHPC拌合物通過(guò)率測(cè)試結(jié)果最為接近。同時(shí)，為密實(shí)成型，采用手持式平板振動(dòng)器振動(dòng)UHPC拌合表面致其密實(shí)填充整個(gè)模具，由于流動(dòng)性的不同及堆料高度的不同，流動(dòng)性最大的拌合物U3僅需8 s，而流動(dòng)性最小的拌合物U1需要30 s。這也說(shuō)明，即便在振動(dòng)的作用下，較小流動(dòng)性的UHPC拌合物的密配筋通過(guò)依然困難。

表5 UHPC鋼筋網(wǎng)片模擬澆筑試驗(yàn)情況

3 結(jié)論

（1）UHPC拌合物的密配筋間隙通過(guò)性能隨著其流動(dòng)性的提高而增加。

（2）J環(huán)擴(kuò)展度試驗(yàn)方法未能較好的區(qū)分本研究中三種不同流動(dòng)性UHPC拌合物的密配筋間隙通過(guò)性。

（3）篩孔邊長(zhǎng)與實(shí)際配筋間隙接近的方孔篩通過(guò)率試驗(yàn)可以較好的反應(yīng)UHPC拌合物的密配筋間隙通過(guò)性。

（4）較小流動(dòng)度的UHPC拌合物需要配合較長(zhǎng)的平面振動(dòng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)密配筋間隙通過(guò)與模板空間的密實(shí)填充。