田 帥, 張露陽, 孫 博
(遼寧科技大學 土木工程學院, 遼寧 鞍山 114051)
隨著城市的快速發(fā)展和國民經(jīng)濟的大幅提升, 為緩解交通壓力、節(jié)約建設用地, 立交橋應運而生。在立交橋設計中,考慮橋上縱向通行能力、凈空以及結構美觀, 便出現(xiàn)隱形蓋梁的結構形式,但是隱形蓋梁隱蔽性較強, 其早期病害不宜被發(fā)現(xiàn), 特別是北方地區(qū)撒鹽除雪導致其表面混凝土受侵蝕剝落、鋼筋銹蝕等,加快了隱形蓋梁的損壞。立交橋匝道橋相鄰兩聯(lián)的交接處, 常使用圖1所示的獨墩式隱形蓋梁, 以保證上部結構線形的流暢、美觀。因此,對該隱形蓋梁進行補強和修復以延長城市立交橋使用壽命刻不容緩。
圖1 隱形蓋梁常見病害
針對蓋梁加固, 趙巧燕等[1]通過對雙柱式鋼筋混凝土蓋梁存在的豎向裂縫病害展開研究, 提出相應的維修加固措施, 為橋梁后期養(yǎng)護工作提供參照; 韓宏昆[2]通過對臥龍橋、龍鳳橋的雙柱式蓋梁進行粘貼鋼板法加固試驗, 結果表明粘貼鋼板能有效提高截面的抗彎能力; 張宏穎[3]對雅園立交橋隱形蓋梁病害進行了分析, 采用粘貼鋼板加固法進行加固, 為隱形蓋梁加固提供參照。然而目前國內對隱形蓋梁加固的研究較少, 最常用的粘貼鋼板加固方法[1-4]不僅影響結構美觀, 也不能解決隱形蓋梁內部鋼筋銹蝕等病害。
因此, 經(jīng)過調查研究、試驗取證與分析, 針對隱形蓋梁耐久性不足導致橋梁安全性降低的問題, 提出采用置換法代替鋼板加固。由于隱形蓋梁存在于城市立交橋結構之中, 在“盡量不影響城市交通”的理念[5]及“北京三元橋快速修復施工”的啟示下, 對隱形蓋梁表層劣化的混凝土、銹蝕的鋼筋進行快速修復。本文圍繞C30混凝土隱形蓋梁, 選擇C40早強混凝土作為置換補強材料, 通過置換材料的配比設計, 研究置換材料的抗壓強度、劈裂強度及界面粘結強度, 并通過單點加載試驗研究加固后的蓋梁承載力,為隱形蓋梁3 d內快速完成修復并通車提供參考。
1)水泥: 選用上海舜安建材有限公司生產(chǎn)的42.5級雙快硫鋁酸鹽水泥(R·DFC), 屬于低堿度水泥。通過物理性能試驗測得, 該水泥比表面積≥350 m2/kg, 初凝時間約為15 min, 終凝時間約為30 min, 用0.50的水灰比(水泥∶標準砂∶水=1∶3∶0.5)進行抗壓以及抗折強度試驗, 得到其性能符合要求。
2)細集料: 采用鞍山本地河砂, 細度模數(shù)為2.89, 根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42—2005)[6]對河砂的物理性能進行檢測, 其表觀密度為2 650 kg/m3, 堆積密度為1 537 kg/m3, 性能符合要求。
3)粗集料: 選用遼陽地區(qū)特有的石灰?guī)r機制碎石, 采用5~25 mm連續(xù)級配進行物理性能檢測, 其表觀密度為2 670 kg/m3, 堆積密度為1 490 kg/m3, 性能符合要求。
4)外加劑: 選用河南豐太化工產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)的葡萄糖酸鈉(NG)作為制備早強混凝土的專用外加劑[7]。本產(chǎn)品不腐蝕鋼筋, 可以延長硫鋁酸鹽水泥的凝結時間, 延緩和抑制C3A和C3S的水化, 對混凝土后期的水化反應及強度沒有顯著影響。
