丁楚志, 高小華, 李綱, 池鵬

(1.西安公路研究院有限公司， 陜西 西安 710065； 2.山東大學(xué)， 山東 濟(jì)南 250002； 3.陜西交通控股集團(tuán)有限公司， 陜西 西安 710061)

伸縮縫作為橋梁結(jié)構(gòu)的重要部分，直接關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全和行車舒適性。在公路建設(shè)養(yǎng)護(hù)中，因種種原因?qū)е聵蛄荷炜s縫出現(xiàn)各種早期損壞已屢見不鮮。長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和使用結(jié)果表明，混凝土的損壞(圖1)基本成為伸縮縫損壞的常態(tài)，而且往往是由于受沖擊時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中造成的。因此，提高伸縮縫混凝土的抗沖擊性，對(duì)于克服伸縮縫混凝土的早期損壞、延長(zhǎng)伸縮縫混凝土的使用壽命、保證橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全、提高行車舒適性、降低養(yǎng)護(hù)成本具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 橋梁伸縮縫混凝土的損壞

橋梁伸縮縫常用的混凝土包括普通混凝土、鋼纖維混凝土及聚丙烯纖維混凝土，伸縮縫混凝土強(qiáng)度等級(jí)通常要求較高。普通混凝土應(yīng)用廣泛、取材方便、工藝簡(jiǎn)單、抗壓性能好，但存在抗彎拉強(qiáng)度低、抗沖擊韌性差、脆性大、易開裂等缺點(diǎn)，并且往往是強(qiáng)度越高、韌性越差、脆性越大、抗裂性能越差，用于橋梁伸縮縫時(shí)存在明顯不足；纖維材料的加入，將抑制混凝土早期塑性裂縫的產(chǎn)生，并限制外力作用下水泥基材料中裂縫的擴(kuò)展，減少干縮，但鋼纖維混凝土存在抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B耐磨等方面不確定性的問題，聚丙烯纖維混凝土存在提高抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度等方面不明顯的問題，單一纖維混凝土用于橋梁伸縮縫時(shí)存在不足。通過將多種纖維和聚合物進(jìn)行復(fù)合疊加，研發(fā)用于橋梁伸縮縫的高性能混凝土，既發(fā)揮單一纖維的作用，又充分發(fā)揮混合纖維的優(yōu)勢(shì)和疊加效應(yīng)，顯著提高伸縮縫混凝土的韌性和抗沖擊性能，從而提升伸縮縫混凝土的使用品質(zhì)，解決或延緩伸縮縫混凝土的早期損壞。

1 橋梁伸縮縫混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

水泥：采用42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥，其性能符合規(guī)范要求。

細(xì)集料：采用中砂，含泥量為2.4%，細(xì)度模數(shù)為2.68。

粗集料：粒徑5～10 mm碎石占 30%，粒徑10～20 mm碎石占70%，級(jí)配良好。

減水劑：HT-HPC聚羧酸高性能減水劑。

外摻聚合物：聚丙烯酰胺，為白色粉末狀干粉。

纖維：KWS05-600銑削型鋼纖維(圖2)及聚丙烯網(wǎng)狀纖維(圖3)。

圖2 銑削型鋼纖維

圖3 聚丙烯纖維

1.2 配合比設(shè)計(jì)

按強(qiáng)度等級(jí)C50、設(shè)計(jì)坍落度20～40 mm和砂率36%設(shè)計(jì)橋梁伸縮縫普通混凝土作為基準(zhǔn)配合比，然后按外摻法分別單獨(dú)摻入鋼纖維(鋼纖維摻量為50 kg/m3)、單獨(dú)摻入聚丙烯纖維(聚丙烯纖維摻量為0.9 kg/m3)、摻加鋼纖維聚丙烯纖維和聚合物(鋼纖維摻量為50 kg/m3、聚丙烯纖維摻量為0.9 kg/m3、丙烯酰胺摻量為水泥用量的3%)進(jìn)行伸縮縫鋼纖維混凝土、伸縮縫聚丙烯纖維混凝土及伸縮縫高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)，高性能減水劑摻量為水泥用量的1%，具體配合比方案見表1，配合比設(shè)計(jì)同時(shí)滿足抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度兩項(xiàng)力學(xué)性能要求。

