超高韌性混凝土(STC)工作性能與力學(xué)性能的影響因素

曹 健,張可強(qiáng)

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南京 211112;2.新型道路材料國(guó)家工程研究中心,江蘇 南京 211112)

1 引 言

鋼橋面鋪裝一直是一項(xiàng)世界性難題,我國(guó)經(jīng)過(guò)近二十年的研究與發(fā)展,已基本形成以雙層環(huán)氧瀝青(EA)、澆注式瀝青(GA)、剛?cè)峤M合式(ERS)等為代表的幾大主流鋪裝方案[1-3]。然而各方案在實(shí)際建設(shè)及服役過(guò)程中仍然存在不同程度的不足。如EA鋪裝方案由于環(huán)氧類材料不可逆的熱固特性,導(dǎo)致其整體施工難度大、造價(jià)高、后期維修養(yǎng)護(hù)難度大;GA鋪裝方案由于高瀝青用量、高礦粉用量的原材組成特點(diǎn),其高溫穩(wěn)定性一直是工程界關(guān)注與擔(dān)憂的焦點(diǎn);而ERS鋪裝方案雖然各結(jié)構(gòu)層分工明確,理想狀態(tài)下僅需對(duì)其鋪裝上層瀝青混凝土層開展維修養(yǎng)護(hù)即可,但其鋪裝下層RA層采用冷拌冷鋪施工工藝,對(duì)于原材料要求高、施工工藝復(fù)雜,施工質(zhì)量控制難度大,且實(shí)體工程中也出現(xiàn)過(guò)RA層出現(xiàn)裂縫等病害的現(xiàn)象[4]。此外,大跨徑橋梁整體剛度偏低、撓度大,長(zhǎng)期外部荷載作用下U型加勁肋、縱/橫隔板處易產(chǎn)生疲勞裂紋,影響橋梁使用壽命,而現(xiàn)階段所用柔性鋪裝結(jié)構(gòu)對(duì)橋梁主體剛度提升幅度較小,且無(wú)法實(shí)現(xiàn)與橋梁主體結(jié)構(gòu)同壽命,上述問(wèn)題已成為制約我國(guó)鋼橋面鋪裝向更長(zhǎng)服役壽命發(fā)展的技術(shù)瓶頸。

因此,近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者開始將目光轉(zhuǎn)向水泥基剛性鋪裝層,其中超高韌性混凝土(STC)具有高強(qiáng)、高韌性、高耐久等特點(diǎn),得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[5]。采用STC鋪裝方案一方面可以一定程度上提升橋面系整體剛度,降低鋪裝層及橋面板焊縫處疲勞開裂風(fēng)險(xiǎn);另一方面,可以將光滑的鋼橋面鋪裝近似轉(zhuǎn)換為水泥混凝土橋面鋪裝,降低鋼橋面鋪裝難度;再者,STC可實(shí)現(xiàn)與橋梁主體結(jié)構(gòu)同壽命,服役期內(nèi)僅需針對(duì)鋪裝面層開展維修養(yǎng)護(hù)即可,全壽命周期經(jīng)濟(jì)效益顯著。

然而,STC配合比組成復(fù)雜,影響因素多,各因素的變動(dòng)對(duì)STC工作性能與力學(xué)性能產(chǎn)生不同影響,進(jìn)而影響鋪裝層整體質(zhì)量。因此,針對(duì)硅灰種類、硅灰摻量、鋼纖維種類與摻加方式等對(duì)STC工作性能與力學(xué)性能的影響開展相關(guān)研究工作,對(duì)于掌握不同影響因素對(duì)其工作性能與力學(xué)性的影響規(guī)律,提高STC組合式鋼橋面鋪裝工程質(zhì)量具有重要意義。

