陳鵬

（江西省宜春公路建設(shè)集團(tuán)有限公司，江西宜春 336000）

0 引言

在高速公路改擴(kuò)建工程中，新舊橋梁的高效拼接是改擴(kuò)建工程的難點(diǎn)，而濕接縫的質(zhì)量時(shí)常成為影響整橋質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。而要保證濕接縫的澆筑質(zhì)量，需要提高澆筑濕接縫混凝土的早期強(qiáng)度和耐久性。以廣西柳南高速公路拓寬改擴(kuò)建工程為例，開展橋梁濕接縫早強(qiáng)混凝土配比設(shè)計(jì)與力學(xué)功效分析研究，可為同類濕接縫澆筑工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 濕接縫早強(qiáng)混凝土的配比設(shè)計(jì)

1.1 復(fù)配水泥

水泥是混凝土混合料的主要凝膠材料，混凝土可依據(jù)其不同的用途或性能需求，在混合料中加進(jìn)其他相關(guān)材料進(jìn)行混合。本實(shí)驗(yàn)引入硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥構(gòu)成混合料，因?yàn)閮煞N混合料均具有良好的水化功效，從而利于在短時(shí)間內(nèi)開放交通。本實(shí)驗(yàn)也引入了膨脹劑和硅灰，以利于提高混合料的抗收縮功效。

硅灰是硅鐵合金與硅金屬冶制過程中，附帶生成的二氧化硅晶體。硅灰成核效應(yīng)良好，吸附水分和凝膠材料。在硅酸鹽水泥中，硅灰與C-S-H膠凝反應(yīng)，能夠增強(qiáng)后期混凝土的強(qiáng)度和體系的持久性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，本研究確定硅灰摻量取5%。

1.2 骨料級配

骨料選擇連續(xù)級配的礫碎石，粒度范圍取5～16mm，細(xì)骨料粒度范圍取0.05～2mm。中砂與細(xì)砂按3∶1比例混合，使兩種砂混合后均能符合細(xì)度模數(shù)和級配需求。砂料篩分結(jié)果見表1。

表1 砂料篩分結(jié)果

細(xì)骨料級配確定后，砂率亦是配制混凝土?xí)r應(yīng)考慮的問題。根據(jù)高強(qiáng)度混凝土使用技術(shù)規(guī)范中的建議，砂率應(yīng)在35%～42%。依據(jù)工程應(yīng)用比例和課題組的實(shí)驗(yàn)反饋，將砂率確定為40%。

1.3 金屬纖維

適量加入金屬纖維能夠明顯增強(qiáng)混合料強(qiáng)度、持久性和延展性。通常濕接縫混凝土位于新舊混凝土的過渡界面，對其整體力學(xué)功效影響很大。并且依據(jù)纖維間隔距離理論，適當(dāng)摻入金屬纖維后，混凝土混合料功效顯著提高。本文使用鍍銅超細(xì)金屬纖維（SF）。表2為纖維主要物理參數(shù)。

1.4 膨脹劑

工程混凝土需要膨脹功效，多通過摻加膨脹劑來實(shí)現(xiàn)，膨脹劑對混凝土硬化收縮有補(bǔ)償作用。在濕接縫結(jié)構(gòu)中，收縮裂縫不但會影響混凝土的外觀，還會影響濕接縫結(jié)構(gòu)的整體持久性。本實(shí)驗(yàn)考慮使用氧化鈣膨脹劑，一是可以控制材料本身的早期收縮，二是可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗?jié)B透性，并且增強(qiáng)硬化期混凝土的抗干擾性能。實(shí)驗(yàn)膨脹劑的含量取10%，按限制膨脹率檢測法，測定膨脹劑抗收縮功效。

1.5 外加劑

本實(shí)驗(yàn)研究選用高效早強(qiáng)聚羧酸作為外加減水劑。減水劑的應(yīng)用須通過適配決定，不得隨意引入。本研究選用的減水劑，廠家建議用量是0.5%～2%。其劑量試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 減水劑適配結(jié)果

2 高低幅振動(dòng)對早強(qiáng)混凝土力學(xué)強(qiáng)度的影響

2.1 程控振動(dòng)臺擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)