1.2.1 外加劑適宜摻量試驗 制備砂漿試件模具采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的三聯(lián)鑄鐵砂漿試模, 在標準條件下分別養(yǎng)護6 h和28 d脫模待用。壓力機加載速度設定為0.25 kN/s, 使用電腦操作界面控制壓力機進行加載試驗, 當壓力機退出工作時, 記錄荷載值。通過查閱文獻[8]可知: 葡萄糖酸鈉(NG)摻量宜為凝膠材料的0.03%~0.07%。本文將NG摻量定義為葡萄糖酸鈉與硫鋁酸鹽水泥的比值。由于文獻[8]是NG在普通水泥中的摻量, 而NG在早強水泥(硫鋁酸鹽水泥)中的相關報道很少, 用NG調節(jié)硫鋁酸鹽水泥的凝結時間,其用量大于普通水泥中的用量。因此本文借鑒文獻[8],并考慮硫鋁酸鹽水泥凝結過快的實際問題,通過探究不同NG(0、0.1%、0.2%、0.3%)摻量下砂漿強度和凝結時間確定NG的最佳摻量,最終擬定砂漿的試驗配合比mc∶mw∶ms=1∶0.36∶1.5。
1.2.2 硬化混凝土強度試驗 1)抗壓強度試驗: 參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG E30—2005)[9], 通過經(jīng)驗公式和相關材料參數(shù), 經(jīng)計算得到試驗初步配合比, 初配時的水灰比為0.36, 砂率為0.34, 試驗溫度為20 ℃左右。擬定混凝土配合比mc∶mw∶ms∶mg=472∶170∶598∶1 160。試驗儀器選用濟南思達測試技術有限公司生產(chǎn)的型號為YAW-3000材料壓力試驗機, 最大壓力可達3 000 kN。拆模后按NG摻量對試件進行編號, 根據(jù)相應齡期進行抗壓強度試驗, 試驗過程中加荷速度設為0.8 MPa/s。
本試驗以尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的三聯(lián)鑄鐵試模制備試驗所需試件84個。NG的摻量為0、0.1%、0.2%、0.3%時, 依次測定混凝土0.25、0.5、1、3、7、14、28 d的抗壓強度。將制作好的試模放在溫度為20±2 ℃、相對濕度95%的養(yǎng)護箱內養(yǎng)護到規(guī)定的時間。其中0.25和0.5 d齡期養(yǎng)護時間為5和11 h, 拆模后馬上進行試驗, 其余試件均養(yǎng)護至規(guī)定的齡期。
2)劈裂強度試驗: 拆模后按NG摻量進行編號, 根據(jù)相應的齡期進行劈裂抗拉強度試驗(試驗設備同上),試驗過程中加荷速度設置為0.05 MPa/s。選用實驗室專用的劈裂抗拉模具, 其中墊塊為直徑150 mm的鋼制弧形墊塊; 支架為鋼支架, 所需模具同上, 共制備試件84個。當NG的摻量為0、0.1%、0.2%、0.3%時, 依次測定混凝土各養(yǎng)護齡期的劈裂強度。
3)新舊混凝土界面粘結強度試驗: 對舊混凝土界面進行刻槽處理后, 再用新混凝土進行澆筑, 修補后的混凝土整體強度有明顯提高[10]。本試驗主要通過對稱刻槽和高壓水洗兩種方式對混凝土界面進行處理, 對比其對新舊混凝土界面粘結強度的影響。
制備強度等級為C30的混凝土試件, 其配合比為mc∶mw∶ms∶mg=429∶185∶536∶1 250。在標準條件下養(yǎng)護28 d, 然后進行劈裂強度試驗, 得到劈裂強度值, 采用以上提到的兩種方式對舊混凝土界面進行相應的處理, 最后用摻有NG的雙快水泥進行界面粘結強度試驗研究。測定1、3、28 d 3個齡期下修補混凝土界面劈裂強度值, 對比分析兩種修復方式下新舊混凝土界面粘結強度的變化情況。C30混凝土試件選用鞍山本地特有的硅酸鹽水泥(P·O 32.5), 粗集料選用最大粒徑為21.5 mm的機制碎石, 細集料選用鞍山本地河砂。
