拌和工藝對STC超高韌性混凝土工作性能的影響分析

徐 池， 祁 濤

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

由“鋼橋面+鋼栓釘+鋼筋網(wǎng)+STC超高韌性混凝土鋪裝”體系組成的STC復(fù)合鋼橋面體系是國內(nèi)首創(chuàng)的解決鋼梁疲勞破壞和路面易損壞問題的領(lǐng)先技術(shù)，目前已應(yīng)用于廣東馬房大橋和湖南株洲楓溪大橋，應(yīng)用效果良好。

云龍灣大橋位于成都天府新區(qū)，銜接益州大道錦江南北兩岸，全長1 119 m。主橋一跨跨越錦江水面，孔跨布置為(30+80+205+80+30)m自錨式懸索橋，主橋全長428.35 m，基本與錦江河道正交。主跨跨度為205 m，橋?qū)?8.5 m。主梁為縱橫格構(gòu)式正交異性橋面板鋼梁，梁體較柔，活載作用下其變形可達(dá)28 cm。鋼橋面設(shè)計(jì)采用STC超高韌性混凝土鋪裝，鋪裝的總厚度為4 cm厚SMA-13C瀝青混凝土，底層為5 cm厚STC超高韌性混凝土。該項(xiàng)目STC超高韌性混凝土橋面鋪裝層總面積達(dá)15 836 m2，其中STC超高韌性混凝土的設(shè)計(jì)指標(biāo)為STC22，即STC超高韌性混凝土的抗壓強(qiáng)度不小于120 MPa、抗折強(qiáng)度不小于22 MPa，抗?jié)B性能的級別不低于P20。

結(jié)合工程實(shí)踐，對比分析了鋼纖維加料方式對鋼纖維均勻性的影響，以及普通攪拌和振動(dòng)攪拌技術(shù)對STC超高韌性混凝土工作性能的影響，總結(jié)并得出最佳攪拌工藝。

2 STC超高韌性混凝土的主要特性

2.1 STC超高韌性混凝土材料

STC超高韌性混凝土是由水泥、細(xì)骨料、摻合料、鋼纖維、減水劑或由上述材料制成的干混料，其首先與水進(jìn)行混合，然后凝固、硬化后制成為具有高抗壓、高抗彎拉強(qiáng)度和高耐久性的水泥基復(fù)合材料[1]。與常規(guī)普通混凝土相比，用于STC超高韌性混凝土的水泥為低熱優(yōu)質(zhì)硅酸鹽水泥，骨料一般為最大粒徑的石英砂(粒徑≤2 mm)，摻入大量的石英粉、硅粉、粉煤灰等超細(xì)高活性外加劑，根據(jù)最密實(shí)堆積的原則合理確定其各外加劑的組成比例。

由亞微米顆粒(硅灰)填充微米顆粒(水泥、粉煤灰和礦粉)的間隙，由微米顆粒填充毫米顆粒(骨料)的間隙。由于混凝土組成材料的細(xì)度大，在密實(shí)級配的條件下，超高韌性混凝土的內(nèi)部密實(shí)度得以大大提高，初始內(nèi)部缺陷大為減少。同時(shí)，由于加入了高性能減水劑和級配鋼纖維并使用了極低的水灰比，明顯提高了混凝土的抗壓及抗彎拉強(qiáng)度，從而獲得了其特殊的物理力學(xué)性能[2]。

2.2 STC超高韌性混凝土的力學(xué)性能

根據(jù)《四川省城鎮(zhèn)超高韌性組合鋼橋面結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(dbj51/t089-2018)中的相關(guān)規(guī)定，STC超高韌性混凝土組合鋼橋面結(jié)構(gòu)按混凝土不開裂設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期應(yīng)與主體結(jié)構(gòu)使用壽命一致。針對不配鋼筋的STC超高韌性混凝土強(qiáng)度等級，應(yīng)根據(jù)其抗彎拉強(qiáng)度進(jìn)行劃分，各等級STC超高韌性混凝土抗彎拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值不得小于表1。未加筋STC超高韌性混凝土強(qiáng)度等級見表1。

表1 未加筋STC超高韌性混凝土強(qiáng)度等級表

3 鋼纖維的喂入方式對鋼纖維均勻性的影響

3.1 混凝土加料工藝現(xiàn)狀

一次進(jìn)料法是混凝土攪拌的常規(guī)施工方法，即水泥和砂石骨料混合在一起加水?dāng)嚢?，其缺點(diǎn)為水泥顆粒被砂石骨料包裹，加水后易形成小骨料和絮狀結(jié)構(gòu)并被更多的攪拌水包裹。小骨料夾在粗骨料中導(dǎo)致粗骨料粒徑越大、小骨料受損的可能性越小，進(jìn)而降低了混合料的和易性；水灰比越小，這種現(xiàn)象越嚴(yán)重。水泥骨料吸附在骨料上并填充在骨料間隙中，導(dǎo)致包裹在砂中的水泥顆粒相對減少、水泥水化不足，從而降低了混凝土強(qiáng)度[3]。