2 原材料及試驗(yàn)方法

2.1 原材料

水泥:所用水泥為P·O 52.5普通硅酸鹽水泥。

硅灰:所用硅灰為原狀硅灰、半增密硅灰、鋯質(zhì)硅灰及白硅灰,不同硅灰的主要化學(xué)組分見表1。

表1 硅灰化學(xué)組分 單位:%

細(xì)骨料:采用由長(zhǎng)沙某公司生產(chǎn)的10～20目石英砂,其SiO2含量大于99%。

石英粉:采用長(zhǎng)沙某建材公司生產(chǎn)的325目石英粉,平均粒徑為50.15 μm,密度為2.625 g/cm3。

鋼纖維:所用鋼纖維分別為端鉤型鋼纖維(Hooked steel fiber,HF)、平直型長(zhǎng)鋼纖維(Long Straight steel fiber,LF)和波浪型鋼纖維(Wave-shaped steel fibe,WF),上述纖維長(zhǎng)度均為13 mm、長(zhǎng)徑比65;平直型短鋼纖維(Short Straight steel fiber,SF),長(zhǎng)度6 mm,長(zhǎng)徑比30。

減水劑:采用減水劑為上海某廠家生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑,固含量20%,減水率35%。

水:自來(lái)水。

2.2 試驗(yàn)方法

(1)配合比設(shè)計(jì)。

參照最大密實(shí)度理論開展STC配合比設(shè)計(jì)。

(2)性能檢測(cè)。

STC工作性能參照GB/T 2419-2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》,以流動(dòng)度進(jìn)行表征。

STC抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測(cè)試方法參照GB/T 17671-2021《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》開展。

3 影響因素分析

3.1 基準(zhǔn)配合比

參照最大密實(shí)度理論開展STC配合比設(shè)計(jì),基準(zhǔn)配合比見表2。

表2 超高韌性混凝土基準(zhǔn)配合比

基準(zhǔn)配合比工作性能與力學(xué)性能見表3。

3.2 硅灰種類對(duì)STC性能的影響

在基準(zhǔn)配合比基礎(chǔ)上,分別以20%的原狀硅灰、半增密硅灰、鋯質(zhì)硅灰及白硅灰等量替代水泥,摻入不同種類硅灰后STC工作性能及力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見圖1、圖2。

圖1 不同種類硅灰STC工作性能

圖2 不同種類硅灰STC力學(xué)性能

由圖1試驗(yàn)結(jié)果可以看出,整體而言,硅灰的加入一定程度上降低了STC的流動(dòng)度,主要是硅灰比表面積較水泥大,等量替代水泥后漿體中自由水減少。其中,鋯質(zhì)硅灰對(duì)于STC工作性能影響最小,其次為白硅灰,而原狀硅灰與半增密硅灰雖然成分相同,由于但半增密硅灰的堆積密度遠(yuǎn)大于原狀硅灰,導(dǎo)致其在漿體中較難分散,進(jìn)而對(duì)STC流動(dòng)度影響較大。

此外,由STC力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果可以看出,雖然白硅灰對(duì)于漿體流動(dòng)度的不利影響大于鋯質(zhì)硅灰,但由于白硅灰中SiO2含量高于鋯質(zhì)硅灰,參與火山灰反應(yīng)的無(wú)定型二氧化硅含量高,可提高STC漿體密實(shí)度,對(duì)STC力學(xué)性能貢獻(xiàn)率高于鋯質(zhì)硅灰,因此在相同摻量下其力學(xué)性能更好。

3.3 硅灰摻量對(duì)STC性能的影響

不同硅灰在不同摻量下STC流動(dòng)度和力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見圖3～圖5。

圖3 不同硅灰摻量下STC流動(dòng)度

圖4 不同硅灰摻量下STC抗壓強(qiáng)度

圖5 不同硅灰摻量下STC抗折強(qiáng)度

由上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出,當(dāng)摻量低于20%時(shí),STC工作性能隨硅灰摻量的增加影響較小,當(dāng)摻量超過(guò)20%時(shí),其工作性能開始出現(xiàn)明顯劣化,尤其以半增密硅灰最為顯著。

