姚新宇　黃俞云　韓志盈

摘要：文章根據(jù)橋梁伸縮縫結(jié)構(gòu)受力特點，以C50混凝土配合比為基準(zhǔn)，通過試驗研究雙摻EVA-HPMC對硫鋁酸鹽水泥混凝土力學(xué)性能、耐久性、收縮性等性能的影響。研究表明：EVA與硫鋁酸鹽水泥具有良好的適應(yīng)性，隨著摻量的增加，混凝土彎拉強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度、耐久性等指標(biāo)均有明顯提升，HPMC的復(fù)合摻入進(jìn)一步改善上述指標(biāo)并對混凝土早期塑性開裂改善明顯。同時，通過EVA-HPMC摻量變化對混凝土性能的改善趨勢，提出了EVA經(jīng)濟(jì)摻量為4%的建議，并建立了EVA-HPMC改性硫鋁酸鹽水泥混凝土拉拔粘結(jié)強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度的冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：醋酸乙烯酯-乙烯共聚物;HPMC;硫鋁酸鹽水泥;橋梁伸縮縫;力學(xué)性能;耐久性

0 引言

車輛行駛經(jīng)過橋梁伸縮縫往往有較為明顯的跳車現(xiàn)象。由于新建道路通車后，實際車輛軸載大于設(shè)計軸載，實際交通量與增速往往也大于預(yù)測值，導(dǎo)致車輛對橋梁伸縮縫的沖擊作用更加明顯。車輛輪胎對橋梁伸縮縫裝置的巨大沖擊力可導(dǎo)致伸縮縫過渡區(qū)混凝土損壞、脫落、松動，同時在雨季由沖擊荷載引起的動水壓力，更會加速橋梁伸縮縫病害的發(fā)展，大大縮短伸縮縫使用壽命[1]。

橋梁伸縮縫過渡區(qū)混凝土主要承受來自車輛輪壓的動載，當(dāng)車輛行駛至伸縮縫時，所產(chǎn)生的輪壓荷載由錨固系統(tǒng)傳導(dǎo)至過渡區(qū)混凝土，過渡區(qū)混凝土因荷載產(chǎn)生壓縮變形。當(dāng)車輪行駛通過過渡區(qū)混凝土后，則會有一個應(yīng)力釋放過程，而輪壓越大，拉應(yīng)力就會越大[2]。此外由于橋梁伸縮縫由梁板、聯(lián)動機(jī)構(gòu)、錨固鋼筋及過渡區(qū)混凝土等多構(gòu)件構(gòu)成（如下頁圖1所示），施工中難以實現(xiàn)攤鋪平順，不平整問題十分常見。而車輛行駛通過則會造成振動形成沖擊力，且所產(chǎn)生的振動屬于高頻振動，在反復(fù)振動荷載下，混凝土更易剝離、疲勞破壞[3-5]。因此從橋梁伸縮縫混凝土受力特點及病害成因綜合分析，為了延長橋梁伸縮縫使用壽命，有必要在滿足經(jīng)濟(jì)性的條件下，提升混凝土抗拉強(qiáng)度、新舊混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性（收縮）等指標(biāo)，并實現(xiàn)快速開放交通、提升通行效率的目的。

近年來國內(nèi)外學(xué)者對聚合物改性水泥材料均做了大量研究，大部分研究主要集中在聚合物種類比選與摻量的確定上，且多數(shù)采用普通硅酸鹽水泥進(jìn)行改性并驗證混凝土與砂漿的相關(guān)指標(biāo)性能[6-14]，但對特種水泥聚合物改性及復(fù)合摻入HPMC改善混凝土性能方面的研究較少。本研究旨在研究EVA與HPMC摻入下對特種水泥混凝土性能的改善，應(yīng)用于橋梁伸縮縫病害修復(fù)，并建立復(fù)合改性特種混凝土關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系，為混凝土構(gòu)造物病害快速修復(fù)高性能材料的開發(fā)與工程應(yīng)用提供試驗基礎(chǔ)與依據(jù)。

1 試驗與方法

1.1 原材料

原材料采用廣西云燕特種水泥建材有限公司生產(chǎn)的R.SAC 42.5低堿度硫鋁酸鹽水泥，國內(nèi)某公司生產(chǎn)的醋酸乙烯酯-乙烯共聚（EVA）可再分散膠粉（主要技術(shù)指標(biāo)見表1），上海臣啟化工科技有限公司生產(chǎn)的羥丙基HPMC（主要技術(shù)指標(biāo)見表2）。減水劑采用聚羧酸高性能減水劑（粉劑），細(xì)料選用欽州砂場（Ⅱ區(qū)）細(xì)度模數(shù)為2.97的細(xì)料，粗集料選用吳圩勝興石場生產(chǎn)的碎石，粒徑分檔為4.75～9.5 mm、9.5～19 mm，水采用實驗室用自來水。

