王 強(qiáng)，過震文

(上海市市政規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，上海 200031)

0 引言

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，UHPC)是近年來發(fā)展起來的新型纖維增強(qiáng)水泥基材料，由于其具有超高的力學(xué)性能和耐久性能，在橋梁等工程中應(yīng)用越來越多[1]。鋼橋面?zhèn)鹘y(tǒng)瀝青鋪裝易產(chǎn)生鋪裝層開裂等問題，國內(nèi)學(xué)者已開始研究UHPC-鋼橋面組合結(jié)構(gòu)來解決鋼橋面板局部受力變形等問題[2]。UHPC材料的組成、投料與攪拌方式、澆筑方式對抗壓強(qiáng)度和抗彎拉韌性有明顯影響[3]。Wille等研究了不同的試件尺寸、澆筑方法和支撐條件測得抗折強(qiáng)度結(jié)果差異可能高達(dá)200%[4]。王強(qiáng)[5]在過去的研究中已得到鋼纖維的取向排列與UHPC的抗拉韌性有直接的線性關(guān)系，且鋼纖維能很好地沿著澆筑方向排列。

混凝土布料機(jī)在建筑工程領(lǐng)域已有了廣泛應(yīng)用，有向高層布料裝置[6]，也有水平布料設(shè)備[7]，技術(shù)已相對成熟。在道路工程領(lǐng)域，水泥混凝土的布料采用滑模攤鋪機(jī)[8]，通過布料機(jī)把混凝土輸送到螺旋分料器處，由螺旋分料器分?jǐn)偟秸麄€布料工作面上，通過虛方控制板控制布料厚度。UHPC相比于普通混凝土具有黏聚性高、鋼纖維含量大等特點(diǎn)，傳統(tǒng)混凝土布料機(jī)已不再適用，需專用的布料設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)攤鋪[9]。

目前，剛性鋪裝研究越來越熱，但UHPC布料機(jī)與UHPC拌合物之間的協(xié)調(diào)配合還鮮少研究，布料機(jī)對拌合物均勻性的影響、對拌合物中鋼纖維重新排列到底有何影響還不清楚。鑒于此，本文通過布料機(jī)模擬現(xiàn)場澆筑的方法分析UHPC布料前后拌合物性狀和力學(xué)性能的差異，考察布料機(jī)在鋼橋面鋪裝中對UHPC的適應(yīng)性，并在潤揚(yáng)大橋鋪裝試驗(yàn)段應(yīng)用，可為同類工程提供借鑒。

1 試驗(yàn)工程

1.1 工程概況

工程試驗(yàn)段是潤揚(yáng)大橋南汊懸索橋，主梁為帶風(fēng)嘴的扁平流線型鋼箱梁，梁高3m，箱梁全寬38.7m(含檢修道)，單幅橋面鋪裝寬15m、厚5.5cm，原鋪裝結(jié)構(gòu)為下層2.5cm環(huán)氧瀝青混凝土+上層3.0cm環(huán)氧瀝青混凝土，于2005年5月通車。由于鋼橋面板剛度小，車載作用變形較大，環(huán)氧瀝青層出現(xiàn)開裂、坑槽、脫層等病害。試驗(yàn)段設(shè)計方案為局部栓釘+環(huán)氧黏結(jié)層+5cm配筋UHPC+5～8mm防滑層，采用UHPC剛性鋪裝層替換掉原有的柔性鋪裝，增加第三體系剛度，從而根本解決傳統(tǒng)柔性鋪裝出現(xiàn)的問題。

1.2 應(yīng)用分析

通過應(yīng)力分析計算，在鋼橋面板第三體系中，順橋向沿U肋上方所受到的彎拉應(yīng)力為受力最不利位置，設(shè)計施工時應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)橫橋向的彎拉能力。

根據(jù)王強(qiáng)前階段的研究結(jié)果[5]，鋼纖維會沿著澆筑方向定向排列，大大增強(qiáng)了沿澆筑方向的抗拉性能。在此通過考慮將鋼纖維沿橫橋向定向排列后，著重增強(qiáng)橫橋向的抗彎拉性能。本文將論證UHPC在布料機(jī)定向澆筑后，其沿澆筑方向和垂直澆筑方向的性能差別以及對其適合在鋼橋面鋪裝中應(yīng)用進(jìn)行判定。