表1 伸縮縫混凝土配合比設(shè)計(jì)

2 橋梁伸縮縫混凝土基本性能試驗(yàn)

對(duì)不同類型的橋梁伸縮縫混凝土分別進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)，按JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的方法測(cè)定。取同齡試件為一組，保證每組有3個(gè)同時(shí)制作并養(yǎng)生的有效試件用于測(cè)試。

2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)采用150 mm×150 mm×150 mm立方體標(biāo)準(zhǔn)試件，按標(biāo)準(zhǔn)方法成型和養(yǎng)生，每種類型伸縮縫混凝土分別進(jìn)行了7 d、28 d、56 d、90 d共4個(gè)齡期下的抗壓強(qiáng)度測(cè)試。以每組3個(gè)試件測(cè)試值的算術(shù)平均值為測(cè)定值，計(jì)算精確至0.1 MPa。3個(gè)測(cè)試值中的最大值或最小值中如有一個(gè)與中間值之差超過中間值的15%，則取中間值為測(cè)定值；如最大值和最小值與中間值之差均超過中間值的15%，則該組試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效。得到橋梁伸縮縫不同類型不同齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)比曲線如圖4所示。

由圖4可以看出：

圖4 橋梁伸縮縫不同類型混凝土不同齡期抗壓強(qiáng)度對(duì)比

(1) 橋梁伸縮縫普通混凝土、鋼纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土、高性能混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度基本相當(dāng)。7 d后抗壓強(qiáng)度變化較大，普通混凝土28 d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)超過10%，鋼纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土、高性能混凝土28 d抗壓強(qiáng)度則增長(zhǎng)了20%以上。28 d后抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)放緩，與前一齡期值相比，56 d和90 d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)分別不超過10%。與普通混凝土相比，鋼纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土、高性能混凝土28 d、56 d和90 d抗壓強(qiáng)度有所提高，雖幅度不是很大，但增大了混凝土壓縮破壞時(shí)的延性。

(2) 高性能混凝土與鋼纖維混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度接近，略高于聚丙烯纖維混凝土對(duì)應(yīng)齡期的抗壓強(qiáng)度，但三者總體在同一水平。

(3) 橋梁伸縮縫不同類型混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期增加而增長(zhǎng)，且前期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率大于后期。鋼纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土、高性能混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期變化的規(guī)律與普通混凝土一致。

2.2 抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)采用150 mm×150 mm×550 mm棱柱體標(biāo)準(zhǔn)試件，按標(biāo)準(zhǔn)方法成型和養(yǎng)生，橋梁伸縮縫每種類型混凝土分別進(jìn)行了28 d抗彎拉強(qiáng)度測(cè)試。測(cè)值平均值算法同抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法。3個(gè)試件中如有一個(gè)斷裂面位于加荷點(diǎn)外側(cè)，則混凝土抗彎拉強(qiáng)度按另外兩個(gè)試件的試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算。如果這兩個(gè)測(cè)值的差值不大于這兩個(gè)測(cè)值中較小值的15%，則以兩個(gè)測(cè)值的平均值為測(cè)試結(jié)果，否則結(jié)果無(wú)效。如果有兩根試件均出現(xiàn)斷裂面位于加荷點(diǎn)外側(cè)，則該組結(jié)果無(wú)效。得到橋梁伸縮縫不同類型混凝土抗彎拉強(qiáng)度如表2所示。

表2 橋梁伸縮縫不同類型混凝土抗彎拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

由表2可以看出：

(1) 與普通混凝土相比，鋼纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土、高性能混凝土對(duì)抗彎拉強(qiáng)度有所提高，但幅度不同，鋼纖維混凝土、高性能混凝土的提高幅度明顯大于聚丙烯纖維混凝土。

(2) 橋梁伸縮縫高性能混凝土的抗彎拉強(qiáng)度與鋼纖維混凝土接近，但與普通混凝土的抗彎拉強(qiáng)度相比，增長(zhǎng)20%以上，對(duì)抗彎拉強(qiáng)度的提高作用明顯，有利于降低伸縮縫混凝土的受彎拉破壞風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)伸縮縫混凝土的耐久性。