1.2 試驗配比與試驗方法

配合比設(shè)計參照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ 55-2011），預(yù)先確定水灰比、砂率及碎石用量，再根據(jù)研究計劃摻入不同劑量的EVA及HPMC?；鶞?zhǔn)配合比見表3，EVA-HPMC摻量見表4。

1.3 混凝土的制備

采用強(qiáng)制攪拌機(jī)拌和混凝土，將砂、碎石加入干拌30 s，隨后加入水泥、減水劑（粉劑）、EVA、HPMC、EVA助劑干拌90 s，最后加入水?dāng)嚢? min。攪拌后測試混凝土坍落度并入模，成型試件采用振實臺振動密實成型，24 h后拆模，而后根據(jù)研究需要選擇實驗條件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)與試驗。

1.4 試驗方法

根據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTG E30-2005）測定混凝土抗壓強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、彈性模量，收縮性指標(biāo)。根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082-2009）測定混凝土塑性開裂、疲勞壽命等性能指標(biāo)。直接拉拔粘結(jié)試驗參考《道橋用防水涂料》（JC/T975-2005）。

2 力學(xué)性能分析

2.1 強(qiáng)度分析

分別將不同摻量EVA及HPMC的混凝土進(jìn)行抗壓、彎拉強(qiáng)度試驗，其28 d強(qiáng)度如圖2所示。

由圖2可知，雙摻EVA與HPMC時，對混凝土抗壓強(qiáng)度也沒有改善，且隨著EVA摻量增加而有一定的降低趨勢，摻量范圍內(nèi)抗壓強(qiáng)度最大降低幅度為5.84%。但彎拉強(qiáng)度隨著EVA與HPMC的摻入有著較明顯的提高。在單摻0%～5%EVA條件下，彎拉強(qiáng)度分別提高0%、1.96%、1.96%、7.84%、15.69%、17.65%。在0.05% HPMC摻量下，隨著0%～5%EVA的摻入，彎拉強(qiáng)度分別提高0%、1.96%、3.92%、7.84%、15.69%、21.57%。在0.1% HPMC摻量下，隨著1%～5% EVA的摻入，彎拉強(qiáng)度分別提高0、1.96%、7.84%、9.8%、19.61%、23.53%。同時，由圖2可以看出，隨著EVA與HPMC的摻入，尤其當(dāng)EVA摻量>3%時，硫鋁酸鹽混凝土的折壓比明顯提高。

2.2 拉伸粘結(jié)性能

由于影響拉拔粘結(jié)強(qiáng)度的因素還與舊混凝土界面的粗糙度、潔凈程度等因素有關(guān)[15]，采用固定的舊混凝土界面參數(shù)（見表5）進(jìn)行混凝土直接拉拔粘結(jié)試驗，同時參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTG E30-2005）進(jìn)行混凝土劈裂抗拉實驗。如圖3所示，當(dāng) EVA摻量為5%，HPMC摻量為0.1%時，劈裂抗拉強(qiáng)度與拉拔粘結(jié)強(qiáng)度值最大，分別較基準(zhǔn)混凝土提高63.4%、337.8%，并且HPMC的加入使得摻入EVA的混凝土拉拔粘結(jié)強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度都有所增加，在相同5% EVA摻量條件下，摻入0.05%HPMC、0.1%HPMC比沒摻入HPMC其拉拔粘結(jié)強(qiáng)度分別提高了4.4%、10.61%，劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高5.9%、15.9%，但是單摻HPMC對混凝土拉拔粘結(jié)強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度均無影響。由圖3可以看出，當(dāng)摻量>4%時，其拉拔粘結(jié)強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度增加幅度有所放緩，因此EVA摻量4%可作為經(jīng)濟(jì)摻量參考。

直接拉拔粘結(jié)試驗存在試驗設(shè)備、夾具、粘結(jié)接觸面條件等因素變異性大的問題，造成測量數(shù)據(jù)離散性較大，因此可尋找相近試驗進(jìn)行替代與預(yù)測。采用固定的舊混凝土界面參數(shù)（見表5），對比直接拉拔粘結(jié)強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度，兩者可獲得良好的相關(guān)關(guān)系，最終可通過劈裂抗拉強(qiáng)度試驗對改性硫鋁酸鹽混凝土拉拔粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測。綜合試驗數(shù)據(jù)，由圖4所示改性硫鋁酸鹽混凝土劈裂強(qiáng)度與拉拔粘結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系曲線，兩指標(biāo)關(guān)系函數(shù)見式（1）。式（1）反映了EVA與HPMC對硫鋁酸鹽混凝土粘結(jié)性能及劈裂抗拉強(qiáng)度的改性趨勢。