借助程控振動(dòng)臺，通過振幅和頻率調(diào)節(jié)來模擬擾動(dòng)。振幅決定實(shí)驗(yàn)設(shè)定參數(shù)的準(zhǔn)確性，本研究采用采集儀和移位計(jì)對振動(dòng)臺的振幅給予校準(zhǔn)。振幅校準(zhǔn)后，根據(jù)硫鋁酸鹽水泥（CSA）和金屬纖維（SF）的不同劑量，分為三組：CSA對照組（0%SF，5%CSA），SF對照組（1%SF，0%CSA）和空白組（0%SF，0%CSA）來開展不同振幅不同頻率的振動(dòng)。

2.2 高幅振動(dòng)對早強(qiáng)混凝土力學(xué)強(qiáng)度的影響

如經(jīng)常發(fā)生重型車輛過載，當(dāng)這些車輛通過橋梁時(shí)，其會引發(fā)更大的振幅。為了模擬混凝土受高幅振動(dòng)的影響，采用高振幅（5mm）和不同頻率（2Hz、5Hz、8Hz），向混凝土試樣施加振動(dòng)。

（1）抗壓強(qiáng)度損失率，空白組與SF組

在高振幅（5mm）振動(dòng)下，受擾前后空白組混凝土比較，短期1d抗壓強(qiáng)度損失率在擾動(dòng)前后分別是9.98%、11.58%和11.98%，隨著頻率的增加呈現(xiàn)一定的上升趨勢。伴隨齡期的增加，強(qiáng)度損失率沒發(fā)生降低，28d達(dá)16.52%。

與SF組相比，當(dāng)混凝土以不同頻率振動(dòng)時(shí)，1d抗壓強(qiáng)度損失率為3.33%、4.66%和4.99%，28d抗壓強(qiáng)度損失率為10.12%，比空白組低。摻入金屬纖維使混凝土有良好的抗干擾能力，類似于空白組。頻率的增加會擴(kuò)大混凝土的內(nèi)部傷損，但是金屬纖維提升了基材之間分離需要的振動(dòng)能量。外部振動(dòng)所施加的能量，保持混凝土內(nèi)部相對穩(wěn)定，內(nèi)部擴(kuò)展裂縫較少，因此表現(xiàn)出比空白組更優(yōu)的抗擾動(dòng)性能。

與CSA組相比，因?yàn)镃SA的摻進(jìn)，縮短了混凝土的凝結(jié)時(shí)間，經(jīng)過擾動(dòng)后，CSA組混凝土進(jìn)一步縮短凝結(jié)時(shí)間，大幅縮短了CSA組混凝土的擾動(dòng)期，進(jìn)而降低了擾動(dòng)效應(yīng)，表明抗壓強(qiáng)度1d損失率在4.67%、6.73%和7.10%，抗壓強(qiáng)度3d損失率在7.45%、8.8%和10.34%，長時(shí)期損失率沒有顯著增長。

兩個(gè)對照組的抗壓強(qiáng)度損失率都比空白組低，表明CSA和金屬纖維的引入有利于混凝土的抗擾功效。

（2）抗折強(qiáng)度損失率，空白組和SF對照組

5mm高幅振動(dòng)，不同程度地降低了空白組混凝土的強(qiáng)度，并且伴隨頻率的提升，其降低的程度更大。也就是說，高幅振動(dòng)對混凝土造成了一定的內(nèi)部破壞，早期強(qiáng)度受到擾動(dòng)后強(qiáng)度大幅降低，但后期的水化反應(yīng)會對內(nèi)部間隙有一定地修復(fù)作用，進(jìn)而減少強(qiáng)度損失率。金屬纖維的摻入，形成橋架作用和分散振動(dòng)能量的作用，混凝土的抗擾性能在一定程度上得到提高。

2.3 低幅振動(dòng)對早強(qiáng)混凝土力學(xué)強(qiáng)度的影響

實(shí)驗(yàn)利用振動(dòng)臺模擬了不同交通條件下混凝土抗壓強(qiáng)度試樣受車輛振動(dòng)的情況，并通過強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)研究了混凝土的擾動(dòng)狀態(tài)。

（1）抗壓強(qiáng)度損失率，空白組與SF組

空白組（0%SF，0%CSA）試樣比較無擾動(dòng)時(shí)，低振幅（3mm）和低頻（2Hz）振動(dòng)引發(fā)部分混凝土抗壓強(qiáng)度降低。與沒有擾動(dòng)的SF對照組相比，在低頻（2Hz）和低振幅（3mm）振動(dòng)下混凝土抗壓強(qiáng)度損失率無顯著變化。伴隨頻率的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率并不隨之增加，但在抗壓強(qiáng)度上卻有所加強(qiáng)，不過其中的28d強(qiáng)度變化不大。