2 試驗(yàn)研究

2.1 原材料

水泥為海螺52.5P·Ⅱ型水泥，密度為3.17g/cm3，比表面積為386m2/kg；硅灰密度為2.1g/cm3，二氧化硅含量為93%，比表面積為28 000m2/kg；細(xì)骨料為最大粒徑1.25mm潔凈河砂；外加劑采用高性能聚羧酸粉體減水劑，減水率>30%；鋼纖維力學(xué)性能參數(shù)為：抗拉強(qiáng)度2 800MPa，彈性模量210GPa，直徑0.2mm，長度13mm，密度7.9g/cm3。

2.2 制備

試驗(yàn)采用的配合比為水泥∶硅灰∶鋼纖維∶砂∶外加劑∶水=1∶0.2∶0.2∶1.2∶0.006∶0.22。按試驗(yàn)配合比將除水之外的干粉料在上海某特種干粉砂漿廠生產(chǎn)、包裝成干混料。經(jīng)過高轉(zhuǎn)速飛刀葉片分散的干混料經(jīng)檢驗(yàn)各組分均勻一致，鋼纖維被粉體充分包裹、分離。

2.3 機(jī)械模擬

根據(jù)上述分析，試制UHPC鋼纖維定向排列樣機(jī)，樣機(jī)應(yīng)滿足沿軌道實(shí)現(xiàn)縱、橫向行走和行走時均勻布料，如圖1所示，模擬機(jī)械的行走速度為0.2m/s。

圖1 試模方向的設(shè)置

2.4 澆筑布料

試驗(yàn)采用的攪拌機(jī)是容量為1.5m3的立軸行星式攪拌機(jī)，攪拌機(jī)的攪拌功率為45kW。將包裝好的干混料投入攪拌機(jī)內(nèi)，加水?dāng)嚢?min以上出料。

在布料區(qū)域，沿澆筑方向先設(shè)置好縱、橫2個方向的抗折試模，如圖1所示，將沿澆筑方向成型的試件編號設(shè)為“順”，橫著澆筑方向成型的試件編號設(shè)為“橫”。另外，采用GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》標(biāo)準(zhǔn)工藝澆筑1組抗折試件作為對照組，編號設(shè)為“標(biāo)”。

3 試驗(yàn)分析

3.1 拌合物性能

UHPC在經(jīng)過布料機(jī)擠壓重新布料后，不應(yīng)改變拌合物的均勻性和工作性能，為此對布料前后的拌合物狀態(tài)進(jìn)行考察?？疾爝x取的指標(biāo)是坍落度、坍落擴(kuò)展度、擴(kuò)展時間(T500)以及是否存在泌水離析等現(xiàn)象。布料前后對比如表1所示，進(jìn)行擴(kuò)展度試驗(yàn)后的最終狀態(tài)如圖2所示。

表1 UHPC布料前后工作性對比

從表1中得到，從對比的工作性能的幾個指標(biāo)來看，UHPC經(jīng)過布料機(jī)布料前后基本不改變混凝土的工作性，混凝土黏稠性適中，流動性較好，此種混凝土適用于較密配筋鋪裝結(jié)構(gòu)體系的自密實(shí)施工(見圖2)。

圖2 UHPC布料前后坍落擴(kuò)展度對比

3.2 抗折強(qiáng)度

在澆筑布料中成型的抗折試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，采用《活性粉末混凝土》[10]進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)加載速率為0.1MPa/s。

在抗折試驗(yàn)中，在混凝土基體未開裂前，由于鋼纖維和混凝土基體共同作用，混凝土變形較小；在UHPC臨界開裂點(diǎn)時，混凝土基體的抗拉性能降為0，此時的抗折性能主要靠鋼纖維和基體間的黏結(jié)力；隨著鋼纖維的不斷拔出，順著澆筑方向、橫著澆筑方向和標(biāo)準(zhǔn)澆筑方向分別出現(xiàn)不同的強(qiáng)化效果，其中橫著澆筑方向的強(qiáng)化時間最短，標(biāo)準(zhǔn)工藝其次，順著澆筑方向的強(qiáng)化時間最長。

