橋梁伸縮縫病害修復(fù)用超高性能混凝土性能研究

陳 峰,楊雨厚

(1.桂林公路發(fā)展中心,廣西 桂林 541002;2.廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的大背景下正處于發(fā)展的快車道中,隨著西部大開發(fā)和西南陸海新通道建設(shè)的不斷推進(jìn),桂林作為途經(jīng)的重要區(qū)域之一,交通行業(yè)技術(shù)水平快速發(fā)展,橋梁工程數(shù)量迅猛增長(zhǎng)。然而,由于建造年代久遠(yuǎn)、日常處于超負(fù)荷服役狀態(tài)及缺乏科學(xué)合理的維修養(yǎng)護(hù),部分橋梁出現(xiàn)自身結(jié)構(gòu)損壞,承載能力日漸降低,安全性和耐久性差等問題。在橋梁眾多病害中,伸縮縫的破損問題尤為突出。據(jù)統(tǒng)計(jì),桂林地區(qū)在214座采用異型鋼單縫式伸縮縫的橋梁中,出現(xiàn)錨固區(qū)混凝土碎裂病害的占比高達(dá)51.4%[1]。這主要是由于在負(fù)載過高、雨水沖刷侵蝕及嚴(yán)寒酷暑等服役條件下,橋梁伸縮縫出現(xiàn)混凝土表面脫離、蜂窩麻面、結(jié)構(gòu)變形、鋼筋暴露等耐久性問題,嚴(yán)重威脅橋梁服役的安全性和行車舒適性[2-3]。在傳統(tǒng)修復(fù)方式中,通常采用的修復(fù)材料是普通C50混凝土,這需要長(zhǎng)時(shí)間的養(yǎng)護(hù)和反復(fù)的施工維修,不僅需要長(zhǎng)時(shí)間的交通管制,影響正常交通秩序,而且維護(hù)修復(fù)成本持續(xù)增大。因此,在橋梁伸縮縫的修復(fù)中,需要對(duì)修復(fù)材料的力學(xué)性能和耐久性提出更高的要求[4-5]。

近年來,超高性能混凝土作為橋梁伸縮縫修復(fù)材料應(yīng)用于病害處治成為學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。賈小龍等[6]開展了不同水膠比超高性能混凝土力學(xué)性能及工作性能的試驗(yàn)研究,并將研究成果應(yīng)用于寧夏地區(qū)橋梁伸縮縫修復(fù)中,探索超高性能混凝土作為修復(fù)材料的可行性,研究表明當(dāng)混凝土的水膠比不斷增大,抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸提升的變化規(guī)律,0.16水膠比混凝土工作性能最優(yōu),且強(qiáng)度達(dá)到了138 MPa以上,為實(shí)際工程提出了最佳的施工工藝。黃政宇等[7]開展了混凝土的和易性和強(qiáng)度試驗(yàn)研究,分析提出超高性能混凝土的最佳水膠比為0.18,在此水膠比下,混凝土有著最佳的和易性和最優(yōu)的強(qiáng)度。李傳習(xí)等[8]通過開展混凝土擴(kuò)展度、抗壓抗折強(qiáng)度等相關(guān)試驗(yàn),分析了不同水膠比超高性能混凝土的施工與力學(xué)性能的影響規(guī)律,結(jié)果表明當(dāng)濕拌時(shí)間為6 min時(shí),混凝土能達(dá)到最佳擴(kuò)展度;隨著水膠比從0.16增大至0.19,擴(kuò)展度呈現(xiàn)線性增長(zhǎng),抗壓、抗折強(qiáng)度則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),為此提出水膠比為0.16和0.18為最優(yōu)。然而,針對(duì)不同水膠比對(duì)超高性能混凝土性能的影響,學(xué)者之間存在不同的研究結(jié)論,因此明晰水膠比對(duì)其工作性能及力學(xué)性能的影響規(guī)律是超高性能混凝土能否在伸縮縫修復(fù)材料領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。