采用二次加料法施工時(shí)，砂和水泥經(jīng)干混分散后均勻分布。加水時(shí)，細(xì)骨料中的空氣被排出，水泥被包裹在砂的表面形成軟水泥漿殼，混合形成均勻的水泥砂漿；當(dāng)加入殘余水和粗骨料時(shí)，水泥砂漿可以更容易、更均勻地包裹粗骨料。至此，一次加料法中粗骨料界面厚度不均勻的問題得到了有效的克服，混凝土的整體強(qiáng)度在定量配合比中得到了提高[4]。

3.2 試驗(yàn)時(shí)的攪拌工況

基于以上混凝土加料工藝現(xiàn)狀，STC超高韌性混凝土一般采用先干拌后水濕拌的攪拌工藝。對比分析了以下兩種送料方式：(1)鋼纖維采用人工送料；(2) 鋼纖維由鋼纖維分散器輸送。試驗(yàn)采用Jw400立式強(qiáng)制攪拌機(jī)，單機(jī)攪拌量為0.35 m3。通過研究兩種喂料方式下STC超高韌性混凝土混合料的均勻性，以選擇最佳的鋼纖維喂料方式。

(1) 工況一：加入石英砂、石英粉、硅粉、納米碳酸鈣干混90 s；加入水泥、粉煤灰干拌90 s；然后手動(dòng)加入鋼纖維干混120 s；最后，加入用減水劑和SAP溶解的水，攪拌3 min。

(2) 工況二：先加入石英砂、石英粉、硅粉、納米碳酸鈣干混90 s；加入水泥、粉煤灰干拌90 s；然后用鋼纖維分散機(jī)加入鋼纖維干混120 s；最后，加入用減水劑和SAP溶解的水，攪拌3 min。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過兩種工況的拌和試驗(yàn)，STC超高韌性混凝土混合料表露情況分別為：

工況一：STC超高韌性混凝土混合料在人工加料的條件下，混凝土中的鋼纖維明顯結(jié)塊和彎曲。

工況二：采用鋼纖維分散機(jī)投料條件下的STC超高韌性混凝土混合料，其混凝土中的鋼纖維均勻分布在混合料中。

3.4 小結(jié)

STC超高韌性混凝土攪拌試驗(yàn)結(jié)果表明：采取先干拌后加水濕拌的拌和方式，采用鋼纖維分散器進(jìn)行鋼纖維投料，拌和料較均勻且鋼纖維無明顯成團(tuán)現(xiàn)象。

通過試驗(yàn)確定的拌和工藝為：先加石英砂、石英粉、硅灰、納米碳酸鈣，干拌90 s；再加入水泥、粉煤灰，干拌90 s；再加入鋼纖維，干拌120 s；最后加入溶有減水劑、SAP的水，攪拌3 min。

4 攪拌工藝對STC超高韌性混凝土工作性能的影響

4.1 振動(dòng)攪拌技術(shù)

振動(dòng)攪拌技術(shù)是一種新的混凝土攪拌技術(shù)，其基本原理是在混合時(shí)振動(dòng)。通過振動(dòng)和混合的雙重作用，材料顆粒相互猛烈碰撞，從而加強(qiáng)混合物的對流和擴(kuò)散，最終達(dá)到整體均勻性。振動(dòng)技術(shù)對攪拌過程的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：增強(qiáng)骨料顆粒的運(yùn)動(dòng)，破壞水泥團(tuán)聚體，使水泥顆粒均勻地分散在混合料中；降低混合物組分之間的黏度和內(nèi)耗，增加活化分子的數(shù)量，加速材料的對流和擴(kuò)散，同時(shí)加強(qiáng)攪拌剪切效應(yīng)；由于混合物的運(yùn)動(dòng)被加速，增加了顆粒之間的有效碰撞時(shí)間并增強(qiáng)了水合反應(yīng)[5]。

4.2 試驗(yàn)方法

基于以上振動(dòng)攪拌技術(shù)，深入研究了振動(dòng)攪拌對STC超高韌性混凝土工作性能的影響，對比分析了普通攪拌、振動(dòng)攪拌下STC超高韌性混凝土坍落度、含氣量、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等的變化情況。