對(duì)于力學(xué)性能而言,在所試驗(yàn)摻量范圍內(nèi),鋯質(zhì)硅灰與白硅灰其最佳摻量為20%左右,當(dāng)其摻量超過(guò)20%時(shí),STC力學(xué)性能開始出現(xiàn)下降趨勢(shì);而原狀硅灰與半增密硅灰,其最佳摻量在15%以內(nèi)。一方面,過(guò)高的硅灰摻量,使STC整體需水量增大,在不改變用水量的情況下,STC工作性能降低,影響硬化漿體密實(shí)度;另一方面,相關(guān)研究表明,常溫養(yǎng)生條件下,硅灰的火山灰活性較低,參與火山灰反應(yīng)的硅灰數(shù)量有限,而本研究中采用硅灰等量替代水泥,導(dǎo)致水泥的用量相對(duì)降低,最終造成過(guò)高硅灰產(chǎn)量下,STC的工作性能出現(xiàn)下降趨勢(shì)。因此,綜合考慮工作性能與力學(xué)性能,建議摻加鋯質(zhì)硅灰或白硅灰,且其摻量宜控制在20%以內(nèi)。

3.4 纖維摻雜方式對(duì)STC性能的影響

(1)單摻纖維。

基于基準(zhǔn)配合比,分別設(shè)定鋼纖維體積摻量為0、1%、2%及3%。不同纖維摻量下STC工作性能及力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見圖6～圖8。

圖6 不同纖維摻量下STC流動(dòng)度

從圖6中可以看出,三種纖維的摻入均使得STC的流動(dòng)性明顯降低,在相同體積摻量下,不同類型鋼纖維對(duì)STC漿體流動(dòng)性降低幅度由大到小依次為端鉤型、波紋、平直型。此外,鋼纖維摻量在2%以內(nèi)時(shí),STC流動(dòng)度隨鋼纖維摻量的增加降低幅度較小,當(dāng)摻量超級(jí)過(guò)2%時(shí),STC流動(dòng)度隨鋼纖維摻量的增加降低速度加快。

從圖7、圖8可以發(fā)現(xiàn),隨著鋼纖維體積摻量的增加,STC的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度均逐漸增大,但增幅逐漸減小。由于鋼纖維與STC基體間的黏結(jié)錨固效應(yīng),在STC受力破壞的過(guò)程中外力將纖維從基體中拔出甚至拉斷需要損耗部分能量,延緩了STC內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展,改善了其受力特性,從而提高了STC的力學(xué)性能。低摻量下隨著摻量的增加單位體積內(nèi)鋼纖維的數(shù)量增多,纖維間距減小,參與受力的鋼纖維數(shù)量增多,故隨著纖維摻量的增加,STC力學(xué)性能顯著增加;但過(guò)高摻量的纖維易在STC中發(fā)生“團(tuán)聚現(xiàn)象”,影響STC的勻質(zhì)性并降低纖維與STC基體間的粘結(jié)界面強(qiáng)度,進(jìn)而抵消部分改善效果,表現(xiàn)為力學(xué)性能增長(zhǎng)變緩[6],甚至隨著摻量的繼續(xù)增加,其力學(xué)性能可能出現(xiàn)降低現(xiàn)象。

圖7 不同纖維摻量下STC抗壓強(qiáng)度

圖8 不同纖維摻量下STC抗折強(qiáng)度

此外,不同種類鋼纖維對(duì)STC力學(xué)性能的改善效果與工作性能正好相反,端鉤形改善效果最好,其次是波浪形鋼纖維,最后是平直型鋼纖維。端鉤形鋼纖維及波浪形鋼纖維由于其特殊的外形,其與STC基體間的錨固強(qiáng)度高于平直型鋼纖維,在纖維拔出過(guò)程中將消耗更多的能量,故相應(yīng)的STC力學(xué)性能優(yōu)于平直型鋼纖維增強(qiáng)組。綜合考慮工作性能與力學(xué)性能,鋼纖維增強(qiáng)STC的最佳體積摻量不宜超過(guò)2%。

(2)混雜纖維。

在纖維總體積摻量為2%的基礎(chǔ)上,分別調(diào)整平直型長(zhǎng)鋼纖維與平直型短鋼纖維的相對(duì)摻量。不同混雜纖維組合形式下STC工作性能及力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見圖9、圖10。

