張友海 大塚哲雄 相澤一裕 上村豊

（電気化學工業(yè)株式會社）

1 研究背景

隨著近幾年我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市機動車擁有量迅速增加，交通供需矛盾日益突出，加劇了城市道路的擁堵程度。特別是大城市中心區(qū)小汽車無序發(fā)展、過度使用，使中心區(qū)的道路網(wǎng)經(jīng)常處于超負荷狀態(tài)，加劇了大城市交通擁堵的嚴重程度。

以北京為例，近15年來，北京的汽車保有量每年平均遞增率超過15%，個別年份甚至接近20%，而道路長度和道路面積的年平均增加率僅為1.2%和3.7%，致使交通需求，特別是小汽車交通需求與市區(qū)路網(wǎng)總容量之間的缺口日益擴大。雖然，北京采取了機動車的搖號和限號等措施，控制機動車的保有量及出行率，但依然無法緩解交通擁堵現(xiàn)象。

而交通量的迅速增加導致交通設施的交通量提前達到甚至超過了其設計的總交通量，致使其性能快速下降，噬需盡快進行維修或修補以恢復其功能。但城市交通的特點要求搶修工程必須實現(xiàn)快速開放交通，這對混凝土的修補工程提出了較高要求。

目前，國內(nèi)的城市混凝土搶修工程主要采用現(xiàn)場攪拌方式，隨著霧霾等環(huán)境問題的日益惡化，已有城市采取施工工地禁止現(xiàn)場攪拌混凝土的政策?，F(xiàn)行條件下，既要滿足工程要求又能適應政策要求是擺在工程技術人員面前的重要課題。

本文結合城市交通設施快速搶修的現(xiàn)狀，對日本的超快硬混凝土的工作性、各種強度性能及耐久性進行了試驗確認，并對日本使用混凝土現(xiàn)場攪拌車的工程應用進行了介紹。

2 試驗概要

2.1 使用原材料

本實驗所用原材料如下：

水泥采用日本某公司生產(chǎn)的超快硬水泥SUPERCEMENT。該水泥由普硅水泥與快硬摻合料（SC-1）按3∶1比例復合而成。

細骨料使用姬川產(chǎn)河砂，細度模數(shù)：2.79，密度：2.62g/cm3；粗骨料使用姬川產(chǎn)卵石，細度模數(shù)：7.39，密度：2.64g/cm3。

外加劑：混凝土的工作性能通過萘系減水劑及緩凝劑予以調(diào)整。萘系減水劑的密度為1.13g/cm3，減水率>15%。

2.2 混凝土配合比

城市搶修要求混凝土必須具有早強性能（3h r>24MPa）[2]，因此須采用高強配合比。混凝土的配合比如表1所示，水灰比為0.34，坍落度設定為8±2.5cm，通過減水劑的用量予以調(diào)整。

2.3 試驗項目及試驗方法

本實驗中混凝土的工作性包括坍落度及含氣量；強度包括抗壓、抗折以及上下層混凝土間的粘結強度；耐久性考慮到實際應用，分別對混凝土的干燥收縮及抗凍性進行了試驗確認。各種試驗方法如下：

按照JIS A 1101：2005規(guī)定的操作方法測了混凝土的坍落度。超快硬混凝土用于城市的搶修工程時，為了滿足早期開放交通的需要，在滿足施工要求的條件下，盡量縮短凝結時間。但過短凝結會影響現(xiàn)場施工。為了確認混凝土的流動性變化指導施工，本實驗還分別試驗確認了混凝土在初始、15min、30min及60min時的坍落度變化。

本實驗分別測了混凝土3hr、6hr以及1d、7d、28d的各種強度。其中，抗壓強度按照JIS A 1108：2006的規(guī)定，采用Φ10×20cm的試塊進行了強度試驗。抗折強度按照JIS A 1106：2006的規(guī)定，采用10cm×10cm×40cm的試塊，在規(guī)定齡期進行了試驗。試件脫模后，放入溫度20℃、濕度為60%的恒溫恒濕室養(yǎng)護至規(guī)定齡期后進行強度試驗。