3種方式成型的試件抗折強(qiáng)度差異較大，橫著澆筑方向成型的試件抗折強(qiáng)度最低為20.5MPa，順著澆筑方向達(dá)到最高的32.2MPa，后者相較于前者增加了57%；而采用標(biāo)準(zhǔn)工藝成型的試件抗折強(qiáng)度處于兩者之間，為25.8MPa。本次抗折試驗(yàn)直接說明UHPC的抗折強(qiáng)度的離散差異性很大，下面將從其斷面做進(jìn)一步分析。

3.3 斷面分析

抗折試驗(yàn)結(jié)束，將試件沿斷裂面徹底壓斷，試件斷裂面如圖3所示。試件被壓斷開后，斷面上鋼纖維全部拔出，被拔出的鋼纖維均勻地分布在斷裂面上。直觀地看到3個試件上的鋼纖維取向角不同，按文獻(xiàn)[5]中提供的方法統(tǒng)計鋼纖維取向角的分布，如表2所示。

圖3 抗折試件斷面

為了表征鋼纖維取向角對UHPC抗折強(qiáng)度的影響，計算參與彎拉方向的鋼纖維有效握裹長度。在同一配合比下，UHPC基體與鋼纖維的黏結(jié)強(qiáng)度一致，鋼纖維在彎拉方向上提供的額外承載力完全由這個方向上的有效長度決定。有效長度在此簡化為鋼纖維取向角的余弦值，即設(shè)定如下：軸向鋼纖維對彎拉性能影響系數(shù)設(shè)定為0.93，斜向鋼纖維對彎拉性能影響系數(shù)設(shè)定為0.70，垂直鋼纖維對彎拉性能影響系數(shù)設(shè)定為0.25。

表2 鋼纖維取向角占比統(tǒng)計

3組試件鋼纖維分布均勻，只是鋼纖維取向角有所差異，將各澆筑工藝所得的鋼纖維取向角系數(shù)加權(quán)求和，計算所得順著澆筑方向、標(biāo)準(zhǔn)澆筑和橫著澆筑方向鋼纖維對彎拉方向的影響系數(shù)分別為0.88，0.68，0.46。

鋼纖維取向角系數(shù)和其對應(yīng)的抗折強(qiáng)度曲線關(guān)系如圖4所示。

圖4 鋼纖維取向角對抗折強(qiáng)度的影響

類似于抗拉強(qiáng)度的是，鋼纖維取向角系數(shù)與抗折強(qiáng)度也具有很高的線性擬合度，其R2=0.993 2。擬合的線性關(guān)系如下：

f=27.64θ+7.65

(1)

式中：f為UHPC的抗折強(qiáng)度；θ為鋼纖維的取向角系數(shù)。

式(1)說明了要想獲得較高的抗折強(qiáng)度，鋼纖維的取向角系數(shù)應(yīng)取得最大值。由于鋼纖維取向角系數(shù)θ的存在，給工程應(yīng)用提供了思路，鋼纖維增韌主要依靠鋼纖維的排列方向，這一結(jié)果跟筆者前段研究成果[5]吻合；另一方面也說明如果不控制鋼纖維排列方向，UHPC的抗折強(qiáng)度數(shù)值將表現(xiàn)出較大離散性(理論上7.65～35.29MPa)，這點(diǎn)給工程應(yīng)用、質(zhì)量檢驗(yàn)帶來變數(shù)。

4 工程應(yīng)用

UHPC干混料在工廠按給定的配合比全部預(yù)混完成，以袋裝形式運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場。施工時，將袋裝的UHPC干混料吊裝進(jìn)立軸行星式攪拌機(jī)，加水?dāng)嚢?min，控制用水量在±1%。由于現(xiàn)場只有一步加水工藝，過程操作簡便，控制精準(zhǔn)，方便實(shí)施。