本研究制備了4種不同水膠比(0.14、0.16、0.18和0.20)的超高性能混凝土,通過開展混凝土擴(kuò)展度測(cè)試以及3 d、7 d、28 d抗壓抗折強(qiáng)度測(cè)試,研究不同水膠比對(duì)超高性能混凝土工作性能及力學(xué)性能的影響規(guī)律,并將研究結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際病害工程中,為超高性能混凝土作為修復(fù)材料在橋梁養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域的合理應(yīng)用提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1.1 原材料特性

水泥:魚峰P.O 52.5級(jí)水泥,主要測(cè)試指標(biāo)見表1。

表1 水泥性能指標(biāo)表

硅灰:來自于西安霖源微硅粉有限公司,其平均粒徑為6.7μm,二氧化硅含量≥95%,燒失量為1.1%。

粒化高爐礦渣粉(S95):來自于陸川縣貴豐建材有限公司,其平均粒徑為13.5μm,比表面積≥400 m2/kg,燒失量為0.42%,28 d的活性指數(shù)為98%。

細(xì)骨料:潔凈的0.16～1.25 mm連續(xù)級(jí)配的石英砂(石灰?guī)r),其性能指標(biāo)檢測(cè)按照《建設(shè)用砂》(GB/T 14684-2011)進(jìn)行,見表2。

表2 砂的技術(shù)指標(biāo)表

外加劑:蘇博特降粘聚羧酸高性能減水劑,含固量為19%,減水率為27%,擴(kuò)展度為27 mm,均合格。

1.1.2 配合比設(shè)計(jì)

為開展不同水膠比對(duì)超高性能混凝土工作性能和力學(xué)性能的相關(guān)試驗(yàn)研究,本研究采用4種不同的水膠比,分別為0.14、0.16、0.18和0.2,設(shè)計(jì)了4組不同水膠比混凝土。各不同水膠比混凝土配合比設(shè)計(jì)見表3。水泥:硅灰:礦渣的質(zhì)量比為1∶0.25∶0.1,砂膠比為1.1,減水劑摻量為2%,鋼纖維摻量(體積摻量)為2%。參照《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080-2016)制備混凝土試件。

表3 超高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)表

1.2 試驗(yàn)方法

為分析不同水膠比對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響規(guī)律,按照《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080-2016)開展混凝土坍落擴(kuò)展度試驗(yàn);按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)開展混凝土3 d、7 d和28 d抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度試驗(yàn);到達(dá)養(yǎng)護(hù)齡期后,采用液壓式混凝土壓力試驗(yàn)機(jī)和WE-600B型數(shù)顯萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 超高性能混凝土工作性能

圖1為不同水膠比對(duì)混凝土擴(kuò)展度的影響曲線。從圖1可以看出,隨著水膠比不斷提高,混凝土的流動(dòng)擴(kuò)展度呈現(xiàn)不斷提高的趨勢(shì)。當(dāng)水膠比為0.14時(shí),混凝土的擴(kuò)展度為510 mm,新拌混凝土的拌和物相對(duì)比較粘稠,需要延長(zhǎng)振動(dòng)的時(shí)間才能密實(shí)成型;當(dāng)水膠比為0.16時(shí),新拌混凝土拌和物的流動(dòng)擴(kuò)展度達(dá)到550 mm;當(dāng)水膠比增大至0.18時(shí),流動(dòng)擴(kuò)展度達(dá)到670 mm;當(dāng)水膠比為0.20時(shí),坍落擴(kuò)展度達(dá)到710 mm,流動(dòng)性極佳,但其粘聚性和保水性比較差。

