云蒙山特大橋聚丙烯纖維混凝土力學(xué)性能指標(biāo)及其相關(guān)性研究*

吳偉軍

(上海公路橋梁(集團)有限公司,上海 200433)

本文以云蒙山特大橋主橋箱梁C55聚丙烯纖維混凝土為研究對象,開展材料力學(xué)性能與機理研究,提出聚丙烯纖維混凝土施加預(yù)應(yīng)力的齡期建議,根據(jù)試驗結(jié)果建立力學(xué)指標(biāo)的定量關(guān)系。

1 工程概況

S317線云蒙山特大橋長581.5m,主橋跨越水庫大壩,采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁連續(xù)剛構(gòu),跨徑95m+175m+95m,邊中跨比0.543(見圖1)。主梁采用單箱單室直腹板變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁(見圖2),箱梁根部截面梁高11.2m,為主跨跨徑的1/15.6,跨中截面梁高5m,為主跨跨徑的1/35, 主橋箱梁采用C55聚丙烯纖維混凝土。

圖1 云蒙山特大橋效果

圖2 主橋箱梁

2 試驗概況

2.1 原材料

試驗采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥,比表面積為362m2/kg,密度為3.02g/cm3,初凝時間187min,終凝時間245min,3d抗壓強度26.8MPa,28d抗壓強度46.7MPa,3d抗折強度5.9MPa,28d抗折強度7.8MPa;細(xì)骨料為天然中砂,細(xì)度模數(shù)為2.66,表觀密度為2.620g/cm3;粗骨料為5～20mm連續(xù)級配碎石,表觀密度為2.778g/cm3;摻合料采用F類Ⅱ級粉煤灰和晉鋼S95級礦粉;水為普通自來水,符合國家標(biāo)準(zhǔn);外加劑采用JL-7型聚羧酸高性能減水劑,減水率28%;采用的聚丙烯纖維主要性能指標(biāo)為:直徑36μm,長度12mm,抗拉強度599MPa,彈性模量4 290MPa,極限伸長率30.5%,密度9.1g/cm3,熔點169℃(見圖3)。

2.2 配合比設(shè)計

混凝土配合比設(shè)計過程中,主要考慮水膠比及砂率對混凝土的影響,在用水量、聚丙烯纖維摻量不變(即均為0.8kg/m3)的情況下進(jìn)行試配試驗,C55聚丙烯纖維混凝土配合比如表1所示。根據(jù)試配結(jié)果,基準(zhǔn)配合比A1拌合物和易性最佳,且28d抗壓強度亦滿足設(shè)計要求。綜合考慮混凝土和易性、經(jīng)濟型、耐久性,確定A1為最終配合比。

表1 聚丙烯纖維混凝土配合比設(shè)計

2.3 試驗方法

混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度及靜彈性模量試驗參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》,抗壓強度和劈裂抗拉強度試件尺寸為100mm×100mm×100mm,抗折強度試件尺寸為150mm×150mm×550mm,靜彈性模量試件尺寸為150mm×150mm×300mm,采用YAW-3000型壓力試驗機;動彈性模量試驗參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》,試件尺寸為100mm×100mm×400mm,采用DT-W18型混凝土動彈性模量測定儀。SEM掃描電鏡試驗是介于透射電鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種微觀形貌觀察手段,可直接利用樣品表面材料的物質(zhì)性能進(jìn)行微觀成像,采用日立-S4800型號的高分辨率冷場發(fā)射掃描式電子顯微鏡。MIP壓汞試驗通過汞進(jìn)入孔中的量與不斷增長的進(jìn)汞壓力間的關(guān)系可得出樣品的微觀孔結(jié)構(gòu),采用AutoPore IV 9500型壓汞儀。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 聚丙烯纖維混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度