UHPC鋼纖維定向排列布料機(jī)經(jīng)試制成功后，制作成成品用于潤揚(yáng)大橋鋼橋面鋪裝維修工程。布料機(jī)通過2根大梁橫跨橋面兩端，布料機(jī)料斗容量為2m3，布料機(jī)下有導(dǎo)軌能在大梁上沿橫向行走。施工時，料斗內(nèi)存放足夠的UHPC拌合物，啟動電動機(jī)，將布料機(jī)料斗的行進(jìn)速度設(shè)定為0.2m/s，布料時注意均勻連續(xù)，布料后UHPC基本能流平整個工作面，保證前后兩段接縫處澆筑密實(shí)。由于UHPC用水量極低，干燥蒸發(fā)很快，布料過程要注意增濕補(bǔ)水，防止混凝土出現(xiàn)起殼、假凝等澆筑不實(shí)現(xiàn)象。布料完畢后再用整平機(jī)輔助振實(shí)，并立即灑水覆膜養(yǎng)護(hù)。

潤揚(yáng)大橋的剛性鋪裝是密配筋體系，這在前期模擬試驗(yàn)時未使用配筋結(jié)構(gòu)，而混凝土抗折試件使用的是《活性粉末混凝土》的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，還未建立鋼-UHPC在鋼纖維取向排列下的力學(xué)性能比較；另外，由于鋼筋的分隔作用，薄層結(jié)構(gòu)下，鋼筋對鋼纖維的排列取向造成的干涉影響到底有多大還需后續(xù)進(jìn)一步研究。

5 結(jié)語

UHPC具有極高的力學(xué)性能，通過減小結(jié)構(gòu)斷面尺寸，降低結(jié)構(gòu)自重，提高結(jié)構(gòu)的綜合使用性能。在鋼橋面鋪裝領(lǐng)域，UHPC的抗彎拉韌性相較于普通混凝土有了大幅度提升，可有效增強(qiáng)橋面板剛度，降低鋪裝層的應(yīng)力幅，延長鋪裝層的使用壽命。但由于鋼纖維在拌合物中隨機(jī)分布特性，導(dǎo)致UHPC在抗彎拉韌性方面會表現(xiàn)不足。對此本文設(shè)置了一個模擬試驗(yàn)，模擬拌合物在一定澆筑速度下，鋼纖維隨澆筑方向的二次排列取向，研究其帶來的力學(xué)性能變化，結(jié)論如下。

1)UHPC鋼纖維定向排列布料機(jī)不改變UHPC拌合物性能，在布料速度為0.2m/s下，能很好地使鋼纖維沿澆筑方向排列，鋼纖維定向取向率達(dá)85%。

2)UHPC因鋼纖維取向率的不同，抗折強(qiáng)度離散差異較大，本項(xiàng)目中沿澆筑方向成型得到的抗折試件強(qiáng)度最高達(dá)32.2MPa，而橫著澆筑方向成型得到的抗折試件強(qiáng)度只有20.5MPa。

3)UHPC彎拉韌性與鋼纖維取向角呈線性關(guān)系，由鋼纖維拉伸方向有效握裹長度決定。工程應(yīng)用中，如何控制鋼纖維定向排列是增韌關(guān)鍵。

4)經(jīng)潤揚(yáng)大橋鋼橋面鋪裝維修工程的試點(diǎn)應(yīng)用，證實(shí)本項(xiàng)目開發(fā)的UHPC鋼纖維定向排列布料機(jī)適用于鋼橋面剛性鋪裝工程，可推廣使用。

筆者還將在以下方向做進(jìn)一步研究。

1)建立澆筑速度與鋼纖維取向排列程度的關(guān)系。文中已證實(shí)一定的澆筑速度能影響鋼纖維的取向排列，但隨著澆筑速度的不同，鋼纖維取向排列到底呈現(xiàn)何種方式還不甚清楚。

2)鋼-UHPC組合結(jié)構(gòu)中鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)對鋼纖維的重新排列有何影響還不清楚，這就需建立構(gòu)件模型及組合結(jié)構(gòu)的對比試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。