修補工程時，新混凝土與下層舊混凝土間的粘結強度是影響工程質(zhì)量的原因之一。并且，考慮到實際工程的混凝土強度各異，本實驗將下層混凝土的強度分別設為25、35、45、100MPa等4個強度等級，進行了粘結強度試驗。此外，為了考察超快硬混凝土的作業(yè)時間對粘結強度的影響，本實驗還以35MPa及45MPa的下層混凝土為對象，分別測了超快硬混凝土在初始、30min以及60min時，其與下層混凝土的粘結強度變化。下層混凝土養(yǎng)護至規(guī)定齡期，用鋼刷將其表面打磨成粗糙并保持干燥狀態(tài)，將超快硬混凝土澆筑在其表面，澆筑厚度為6cm。在齡期3d時，鉆心取樣（Φ10cm），取樣后將上下兩端用樹脂粘結，齡期7d時進行了拉拔試驗，并觀察了其斷面狀態(tài)。

混凝土的抗凍性試驗按照JIS A 1148 A法（水中凍融循環(huán)法）規(guī)定，使用10cm×10cm×40cm的試塊。因超快硬混凝土的7d強度可以達到普通混凝土28d強度，因此試塊脫模后放入水中養(yǎng)護至7天后進行了水中凍融試驗。試驗的溫度范圍為-18～+5℃，每次循環(huán)3～4小時。每經(jīng)過30個凍融循環(huán)后，將試塊取出測其動彈性模量，直至300個循環(huán)結束。

收縮是混凝土的固有性質(zhì)之一，也會影響新舊混凝土的粘結強度。因此本實驗還按照JIS A 6202:1997（單軸約束試驗方法），采用10cm×10cm×40cm的試塊，對混凝土的早期收縮進行了觀測。試塊脫模后，測其基長后放入溫度為20℃、濕度為60%的恒溫恒濕室進行了觀測。

表1

3 試驗結果

3.1 工作性能

由于搶修工程中對施工時間要求比較嚴格，一般都是在夜晚10點之后封路，翌日凌晨6點前開放交通。因此，對混凝土的凝結時間要求特別嚴格。但超快硬混凝土用于城市的搶修工程時，還必須滿足施工要求，具有一定的現(xiàn)場操作時間。為了確認混凝土的流動性變化指導施工，本實驗還分別試驗確認了混凝土的初始、15min、30min及60min的坍落度變化。

其坍落度結果如圖1所示。初始坍落度為7.5cm。與之相比，60min后混凝土坍落度為7cm，幾乎無損失，可以滿足現(xiàn)場施工要求。

3.2 強度

1）抗壓強度

對于搶修混凝土來說，不僅要求快硬，而且還要早強。因為混凝土必須達到一定的力學強度，才能滿足工程設計要求，達到快速搶修、早期開放交通的目的。

超快硬混凝土的抗壓強度如圖2所示。其加水后3hr的抗壓強度超過30MPa，完全可以滿足設計要求，實現(xiàn)快速搶修、早期開放交通的目的。

圖1 混凝土坍落度

環(huán)境溫度是影響混凝土強度發(fā)展的因素之一，尤其低溫環(huán)境下，混凝土的強度增長會出現(xiàn)延遲。因此，本研究還在低溫環(huán)境下混凝土的強度發(fā)展進行了試驗確認。將所需材料在溫度為5℃、濕度為60%的恒溫恒濕室內(nèi)放置24小時后，進行攪拌、成型，并在該環(huán)境中空氣養(yǎng)護至規(guī)定齡期后進行了強度試驗。

2）抗折強度

圖2 混凝土抗壓強度

圖3 混凝土抗折強度

隨著交通負荷的日益增重，水泥混凝土路面板出現(xiàn)斷裂損壞較為普遍。排除路基不均勻沉降、車輛超載等因素的影響，這種損壞是受到剪切作用力而出現(xiàn)斷裂[3]。如果混凝土路面的抗折強度降低5%，其使用壽命會降低48%，會在較短時間內(nèi)產(chǎn)生大面積破損，造成極大的資源浪費和損失[4]。因此，現(xiàn)行的公路水泥混凝土路面施工技術規(guī)范（JTGF30-2003）對路面混凝土的抗折強度做了詳細規(guī)定（表2）[5]。