圖1 不同水膠比對(duì)混凝土擴(kuò)展度的影響曲線圖

混凝土的水膠比是影響其工作性、粘聚性的一個(gè)重要因素,水膠比大小對(duì)混凝土的強(qiáng)度和流動(dòng)性均有直接的影響。當(dāng)混凝土的水膠比過高,水泥漿體之間水分過多,降低了漿體的稠度,會(huì)導(dǎo)致粘聚性較差,發(fā)生泌水離析等問題。然而當(dāng)水膠比過低時(shí),漿體的濃度較大,雖然其保水性和粘聚性較好,但漿體之間的黏度大,不易流動(dòng),因此工作性能差。而當(dāng)水膠比為0.16～0.18時(shí),混凝土拌和物的水泥漿體保水性和粘聚性極優(yōu),能有效包裹住砂石骨料,從而擁有著較好的流動(dòng)性。在混凝土澆筑振搗過程中,存在于漿體與骨料之間的氣泡容易從四周溢出,提升了混凝土的密實(shí)度。為了有效控制混凝土現(xiàn)場(chǎng)施工的流動(dòng)性、粘聚性和保水性,水膠比宜控制在0.16～0.18。

2.2 超高性能混凝土力學(xué)性能

下頁(yè)圖2和圖3是不同水膠比對(duì)混凝土不同齡期的抗壓及抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律柱狀圖。由圖2可以看出,抗壓強(qiáng)度隨著水膠比的增大呈現(xiàn)先提升后降低的趨勢(shì)。當(dāng)水膠比為0.18時(shí),混凝土的3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度為最優(yōu),分別為122 MPa、140 MPa和144 MPa。隨著水膠比增大至0.20,混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)降低的變化規(guī)律,相比于0.18水膠比,其3 d、7 d和28 d抗壓強(qiáng)度分別降低了29.5%、35.7%和33.3%。由于超高性能混凝土水膠比較低(0.14),水泥漿體之間水分較少,漿體與骨料之間較為干稠,流動(dòng)性較差,需要增加成型振搗的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)漿體密實(shí),當(dāng)水膠比為0.18,混凝土拌和物流動(dòng)性、保水性、和易性均達(dá)到極佳,能有效清除存在于漿體骨料之間的氣泡,使超高性能混凝土含氣量下降,結(jié)構(gòu)更密實(shí),抗壓強(qiáng)度得到提升。

圖2 水膠比對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響柱狀圖

圖3 水膠比對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度影響柱狀圖

由圖3可以看出,當(dāng)超高性能混凝土養(yǎng)護(hù)齡期為3 d時(shí),隨著水膠比的增大,超高性能混凝土的抗折強(qiáng)度不斷降低。當(dāng)水膠比為0.14時(shí),混凝土的3 d抗折強(qiáng)度最高,為17 MPa。隨著養(yǎng)護(hù)齡期增大至7 d和28 d,混凝土抗折強(qiáng)度隨著水膠比的增大呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢(shì),當(dāng)水膠比為0.16時(shí),超高性能混凝土的7 d和28 d抗折強(qiáng)度最高,分別為21.3 MPa和23.2 MPa。隨著水膠比不斷增大,7 d和28 d抗折強(qiáng)度則呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。水膠比為0.20時(shí)的超高性能混凝土7 d和28 d抗折強(qiáng)度分別為15.2 MPa和16 MPa,相比于0.16水膠比時(shí)分別降低了40.13%和31.03%。這說明提高水膠比在改善超高性能混凝土拌和物流動(dòng)性的同時(shí),也降低了超高性能混凝土的抗折強(qiáng)度。

2.3 修復(fù)材料實(shí)際工程應(yīng)用

荔江中橋、金雷小橋位于廣西桂林荔浦市境內(nèi),屬于G323國(guó)道瑞清線的一部分,起點(diǎn)為江西瑞金,終點(diǎn)為云南臨滄清水河口岸,經(jīng)過江西、廣東、廣西和云南4個(gè)省(區(qū))。荔江橋中心樁號(hào)為K854+169,全長(zhǎng)66.94 m;金雷橋中心樁號(hào)為K846+118,全長(zhǎng)12.7 m,均屬于梁式橋結(jié)構(gòu)。由于兩座橋梁均因其橋梁伸縮縫止水帶被汽車反復(fù)碾壓導(dǎo)致破損、泥土進(jìn)入導(dǎo)致堵塞問題嚴(yán)重,已不能滿足使用的需求,嚴(yán)重影響交通安全,現(xiàn)進(jìn)行伸縮縫病害處治工作。