C55聚丙烯纖維混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度測試結(jié)果如表2所示。由表2可知,C55聚丙烯纖維混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度隨齡期的增加而穩(wěn)定增長。3d,7d抗壓強度分別達(dá)到設(shè)計強度的103.5%,114.2%;雖然混凝土軸心抗拉強度能直觀反映混凝土的抗拉性能,但試驗操作不便,且劈裂抗拉強度也可較好地反映混凝土的抗拉強度。將劈裂抗拉強度與軸心抗拉強度設(shè)計值進(jìn)行對比后得出,混凝土3d,7d劈裂抗拉強度分別達(dá)到軸心抗拉強度設(shè)計值的104.0%,120.4%。滿足GB 50666—2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》中強度不應(yīng)低于設(shè)計強度的75%和該橋設(shè)計要求中強度不應(yīng)低于設(shè)計強度的90%施加預(yù)應(yīng)力的要求。試驗得出,混凝土28d抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度分別達(dá)到設(shè)計值的130.7%,151.5%,124.6%,力學(xué)性能表現(xiàn)優(yōu)異。齡期28d混凝土的SEM試驗和MIP試驗結(jié)果分別如圖4,5所示。

表2 抗壓強度、劈裂抗拉強度試驗結(jié)果

圖4 28d齡期混凝土SEM微觀圖像

由圖4可看出,齡期28d混凝土中的水泥石與骨料結(jié)合緊密,組織結(jié)構(gòu)完整,聚丙烯纖維與水泥漿體間的結(jié)構(gòu)緊密,無微裂縫產(chǎn)生,可觀察到大量無定型C-S-H凝膠,活性礦物摻合料的火山灰效應(yīng)大量消耗Ca(OH)2,進(jìn)一步優(yōu)化了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。由圖5可見,28d齡期時,聚丙烯纖維混凝土試樣總孔隙率為4.67%?？讖椒植荚?0～100nm的孔隙組分較密集。根據(jù)混凝土孔徑分類,20～100nm為少害孔,MIP試驗表明,混凝土微觀結(jié)構(gòu)致密,孔隙結(jié)構(gòu)較好。隨著齡期增加,水化反應(yīng)將進(jìn)一步發(fā)展,混凝土孔隙結(jié)構(gòu)也將進(jìn)一步得到優(yōu)化。

圖5 28d齡期混凝土孔徑含量分布曲線

從微觀試驗結(jié)果可看出,混凝土中水泥石與骨料結(jié)合緊密,組織結(jié)構(gòu)完整,孔隙率較低且孔徑分布較好,因此C55聚丙烯纖維混凝土表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。

3.2 聚丙烯纖維混凝土動、靜彈性模量

實際工程中,混凝土強度與彈性模量增長并不同步,常出現(xiàn)混凝土強度達(dá)到預(yù)應(yīng)力張拉的要求,而彈性模量卻因達(dá)不到要求而無法進(jìn)行張拉的情況。因此,本文通過彈性模量試驗,結(jié)合規(guī)范要求,分析了彈性模量對聚丙烯纖維混凝土預(yù)應(yīng)力張拉時間的影響,提出了能滿足實際施工要求的張拉時間。C55聚丙烯纖維混凝土動、靜彈性模量測試結(jié)果如表3所示。由表3可知,聚丙烯纖維混凝土的動、靜彈性模量在早期都呈現(xiàn)快速增長趨勢,5d動彈性模量為28d的87.7%,5d靜彈性模量為28d的83.2%,滿足施工要求中彈性模量達(dá)到混凝土28d彈性模量的80%允許施加預(yù)應(yīng)力的要求。JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》規(guī)定:在收縮和徐變初期的混凝土上施加預(yù)應(yīng)力時,會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失較大,使混凝土產(chǎn)生微裂縫,進(jìn)而導(dǎo)致構(gòu)件的抗裂性能降低,并建議“對混凝土施加預(yù)應(yīng)力應(yīng)至少具備5～7d的齡期”。由于聚丙烯纖維混凝土的早期抗裂性能優(yōu)異,同時根據(jù)混凝土抗壓強度與劈裂抗拉強度的試驗結(jié)果,聚丙烯纖維混凝土的預(yù)應(yīng)力施加可考慮在齡期5d時進(jìn)行。