超快硬混凝土的抗折試驗結果如圖3所示。1d抗折強度達到4.5MPa，28d可達到7MPa。抗折強度可滿足表2中重交通設計要求。

3）粘結強度

增大截面法加固構件中，新混凝土的自由收縮受到老混凝土的約束，會在新混凝土內(nèi)產(chǎn)生拉應力，從而在新老混凝土粘結面上出現(xiàn)剪應力。當拉應力大于新混凝土自身的抗拉強度或新老混凝土的粘結強度時，就會產(chǎn)生開裂，影響到新老混凝土的粘結性能，從而造成加固結構的性能下降[6]。

因此，本研究對超快硬混凝土與下層混凝土的粘結強度進行了實驗。并且，考慮到實際工程的混凝土強度各異，本實驗將下層混凝土的強度分別設為25、35、45和100MPa等4個強度等級，進行了粘結強度試驗。下層混凝土的強度實測值如表3所示。

超快硬混凝土與各強度等級混凝土的粘結強度結果如圖4所示。隨著下層混凝土強度的增加，上下層混凝土間的粘結強度隨之增大。尤其下層混凝土強度在100MPa時，粘結強度達到了3MPa以上。

根據(jù)上述基本安全要求，10 kV配電網(wǎng)不停電作業(yè)發(fā)展出多種作業(yè)方式。按照所使用的絕緣工具進行劃分，可分為絕緣桿作業(yè)法和絕緣手套作業(yè)法。其中絕緣桿作業(yè)法屬于地電位作業(yè)，作業(yè)過程中作業(yè)人員保持人體與大地(或桿塔)同一電位，通過絕緣桿、絕緣抱桿、絕緣三齒耙等絕緣工具接觸帶電體進行檢修操作。這時人體與帶電體的關系是：大地(桿塔)人→絕緣工具→帶電體。如圖1所示。

對其斷面觀察結果顯示，下層混凝土強度45MPa以下時，斷裂面出現(xiàn)在下層混凝土。當下層混凝土的強度在100MPa時，斷裂面出現(xiàn)在上下層混凝土的界面上。

換言之，下層混凝土的強度低于超快硬混凝土時，進行拉拔試驗時，其斷裂面出現(xiàn)在較弱的下層混凝土。反之，則其斷裂面出現(xiàn)在上下層混凝土的界面上。從這個結果可以得出，下層混凝土的狀態(tài)直接影響了新舊混凝土間的粘結強度。

此外，超快硬混凝土的作業(yè)時間對粘結強度的影響結果如圖5所示。隨著作業(yè)時間的推遲，混凝土間的粘結強度未發(fā)生明顯變化。舊混凝土表面的濕潤狀態(tài)會影響新舊混凝土的粘結強度[7]。而本研究中，下層混凝土因為處于干燥狀態(tài)，并且圖1的坍落度結果顯示，60min內(nèi)超快硬混凝土的坍落度損失較小。因此，可以推測新舊混凝土的結合面濕潤程度基本相同，所以其粘結強度也未發(fā)生明顯變化。

表2 水泥混凝土路面抗折強度要求

圖4 混凝土粘結強度

圖5 混凝土粘結強度

表3 下層混凝土強度（M Pa）

3.3 耐久性

1）干燥收縮

大量混凝土修補工程實踐表明，新老混凝土的修復常常會出現(xiàn)修補的新混凝土開裂或在新老混凝土的粘結界面出現(xiàn)裂縫的現(xiàn)象，這是因為老混凝土經(jīng)過長期使用，其收縮基本趨于穩(wěn)定，而新補混凝土的干燥收縮大，使修補粘結界面層成為最薄弱環(huán)節(jié)[8]。

圖6 干燥收縮

圖7 抗凍性

超快硬混凝土的干燥收縮試驗結果如圖6所示?；炷猎谠缙诔霈F(xiàn)微膨脹后進入收縮，截止至28d齡期，其收縮低于150×10-6。這是因為SUPER CEMENT在煅燒過程中添加了定量石膏，而石膏在凝結硬化時會發(fā)生體積微膨脹。石膏在凝結硬化初期會發(fā)生微膨脹，補償了部分收縮，所以，超快硬混凝土的收縮值較小。