將本研究成果作為橋梁伸縮縫錨固區(qū)加固材料應(yīng)用于該處治工程,采用室內(nèi)機(jī)器將其按照S3組別的配合比設(shè)計(jì)成預(yù)混干粉,配合比設(shè)計(jì)見表4。運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)按照水膠比為0.18加水?dāng)嚢枋褂眉纯伞?/p>

表4 橋梁伸縮縫錨固區(qū)修復(fù)材料預(yù)制配合比設(shè)計(jì)表

通過項(xiàng)目組研發(fā)的超高性能混凝土材料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用,對(duì)修復(fù)材料性能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試(見表5),其擴(kuò)展度達(dá)到650 mm,澆筑施工前自流動(dòng)狀態(tài)良好,在施工過程中達(dá)到自流動(dòng)自密實(shí)的效果,28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到127 MPa,滿足設(shè)計(jì)要求。由此得到以下結(jié)論:(1)超高性能混凝土材料攪拌無須增加新設(shè)備,相較于C50混凝土,易攪拌且現(xiàn)場(chǎng)施工效率高;(2)新拌超高性能混凝土漿體工作性良好,能達(dá)到自密實(shí)混凝土效果;(3)養(yǎng)護(hù)24 h即達(dá)到設(shè)計(jì)可開放交通強(qiáng)度等級(jí),相較于C50商品混凝土需3 d才能開放交通,大大縮短了道路養(yǎng)護(hù)施工開放交通的時(shí)間,提高了養(yǎng)護(hù)工程的質(zhì)量。

表5 現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)試結(jié)果表

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過開展不同水膠比超高性能混凝土坍落度測(cè)試和抗壓抗折測(cè)試,評(píng)價(jià)水膠比對(duì)超高性能混凝土的工作性能和力學(xué)性能的影響規(guī)律,并將研發(fā)的超高性能混凝土作為修復(fù)材料用于橋梁伸縮縫病害處治中,得到以下結(jié)論:

(1)隨著水膠比的增大,超高性能混凝土的流動(dòng)擴(kuò)展度呈現(xiàn)不斷提高的趨勢(shì)。當(dāng)水膠比為0.18時(shí),流動(dòng)擴(kuò)展度達(dá)到670 mm;當(dāng)水膠比為0.20時(shí),流動(dòng)擴(kuò)展度達(dá)到710 mm,流動(dòng)性極佳,但其粘聚性和保水性比較差。因此,超高性能混凝土的水膠比應(yīng)控制在0.16～0.18。

(2)超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著水膠比的增大呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)水膠比為0.18時(shí),3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度為最大,分別為122 MPa、140 MPa和144 MPa。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為3 d時(shí),隨著水膠比的增大,超高性能混凝土的抗折強(qiáng)度不斷降低。養(yǎng)護(hù)齡期增大至7 d和28 d時(shí),抗折強(qiáng)度隨著水膠比的增大呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢(shì),當(dāng)水膠比為0.16時(shí),7 d和28 d抗折強(qiáng)度最高,分別為21.3 MPa和23.2 MPa。綜合流動(dòng)性及強(qiáng)度考慮,超高性能混凝土水膠比宜取0.18。

(3)將S3組的超高性能混凝土(水膠比為0.18,膠砂比為1.1,水泥∶硅灰∶礦渣為1∶0.25∶0.1,減水劑摻量為2%,鋼纖維體積摻量為2%)作為橋梁伸縮縫修復(fù)材料應(yīng)用于荔江中橋和金雷小橋的病害處治中,應(yīng)用效果良好,有利于縮短道路養(yǎng)護(hù)施工開放交通的時(shí)間,提高了養(yǎng)護(hù)工程的質(zhì)量。