空白組的短期抗壓強(qiáng)度隨著低幅振動(dòng)出現(xiàn)降低，而纖維組的抗壓強(qiáng)度隨著頻率的增加出現(xiàn)一定提升，纖維有利于混凝土的抗干擾性能。但在低頻率振動(dòng)下，CSA對照組混凝土的抗壓強(qiáng)度并沒有顯著降低趨勢。這由于CSA的引入縮短了擾動(dòng)期，使混凝土很快進(jìn)入終凝狀況。當(dāng)混凝土最終凝固時(shí)，內(nèi)部已經(jīng)構(gòu)成一定的強(qiáng)度，輸入的能量不能破壞材料的黏結(jié)能力，因此終凝后混凝土的擾動(dòng)必須考慮。

低振幅振動(dòng)對于抗壓強(qiáng)度的影響較小，但它可以增強(qiáng)混凝土的密實(shí)度。當(dāng)混凝土澆筑成型后，因?yàn)榇止橇系某两担ǔ霈F(xiàn)不同程度的分層狀況。分層導(dǎo)致粗集料下部的水分聚集。伴隨時(shí)間的推移，水分蒸發(fā)構(gòu)成孔隙，從而導(dǎo)致混凝土密實(shí)度降低。在凝結(jié)反應(yīng)的過程中，小幅振動(dòng)作用會擠出混凝土粗集料中所含水分，減少混凝土料分層，增強(qiáng)其密實(shí)度。另一方面，水泥顆粒表面半滲透膜會因水化中的振動(dòng)而遭受破壞，使水化得以充分開展。膜的破裂和伸展使凝膠包裹的水泥顆粒逐步靠近，并建立更多的接觸點(diǎn)，顆粒間的孔隙逐步減少為毛細(xì)孔，然后被凝膠填充，使水泥漿盡快硬化，表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度。

摻入金屬纖維可明顯提高混凝土的抗折強(qiáng)度，但是混凝土受擾后纖維是否會因振動(dòng)產(chǎn)生沉底或分布不均而減弱金屬纖維的加固作用，目前尚不清楚。因此，在實(shí)驗(yàn)中擬制備一個(gè)10cm×10cm×40cm的抗折試樣，將此情況通過模擬擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)開展探索。

（2）抗折強(qiáng)度損失率，空白組和SF對照組

低幅（3mm）振動(dòng)，空白組1d混凝土抗折強(qiáng)度其損失率最高，1d最高損失率大于18%，3d最高損失率則在8%左右。

添加金屬纖維后，SF混凝土的內(nèi)部更致密，有害間隙更少。當(dāng)金屬纖維混凝土受到擾動(dòng)時(shí)，應(yīng)力傳播路徑是自水泥基體至纖維水泥基體界面，再到高彈塑模量的纖維，這意味著振動(dòng)能量由纖維和水泥基體共享，進(jìn)而分散了振動(dòng)對混凝土的影響。因此，低振幅振動(dòng)對SF組強(qiáng)度沒有明顯影響。但CSA組的凝結(jié)時(shí)間縮短較快，擾動(dòng)期變短，影響不大。這表明，在早期振動(dòng)過程中，因?yàn)榭瞻捉M混凝土中缺乏金屬纖維橋接作用，集料受振后會有一定程度的下沉，砂漿會在集料間流出，使混凝土表面出現(xiàn)大量浮漿，而試樣下部的集料會堆積，不夠致密，強(qiáng)度會降低。CSA組和摻纖組的抗彎折強(qiáng)度損失率為負(fù)，表明抗彎強(qiáng)度有所提高。

3 結(jié)語

本研究對濕接縫早強(qiáng)混凝土的配比設(shè)計(jì)及力學(xué)功效進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，擾動(dòng)可以降低混凝土的凝結(jié)和硬化時(shí)間。低振幅振動(dòng)對混凝土的機(jī)械強(qiáng)度影響不大，而頻率不同的振動(dòng)則無顯著影響。在高振幅振動(dòng)下，普通混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度損失率增加，長時(shí)期強(qiáng)度損失率繼續(xù)提升。添加少量（5%）硫鋁酸鹽水泥或1%的金屬纖維可提高混凝土的抗干擾性能。