3 耐久性分析

3.1收縮性

混凝土塑性開裂是評價混凝土長期服役能力的重要指標(biāo)，參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082-2009），測定不同EVA與HPMC摻量下混凝土的早期塑性開裂總面積，試驗條件采用固定風(fēng)速，測定風(fēng)速為8 m/s，室內(nèi)恒定溫度為25 ℃，裂縫寬度采用混凝土裂縫測試儀測試，測定24 h早期塑性開裂總面積。不同EVA與HPMC摻量下的混凝土早期塑性開裂及干縮情況如圖5所示。

由圖5可知，塑性開裂總面積隨著EVA的摻入而降低，而HPMC的摻入可以非常明顯地減少塑性開裂總面積。當(dāng)HPMC摻量為0.1%，EVA摻量達(dá)到5%時，不會出現(xiàn)塑性開裂。HPMC的摻入對混凝土塑性開裂總面積的改善更為明顯，在0% EVA摻量下，摻入0.1% HPMC其塑性總開裂面積僅為基準(zhǔn)的56.2%;在3% EVA摻量下，摻入0.1% HPMC其塑性總開裂面積僅為摻入0%HPMC的20.3%，因此HPMC的摻入能防止混凝土因養(yǎng)護(hù)不規(guī)范造成的早期塑性開裂。此外混凝土的干縮值隨著EVA及HPMC摻量的增大而明顯減少。由圖5可看出，當(dāng)EVA摻量>2%時，混凝土干縮值隨著EVA摻量的增加下降幅度加大，且在相同EVA摻量下，HPMC的摻入能夠?qū)炷?8 d干縮值有進(jìn)一步改善。因此，雙摻EVA-HPMC對混凝土的體積穩(wěn)定性及抗開裂性能具有良好的改善，應(yīng)用于橋梁伸縮縫過渡區(qū)可大大降低抵抗動載以及雨天動載引起的動水壓力對混凝土造成的損害。

3.2 模量與疲勞性能

采用固定應(yīng)力水平條件，應(yīng)力設(shè)定為基準(zhǔn)配合比混凝土彎拉破壞壓值的0.7，固定荷載頻率采用10 Hz。如圖6所示，隨著EVA及HPMC摻量的增加其累積荷載次數(shù)隨之增加，彎拉彈性模量隨之降低。當(dāng)EVA摻量>3%時，其疲勞壽命次數(shù)隨著EVA摻量的增加而增長較快;當(dāng)HPMC摻量為0.1%，EVA摻量為5%時，其累積疲勞次數(shù)相比基準(zhǔn)混凝土提高2.8倍，模量降低9.5%。同時，試驗數(shù)據(jù)表明，EVA-HPMC的雙摻比單摻EVA累計疲勞次數(shù)進(jìn)一步增加，但對動彈性模量影響不明顯，單摻HPMC則其摻量對動彈性模量與累積荷載次數(shù)均無明顯影響。因此，由EVA-HPMC復(fù)合改性的硫鋁酸鹽混凝土在疲勞壽命與協(xié)調(diào)變形適應(yīng)上具有更大優(yōu)勢，在橋梁伸縮縫、錯臺修補以及適應(yīng)動載的結(jié)構(gòu)補強(qiáng)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。

4 結(jié)語

（1）混凝土彎拉強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、累積疲勞荷載次數(shù)隨著EVA摻量的增加而提高。其中EVA摻量為2%～4%時上述指標(biāo)開始快速增長，摻量>4%時，上述指標(biāo)增長速率放緩。因此4% EVA摻量可作為經(jīng)濟(jì)摻量參考標(biāo)準(zhǔn)。

（2）HPMC與EVA雙摻會對彎拉強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、累積疲勞荷載次數(shù)、早期塑性開裂及28 d干縮值有進(jìn)一步改善，但0～0.1%范圍內(nèi)單摻HPMC除對混凝土早期塑性開裂及28 d干縮值有改善外，對強(qiáng)度指標(biāo)無明顯影響。

（3）EVA-HPMC復(fù)合改性硫鋁酸鹽混凝土的拉拔粘結(jié)強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度具有良好相關(guān)性，可根據(jù)劈裂抗拉強(qiáng)度間接評價改性混凝土的粘結(jié)性能。

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