通過對比抗壓強度和劈裂強度試驗的結果得出, NG摻量在0.1%~0.2%時, 試件的凝結時間適中, 抗壓強度和劈裂強度均滿足試驗要求。因此,在進行新舊混凝土界面粘結強度試驗時, NG摻量定為0.15%, 再對混凝土的配合比進行相應調整。當水灰比≤0.3時, 混凝土強度發(fā)展更快[11]。因此將本試驗水灰比調整為0.3, 同時原材料也作出相應調整。調整后的C40早強混凝土配合比為mc∶mw∶ms∶mg∶NG=533∶160∶580∶1 127∶0.15%。
試件的制備方法: 選用已經(jīng)劈裂的C30混凝土試件(尺寸約為100 mm×100 mm×50 mm), 先對舊混凝土界面分別采用高壓水沖洗和角磨機刻槽處理, 再放入內壁涂抹礦物油的100 mm×100 mm×100 mm三聯(lián)鑄鐵試模中, 在斷口處用早強混凝土對C30混凝土試件進行修補。為了與隱形蓋梁修復界面的情況吻合, 采用豎直向粘結面試件。經(jīng)過高壓水沖洗和角磨機進行紋理處理的試件如圖2所示。
圖2 高壓水沖洗(a)與角磨機紋理處理(b)界面
使用3 000 kN壓力試驗機進行試驗, 試驗加荷速度選定為0.05 MPa/s,使用電腦操作界面控制壓力機進行加載試驗, 當壓力機退出工作時, 記錄荷載值。
1.2.3 單點加載試驗 結合隱形蓋梁受力特點、本試驗的研究目的和相似理論原理, 設計1根C30混凝土試驗梁及2根部分修復的C30混凝土試驗梁。其中, 2根部分修復的C30混凝土試驗梁使用混凝土強度試驗中配制的C40早強混凝土進行補強修復, 試驗分組情況如表1所示。
表1 試驗分組
1)試驗梁設計: 參考鞍山市五一路立交橋隱形蓋梁的結構, 根據(jù)相似理論原理和實驗室加載設備條件, 將隱形蓋梁按1∶4的相似比縮尺設計3根試驗梁。3根試驗梁的截面尺寸如圖3所示, 均為b×h=300 mm×200 mm, 其實際長度是1 400 mm, 其中L1是C30混凝土原梁, L2和L3是修補梁, 按雙筋矩形截面進行相應的配筋。
圖3 試件截面形式
在矩形梁截面中間設置一段長300 mm、高150 mm的短柱模擬墩柱, 實現(xiàn)梁體與墩柱固結??紤]到梁體易于制作、便于新舊混凝土受力對比分析, 修補梁選在梁體單側側向修補, 修補深度選為100 mm。修補的3根試驗梁配筋情況完全相同, 其配筋圖如圖4所示。受拉及受壓鋼筋為HRB335級, 箍筋為HPB235級, 檢測表明鋼筋強度均符合力學性能指標要求。
圖4 試驗梁配筋圖
2)試驗梁制作: 參照混凝土原材料及配比制作試驗梁。參考實際橋梁中隱形蓋梁表面侵蝕深度在10 cm以上, 侵蝕總面積達到蓋梁截面面積的30%, 試驗梁為達到30%的置換要求, 在試驗梁寬度方向第1次澆筑200 mm混凝土來模擬舊混凝土, 第2次澆筑100 mm來模擬新混凝土。修補梁選在梁體單側側向修補, 沒有選擇兩側修補, 主要是從梁體易于制作、便于新舊混凝土受力對比分析的角度考慮。修補深度選為100 mm, 主要根據(jù)《混凝土結構加固設計規(guī)范》(GB 50367—2013)中規(guī)定的梁體混凝土置換深度不宜小于60 mm, 并易于振搗的角度考慮。分兩批次進行梁體側向澆筑, 普通混凝土原梁為第一批, L1梁全梁澆筑并直接標準養(yǎng)護56 d, L2和L3梁部分澆筑, 澆筑尺寸為沿試驗梁寬度方向上200 mm, 澆筑完成后按照養(yǎng)護標準養(yǎng)護至28 d。待第一批混凝土養(yǎng)護結束后再澆筑第二批, 即采用修補混凝土修補L2、L3剩余部分梁體。澆筑尺寸為混凝土試驗梁寬度方向100 mm, 其中L2養(yǎng)生28 d, L3養(yǎng)護2 d。試件養(yǎng)護結束后, 開展梁體加載試驗。試件的制作過程如圖5所示。