圖9 不同纖維混摻組合下STC流動(dòng)度

從圖9可以看出,與基準(zhǔn)組相比,摻入2%平直型長(zhǎng)鋼纖維后,STC流動(dòng)度明顯降低,而隨著平直型短鋼纖維逐漸取代平直型長(zhǎng)鋼纖維,STC流動(dòng)度呈先增大后急劇減小的趨勢(shì),當(dāng)平直型長(zhǎng)鋼纖維與平直型短鋼纖維摻加比例為1∶1時(shí),鋼纖維增強(qiáng)型STC流動(dòng)度最好,表明適量的平直型短鋼纖維取代平直型長(zhǎng)鋼纖維,可以一定程度上削弱纖維單摻對(duì)STC工作性能的不利影響。相關(guān)研究表明,鋼纖維單摻時(shí),由于“邊壁效應(yīng)”,鋼纖維在混凝土中流動(dòng)過(guò)程中時(shí)將發(fā)生旋轉(zhuǎn),最終取趨向于垂直于流動(dòng)方向,從而對(duì)混凝土的流動(dòng)產(chǎn)生較大的阻力,進(jìn)而降低STC的流動(dòng)度;當(dāng)采用混摻模式時(shí),纖維的流動(dòng)模式將發(fā)生改變,初始狀態(tài)下亂向分布的長(zhǎng)/短纖維可以視為彼此的“邊壁”,一定程度上制約彼此的旋轉(zhuǎn),降低垂直于基體流動(dòng)方形的纖維數(shù)量,從而減小流動(dòng)阻力[7,8]。

對(duì)于力學(xué)性能而言,所試驗(yàn)組別中,纖維的摻入均能不同程度提高STC的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度,其中對(duì)抗折強(qiáng)度的影響程度高于抗壓強(qiáng)度,當(dāng)平直型長(zhǎng)鋼纖維與平直型短鋼纖維摻加比例為1.5∶0.5時(shí),纖維增強(qiáng)型STC力學(xué)性能最佳,綜合考慮工作性能與力學(xué)性能,建議采用1.5%平直型長(zhǎng)鋼纖維與0.5%平直型短鋼纖維混摻。

4 結(jié) 論

(1)硅灰的加入一定程度上降低STC工作性能,但鋯質(zhì)硅灰與白硅灰對(duì)STC工作性能影響相對(duì)較小,且由于白硅灰中SiO2含量高于其他硅灰,可發(fā)揮火山灰效應(yīng)的無(wú)定型二氧化硅含量高,對(duì)STC力學(xué)性能的改善效果高于其他硅灰,故在相同摻量下其力學(xué)性能更好。

(2)當(dāng)摻量低于20%時(shí),STC工作性能隨硅灰摻量的增加影響較小,當(dāng)摻量超過(guò)20%時(shí),其工作性能開始出現(xiàn)明顯劣化,尤其以半增密硅灰最為顯著。對(duì)于工作性能而言,在所試驗(yàn)摻量范圍內(nèi),鋯質(zhì)硅灰與白硅灰其最佳摻量為20%左右,而原狀硅灰與半增密硅灰,其最佳摻量在15%以內(nèi)。綜合考慮工作性能與力學(xué)性能,建議摻加鋯質(zhì)硅灰或白硅灰,且其摻量宜控制在20%以內(nèi)。

(3)纖維的加入對(duì)STC的工作性能有不利影響, 且端鉤型鋼纖維降低幅度最大, 其次為波浪形鋼纖維,平直型鋼纖維影響最小,對(duì)STC力學(xué)性能的改善效果則與工作性能相反,綜合考慮工作性能與力學(xué)性能,鋼纖維增強(qiáng)STC的最佳體積摻量不宜超過(guò)2%。

(4)平直型長(zhǎng)鋼纖維與平直型短鋼纖維混摻時(shí),對(duì)STC工作性能的不利影響較弱,且隨著平直型短鋼纖維逐步取代平直型長(zhǎng)鋼纖維,纖維增強(qiáng)型STC工作性能與力學(xué)性能均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),綜合考慮STC工作性能與力學(xué)性能,建議采用1.5%平直型長(zhǎng)鋼纖維與0.5%平直型短鋼纖維混摻。