采用振動(dòng)攪拌機(jī)用于成型。關(guān)閉振動(dòng)為常規(guī)靜力攪拌；打開振動(dòng)為振動(dòng)攪拌；攪拌過程中，加入石英砂、石英粉、硅灰、納米碳酸鈣干混90 s，水泥、粉煤灰干混90 s，鋼纖維干混120 s，最后加入溶有減水劑和SAP的水，攪拌3 min后將成型的試樣放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)振動(dòng)攪拌對STC超高韌性混凝土工作性能的影響。 STC超高韌性混凝土采用振動(dòng)攪拌和普通攪拌兩種方式。振動(dòng)攪拌的振動(dòng)加速度為19.6 m/s2，普通攪拌為靜力混合。兩者的其他工藝參數(shù)相同。兩種攪拌工藝下新拌STC超高韌性混凝土的工作性能見表2。

表2 兩種攪拌工藝下新拌STC超高韌性混凝土的工作性能表

從表2中可以看出：

①與普通攪拌相比，振動(dòng)攪拌下新拌STC超高韌性混凝土的坍落度、膨脹率和含氣量分別提高了5.2%、3.3%和8.1%，倒置坍落度筒的排空時(shí)間縮短了29.6%。

②試驗(yàn)結(jié)果表明：在振動(dòng)攪拌作用下，顆粒的微觀結(jié)構(gòu)分散更均勻，振動(dòng)攪拌下新拌STC超高韌性混凝土的流動(dòng)性、黏結(jié)性和穩(wěn)定性更好。

(2)振動(dòng)攪拌對STC超高韌性混凝土抗壓和抗折強(qiáng)度的影響。在普通攪拌和振動(dòng)攪拌條件下，兩種攪拌工藝下STC超高韌性混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和分散系數(shù)見表3。

表3 兩種攪拌工藝下STC超高韌性混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和分散系數(shù)表

從表3中可以看出：

①與普通攪拌相比，振動(dòng)攪拌條件下3 d、7 d和28 d時(shí)STC超高韌性混凝土的抗壓強(qiáng)度分別提高了3.5%、4.9%和5.6%；分散系數(shù)分別降低了18.6%、16.2%和15.4%；從整個(gè)生命周期看，其平均抗壓強(qiáng)度提高了4.7%，分散系數(shù)降低了16.7%。

②與普通攪拌相比，振動(dòng)攪拌條件下3 d、7 d和28 d時(shí)STC超高韌性混凝土的抗折強(qiáng)度分別提高了2.9%、4.6%和6.8%，分散系數(shù)分別降低了23.5%、21%和22.5%。從整個(gè)壽命周期看。其抗彎強(qiáng)度提高了4.8%，分散系數(shù)降低了22.3%。

③對于STC超高韌性混凝土，振動(dòng)攪拌可以提高其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，分散系數(shù)亦顯著降低。從鋼纖維形成高性能混凝土的機(jī)理看，鋼纖維起到了加強(qiáng)混凝土材料之間連接的作用，但傳統(tǒng)的攪拌方法難以保證鋼纖維的均勻攪拌和水泥等粉末顆粒的均勻分散。特別需要指出的是：振動(dòng)攪拌是在普通攪拌的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，其解決了傳統(tǒng)攪拌方式易使水泥粉顆粒和鋼纖維高性能混凝土結(jié)塊的缺點(diǎn)，宏觀上表現(xiàn)為強(qiáng)度提高，分散系數(shù)降低[6]。

4.4 小結(jié)

試驗(yàn)結(jié)果表明：振動(dòng)攪拌相比普通攪拌，可以提高STC超高韌性混凝土的流動(dòng)性、抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度，且其抗壓、抗折離差系數(shù)變小，說明在混凝土拌和中加入振動(dòng)效果，可以使各組成材料分散度較好，避免了水泥等粉末顆粒發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，并保證了水泥漿與細(xì)集料均勻包裹，使鋼纖維的分布更加均勻且亂向，與其他各組成材料的聯(lián)系更緊密。

5 結(jié) 語

針對STC超高韌性混凝土的拌和施工，利用鋼纖維分散器輔助加料，采用先干拌后加水濕拌的工藝及振動(dòng)攪拌工藝，可有效提高鋼纖維在混凝土拌和物內(nèi)的均勻分散性，同時(shí)改善混凝土的各項(xiàng)工作性能。

針對正交異性鋼橋面板易出現(xiàn)疲勞開裂的質(zhì)量問題，新型STC超高韌性混凝土復(fù)合鋼橋面鋪裝方案以其高抗壓強(qiáng)度、高抗彎拉強(qiáng)度及高耐久性等特點(diǎn)必將逐步被推廣使用。所取得的分析成果不僅在所依托的工程項(xiàng)目建設(shè)中起到了重要的指導(dǎo)作用，而且可為類似工程項(xiàng)目提供借鑒和參考。