圖5 試件制作過程
3)試驗梁加載: 采用單點加載方式對3根試驗梁進行單調靜力加載。加載設備為50 t壓力試驗機。根據(jù)規(guī)范JTG E30—2005[9]規(guī)定, 正式試驗前先加載至開裂荷載值的50%, 并延續(xù)5 min, 檢查檢測儀無誤后將荷載降到零, 進行正式加載。正式加載時, 將加載模式設定為自動控制模式, 其中負荷控制速率為0.200 kN/s, 位移控制速率為0.300 mm/s, 直到荷載升至試驗設定數(shù)值, 則試驗結束。試驗梁加載示意見圖6a, 加載力P模擬單柱橋墩支撐力, 兩支座反力模擬上部結構單箱箱梁通過支座傳遞到隱形蓋梁上的豎向力。
4)試驗梁檢測內容: 使用XL2101B6靜態(tài)應變儀測量應變及撓度, 測量內容包括鋼筋應變、混凝土應變、撓度、荷載、裂縫的寬度及分布。
5)試驗梁吊裝與加載: 將試驗梁吊運到實驗平臺上, 調試實驗設備, 確認試驗通道數(shù)據(jù)正常后進行試驗加載(圖6b)。加載后, 讀取各級荷載下試驗梁的鋼筋及混凝土應變、位移及斜裂縫的分布情況。
圖6 試驗梁加載示意及實物圖
根據(jù)砂漿凝結試驗及抗壓強度試驗結果, 分別得到不同NG摻量下砂漿凝結時間以及抗壓強度(圖7)。
圖7 不同NG摻量下砂漿凝結時間(a)與抗壓強度(b)
NG的適宜摻量為0.1%~0.2%, 砂漿的凝結時間適中, 能滿足正常的施工作業(yè); 摻入NG會降低漿體的早期強度, 而NG摻量在適宜的范圍內, 會提高漿體的后期強度。
1)抗壓強度分析: 根據(jù)試驗結果得到NG摻量為0、0.1%、0.2%、0.3%時混凝土0.25、0.5、1、3、7、14、28 d的抗壓強度值(圖8)。
圖8 不同NG摻量下混凝土抗壓強度
隨著NG摻量的增加, 其0.25 d(6 h)的抗壓強度下降最為明顯, 當NG摻量為0時, 其0.25 d的抗壓強度為27.82 MPa, 而當NG摻量為0.3%時, 其0.25 d抗壓強度較摻量為0時的試件下降了59.35%, 為11.31 MPa, 其主要原因可能是隨著NG摻量的增加延遲了C3S的誘導期, 延遲了該水泥水化反應的時間, 最終導致混凝土早期抗壓強度降低; 當NG摻量為0時, 其3 d抗壓強度達到35.1 MPa, 隨著NG摻量的增加, 其3 d抗壓強度有所提高; 當NG摻量為0.1%時, 其3 d抗壓強度達到最大值41.24 MPa; 而后期, 隨著NG摻量增加, 其抗壓強度都有不同程度的提高, 其中NG摻量為0.2%時, 其28 d抗壓強度達到53.21 MPa, 可能是由于C3S誘導期結束, C-S-H和CH開始快速生長, 混凝土抗壓強度開始快速增長?;炷? d抗壓強度達到34 MPa以上就能滿足恢復通車的要求。通過分析抗壓強度的試驗數(shù)據(jù)可知, NG的摻量宜在0.1%~0.2%, 同時還能保證結構后期強度。
2)劈裂強度分析: 根據(jù)試驗結果得到NG為0、0.1%、0.2%、0.3%時混凝土0.25、0.5、1、3、7、14、28 d的劈裂抗拉強度值(圖9)。
圖9 不同NG摻量下混凝土劈裂抗拉強度