表3 動、靜彈性模量試驗結(jié)果

3.3 抗壓強度與劈裂抗拉強度及靜彈性模量的相關(guān)性

聚丙烯纖維混凝土抗壓強度fcu與劈裂抗拉強度fts關(guān)系曲線如圖6所示,聚丙烯纖維混凝土抗壓強度fcu與靜彈性模量Ec關(guān)系曲線如圖7所示,聚丙烯纖維混凝土抗壓強度fcu與抗折強度ft關(guān)系曲線如圖8所示。由圖6～8可知,聚丙烯纖維混凝土劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度、靜彈性模量與立方體抗壓強度、抗折強度與立方體抗壓強度都具有良好的線性正相關(guān)關(guān)系。抗壓強度不僅是反映混凝土質(zhì)量的綜合指標(biāo)且檢測易于操作,在實際工程中,預(yù)先建立混凝土抗壓強度與劈裂抗拉強度及靜彈性模量相關(guān)關(guān)系,通過混凝土的抗壓強度檢測結(jié)果可間接得到混凝土的劈裂抗拉強度和靜彈性模量,從而掌握混凝土的抗拉性能及變化規(guī)律,同時還能及時了解混凝土結(jié)構(gòu)的剛度變化情況。

圖7 抗壓強度與靜彈性模量關(guān)系曲線

圖8 抗壓強度與抗折強度關(guān)系曲線

3.4 動、靜彈性模量的相關(guān)性

聚丙烯纖維混凝土動彈性模量Ed與靜彈性模量Ec關(guān)系曲線如圖9所示。由圖9可知,同一齡期時,聚丙烯纖維混凝土的動彈性模量大于靜彈性模量。一方面是因為混凝土試件在測量動、靜彈性模量時的應(yīng)力-應(yīng)變條件不同,另一方面混凝土試件中的微小裂縫對動彈性模量的測定影響較小。聚丙烯纖維混凝土的動、靜彈性模量具有良好的二次多項式正相關(guān)關(guān)系。工程中為獲取結(jié)構(gòu)靜彈性模量,需對結(jié)構(gòu)鉆芯取樣,但會對結(jié)構(gòu)物造成損傷,所以在實際工程中應(yīng)盡量避免。而動彈性模量則可通過無損檢測方法獲取,操作簡便、測量連續(xù)且避免了結(jié)構(gòu)損傷。因此,可通過二者的相關(guān)關(guān)系,基于混凝土動彈性模量實測值間接掌握混凝土靜彈性模量的發(fā)展規(guī)律,從而為工程施工提供技術(shù)依據(jù)。

4 結(jié)語

1)聚丙烯纖維混凝土3d,7d抗壓強度分別達(dá)到設(shè)計強度的103.5%,114.2%,3d,7d的劈裂抗拉強度分別達(dá)到軸心抗拉設(shè)計強度的104.0%,120.4%,均滿足施加預(yù)應(yīng)力要求。28d抗壓、抗折強度與劈裂抗拉強度性能十分優(yōu)異,微觀試驗結(jié)果與力學(xué)性能測試結(jié)果一致。

2)聚丙烯纖維混凝土5d動彈性模量為28d的87.7%,5d靜彈性模量為28d的83.2%?？紤]到聚丙烯纖維混凝土的抗裂性能優(yōu)異,對混凝土施加預(yù)應(yīng)力可考慮在齡期5d時進(jìn)行。

3)聚丙烯纖維混凝土力學(xué)性能指標(biāo)間具有良好相關(guān)性。其中,聚丙烯纖維混凝土劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度、靜彈性模量與立方體抗壓強度、抗折強度與立方體抗壓強度都具有良好的線性正相關(guān)關(guān)系,混凝土的動、靜彈性模量具有良好的二次多項式正相關(guān)關(guān)系。