較小的收縮值不僅能大大降低混凝土的開裂危險性，還能大幅提高其耐久性。而上層混凝土的收縮較小也是得到上述較高粘結強度的保證。

2）抗凍性

超快硬混凝土的凍融試驗結果如圖7所示。該混凝土未摻加引氣劑，其實測含氣量為2.3%。雖然未摻加引氣劑，超快硬混凝土經(jīng)過凍融300循環(huán)后，其相對動彈性模量保持在90%以上，顯示了良好的抗凍性。

圖8 混凝土現(xiàn)場攪拌車

超快硬混凝土的水灰比為0.34，混凝土內(nèi)部的細孔量隨著水灰比的降低而減少。當混凝土的水灰比在0.35以下時，對其抗凍性影響較大的半徑在0.01～0.2μm范圍的細孔量低于0.02m l/g[9]，所以該混凝土即使未摻加引氣劑，其抗凍性也可以得到保證。

4 工程應用

4.1 施工機械

在日本，為了降低超快硬混凝土在搬運途中鑄罐的危險性，一般在現(xiàn)場使用現(xiàn)場攪拌車攪拌?，F(xiàn)場攪拌車如圖8所示，目前日本大約有40臺活躍在各工地?，F(xiàn)場攪拌車上設有多個料倉，可分別裝載粗細骨料、水泥、水及外加劑等。

現(xiàn)場攪拌車的基本參數(shù)如表4所示。材料計量一般采用體積法，近年采用質(zhì)量法稱量的攪拌車業(yè)已問世。使用體積法時，工程應用前需進行各材料的堆積密度試驗。各材料稱量完畢后通過傳輸帶運至攪拌設備前加水后攪拌，從加水開始到攪拌完畢基本需要15s。折疊式的攪拌設備采用單軸螺旋式攪拌葉片，設置在車輛后方。攪拌能力根據(jù)車輛規(guī)模及膠凝材料用量，每小時可在現(xiàn)場生產(chǎn)10m3～50m3混凝土[10]。

表4 現(xiàn)場攪拌車基本參數(shù)

一般現(xiàn)場攪拌車的料倉可載10噸材料。大規(guī)模施工時，需用卡車將各材料運至現(xiàn)場，通過吊臂等機械往料倉內(nèi)續(xù)料保證其連續(xù)運轉。

4.2 工程應用

從上世紀80年代末期開始，使用現(xiàn)場攪拌車生產(chǎn)超快硬混凝土主要應用于東京等大城市的城市道路及高速公路搶修、鋪裝等。截止目前，實際工程應用超過數(shù)萬m3。

結語

本研究對日本的超快硬混凝土進行了性能確認，得到結果如下：

（1）該混凝土的坍落度損失較小，可滿足現(xiàn)場施工要求；

（2）早期強度高且低溫環(huán)境下其強度發(fā)展良好，能滿足城市交通設施的快速搶修實現(xiàn)早期開放交通的需求；

抗折強度可滿足重交通道路的要求；根據(jù)下層混凝土的狀態(tài)，可獲得較高的粘結強度；

（3）該混凝土的干燥收縮小，并且抗凍性好，可適應不同環(huán)境的要求。

從上世紀80年代末期開始，日本使用具有自動稱量系統(tǒng)的現(xiàn)場攪拌車生產(chǎn)超快硬混凝土，主要應用于東京等大城市的城市道路及高速公路搶修、鋪裝等。截止目前，實際工程應用超過數(shù)萬m3。

[1] 中國人大網(wǎng)：『北京市大氣污染防治條例』引用

[3] 羅軍：淺談路面混凝土抗折強度的影響因素，廣東建材，2003（11）

[4] 傅智：水泥混凝土道路未來重要研究方向，中國公路學報，1994（01）。

[5] 公路水泥混凝土路面施工技術規(guī)范（JTGF30-2003）引用。

[6] 陳鋒：在新老混凝土約束下的修補混凝土收縮性能試驗研究，武漢理工大學學報，2011（09）。

[7] 劉艷萌：新舊混凝土粘結技術研究，重慶大學碩士學位論文，2006。

[8] 郝娟，余紅發(fā)，白康，韓麗娟，周鵬，曹文濤：混雜纖維對大摻量礦物摻合料混凝土干燥收縮的影響，材料科學與工程學報，Vol.26，2008。