養(yǎng)護時間不同混凝土劈裂抗拉強度變化比較明顯; 當NG摻量相同時, 混凝土早期劈裂強度增長比較迅速, 造成上述結果的原因大致為早期是該早強水泥水化加速期, C-S-H和CH快速生長, 并在C3S顆粒表面沉積、生長, 使混凝土早期強度增長迅速; 而后期強度增長緩慢, 是因為該水泥水化加速期結束, C-S-H生長緩慢, 從而導致了混凝土后期強度增長緩慢。當NG摻量為0時, 其6 h、12 h、3 d、28 d的劈裂強度分別為1.8、2.02、2.56、3.13 MPa, 其3 d劈裂強度達到28 d強度的81.79%,3 d養(yǎng)護時間即滿足早強要求。當NG摻量為0.1%時, 其6 h、12 h、3 d、28 d的劈裂強度分別為1.65、2.42、2.72、3.29 MPa。當NG摻量為0.2%時, 其6 h、12 h、3 d、28 d的劈裂強度分別為1.39、2.16、2.83、3.61 MPa, 當養(yǎng)護時間為3 d時,NG摻量0.1%、0.2%的混凝土劈裂強度較大(2.72、2.83 MPa), 其劈裂強度分別達到NG摻量為0時28 d強度的86.90%、90.42%。當NG摻量為0.3%時,其0.25 d(6 h)、0.5 d(12 h)的劈裂強度較小,不利于施工作業(yè)。通過分析可知, 在達到3 d開放交通的基礎上, 同時應考慮提高混凝土早期強度, NG摻量宜為0.1%~0.2%。
對劈裂后的C30混凝土界面分別采用高壓水沖洗和對稱刻槽兩種方式進行處理, 然后用C40早強混凝土進行修補, 養(yǎng)護到規(guī)定時間進行劈裂強度試驗, 如圖10所示。
圖10 修補混凝土界面劈裂強度發(fā)展情況
采用高壓水沖洗方式修補的混凝土試塊, 其3 d劈裂強度(1.92 MPa)能達到C30混凝土28 d劈裂強度值(2.94 MPa, 由實測獲得, 下同)的65.31%, 28 d的劈裂強度(2.30 MPa)能達到C30混凝土28 d劈裂強度值的78.23%; 而采用刻槽處理方式修補的C30混凝土試塊, 其3 d劈裂強度能達到C30混凝土28 d劈裂強度值的74.83%, 28 d劈裂強度基本能達到C30混凝土的劈裂強度值,為91.84%。采用刻槽方式處理的修復混凝土試塊, 其后期強度增長比較明顯, 可能是由于刻槽處理后的凹槽使新舊混凝土形成了嵌固效應, 提高了混凝土的強度。
新舊混凝土性能存在差異, 舊混凝土收縮徐變已完成, 新混凝土相對舊混凝土來說, 存在收縮性, 這將影響新舊混凝土之間的結合, 從而影響梁體加固效果。由于隱形蓋梁尺寸受限, 為保證承載力, 設計時內部鋼筋多而密, 這能夠很好地約束新混凝土的收縮。另外, 將舊混凝土表面刻槽, 也能提高界面結合問題。新混凝土收縮主要發(fā)生在施工后的2個月內, 定期做好噴水養(yǎng)生工作, 也能保證新舊混凝土之間的結合問題。如果施工階段做好刻槽和養(yǎng)生工作, 那么新舊混凝土之間的結合問題就不會對加固效果產(chǎn)生不利的影響。
1)開裂荷載對比: 試驗的加荷速率為0.200 kN/s, 在試驗加荷過程中, 試驗梁下側邊緣混凝土首先出現(xiàn)拉應力超過限值情況, 梁底會產(chǎn)生微小裂縫, 由于試驗梁采用雙筋矩形截面設計, 其配置的縱向鋼筋大力限制了裂縫的產(chǎn)生。從試驗上看, L1、L2、L3梁開裂荷載基本相同。
2)第1條斜裂縫對比: 為對比分析試驗梁修補混凝土的斜截面開裂性能, 將各梁第1條斜裂縫情況進行匯總。由表2可以看出: L1、L2、L3梁原混凝土側產(chǎn)生第1條斜裂縫荷載基本相同;L3梁修補側混凝土第1條斜裂縫荷載略低于L1、L2梁, 說明早強混凝土早期的抗拉強度略有不足;L2梁第1條斜裂縫荷載好于L1、L3梁, 說明早強混凝土后期強度較好。
表2 試驗梁出現(xiàn)第1條斜裂縫時的荷載值
3)承載能力對比: ① 工況一: 當結構只承受橋上部結構自重荷載時, 根據(jù)相似比例, 換算出試驗荷載約為F=200 kN。當荷載未達到200 kN時, L1、L2、L3梁均未產(chǎn)生斜裂縫, 說明結構自重作用下, 隱形蓋梁基本處在彈性工作階段。用早強混凝土修復隱形蓋梁, 養(yǎng)護2 d即落梁, 并不影響梁體開裂問題。② 工況二: 當結構正常通車情況時, 根據(jù)相似比例, 換算出試驗荷載最大值約為F=260 kN。在200~260 kN時, L1、L2、L3梁均出現(xiàn)輕微裂縫。其中, L3梁斜向開裂裂縫主要出現(xiàn)在修補側, 裂縫有向梁根部延伸的趨勢, 但數(shù)量比較少。綜合分析, L2梁能滿足橋梁正常通車要求, L3梁3 d可以開放交通, 但應盡量限制重車通行。③工況三: 將荷載加至構件破壞, 對比3根試驗梁的極限承載力, 其裂縫分布情況如圖11、12所示。其中裂縫圖按隱形蓋梁實際情況(墩柱在下)繪制??梢钥闯? 3根試驗梁的破壞處可見到多條平行的斜裂縫和混凝土碎渣特征, 形式均符合剪壓破壞, 這與試件中縱向受力鋼筋和箍筋有效約束斜裂縫發(fā)展有關。在梁的兩端距跨中大約350 mm處中部位置產(chǎn)生多條斜裂縫, 當荷載繼續(xù)增加, 其中一條發(fā)展為臨界斜裂縫。臨界斜裂縫出現(xiàn)后, 荷載繼續(xù)增加, 而斜裂縫延伸至墊板下, 直到斜裂縫頂端混凝土被壓酥而破壞。
圖11 L1、L2、L3梁裂縫開展圖
圖12 L2、L3梁修補側裂縫開展圖
從承載力上看, L1、L2、L3梁的極限承載力分別為450、469、426 kN, 都高于試驗梁按現(xiàn)行規(guī)范JTG 3362—2018[12]公式的雙筋矩形截面抗彎承載力、斜截面抗剪承載力反算出來的豎向加載力。從修復效果上看, L3梁為早強混凝土修補2 d時結構的承載力, 承載力基本符合要求, 隨著時間的增加, 其后期承載力有一定增加, 修復效果能滿足結構承載力要求。隱形蓋梁頂面和兩個側面受外界侵蝕的程度較大, 底面較小; 另外, 隱形蓋梁承受負彎矩, 在頂面置換的混凝土對抗彎承載力幾乎沒有影響, 底面置換的混凝土較薄, 對抗彎承載力影響可以忽略。因此, 隱形蓋梁兩個側面置換區(qū)域對抗彎承載力有很大的影響。結合混凝土梁抗彎承載力公式和本文試驗梁的試驗數(shù)據(jù), 歸納出隱形蓋梁置換區(qū)域與抗彎承載力之間的關系, 以便于加固設計中參考
式中:Md為隱形蓋梁加固后的抗彎承載力;Mdo為隱形蓋梁腐蝕前的抗彎承載力;An為隱形蓋梁截面兩側置換區(qū)域的面積;A為隱形蓋梁截面面積;fc為置換用混凝土抗壓強度設計值;fco為隱形蓋梁舊混凝土抗壓強度設計值。
1)NG摻量在0.1%~0.2%時, 制備出凝結時間適中、3 d抗壓強度達到34 MPa以上、3 d劈裂強度達到2.72 MPa以上的用于修復隱形蓋梁的C40早強混凝土。
2)NG摻量為0.15%時的C40早強混凝土, 采用高壓水洗和刻槽處理兩種方式對C30試件進行修補試驗, 結果表明: 采用刻槽處理的混凝土界面粘結強度相較于采用高壓水洗方式處理的界面, 其粘結強度能提高13.6%左右。
3)在隱形蓋梁置換法的梁體加載試驗中, 得到L2、L3梁出現(xiàn)第1條斜裂縫荷載分別為230、210 kN, 而L1、L2、L3梁原混凝土側出現(xiàn)第1條裂縫荷載基本相同, 從承載力上看L2>L1>L3梁, 快速修復的L3梁能滿足2天落梁、3天恢復交通的要求。