3 橋梁伸縮縫混凝土抗沖擊性能研究

3.1 落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)

參考美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)ACI 544推薦的測(cè)試方法，并結(jié)合中國(guó)工程建設(shè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)CECS 13:2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》抗沖擊性能試驗(yàn)設(shè)備要求，自主設(shè)計(jì)定制了一種用于測(cè)試橋梁伸縮縫混凝土抗沖擊性能的試驗(yàn)機(jī)(見圖5)，橋梁伸縮縫混凝土抗沖擊試驗(yàn)示意圖見圖6。

圖5 自制沖擊試驗(yàn)機(jī)

3.2 橋梁伸縮縫混凝土落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)結(jié)果

落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)試件采用直徑為150 mm、厚度(63±3) mm的圓餅試件，對(duì)橋梁伸縮縫普通混凝土、鋼纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土、高性能混凝土分別進(jìn)行試件成型和養(yǎng)生，然后分別進(jìn)行28 d齡期的沖擊試驗(yàn)，每種類型橋梁伸縮縫混凝土每組有效試件不少于3個(gè)。以3個(gè)試件沖擊次數(shù)的平均值作為測(cè)定值，并據(jù)此計(jì)算沖擊耗能。

測(cè)試開始前，調(diào)節(jié)卡扣高度至500 mm，并將沖擊

圖6 橋梁伸縮縫混凝土抗沖擊試驗(yàn)示意圖(單位：mm)

錘固定到卡扣上。試驗(yàn)開始后，解除沖擊錘的固定并讓其自由下落，沖擊放置在混凝土頂面的傳力鋼球，每完成一次沖擊即被記錄為一次沖擊循環(huán)。每次沖擊循環(huán)結(jié)束后需仔細(xì)檢查試件，當(dāng)發(fā)現(xiàn)試件出現(xiàn)第一條明顯裂縫后，將該沖擊次數(shù)記錄為初裂沖擊次數(shù)N1。然后移除試件與基板之間的泡沫，繼續(xù)進(jìn)行下一次沖擊循環(huán)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)試件與4個(gè)基板固定支架中任意3個(gè)相接觸時(shí)，將該沖擊次數(shù)記錄為終裂沖擊次數(shù)N2。

根據(jù)測(cè)得的初裂沖擊次數(shù)N1與終裂沖擊次數(shù)N2計(jì)算初裂沖擊耗能W1與終裂沖擊耗能W2。W1=N1mgh，W2=N2mgh,其中m為沖擊錘的質(zhì)量(取m=4.5 kg)；g為重力加速度(取g=9.81 m/s2)；沖擊錘下落高度取h=0.5 m)。

測(cè)試得到不同類型沖擊次數(shù)及沖擊耗能對(duì)比如圖7、8所示。

圖7 橋梁伸縮縫不同類型混凝土的沖擊次數(shù)對(duì)比

圖8 橋梁伸縮縫不同類型混凝土的沖擊耗能對(duì)比

從圖7、8可以看出：

(1) 與橋梁伸縮縫普通混凝土相比，鋼纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土、高性能混凝土的終裂沖擊次數(shù)和終裂沖擊耗能大大提高。其中鋼纖維混凝土終裂沖擊次數(shù)為普通混凝土的3.78倍，聚丙烯纖維混凝土終裂沖擊次數(shù)為普通混凝土的3.29倍，高性能混凝土終裂沖擊次數(shù)為普通混凝土的6.78倍。

(2) 橋梁伸縮縫高性能混凝土明顯表現(xiàn)出復(fù)合疊加優(yōu)勢(shì)，具有極好的抗沖擊性，終裂沖擊次數(shù)為鋼纖維混凝土的1.79倍，為聚丙烯纖維混凝土的2.06倍。橋梁伸縮縫鋼纖維混凝土的終裂沖擊次數(shù)高于聚丙烯纖維混凝土，但總體提高效率相當(dāng)。

(3) 從橋梁伸縮縫混凝土初次開裂到終裂發(fā)展過程來(lái)看，普通混凝土脆性強(qiáng)，在初裂前基本沒有預(yù)兆，裂縫一經(jīng)出現(xiàn)便迅速產(chǎn)生破壞斷裂；鋼纖維混凝土和聚丙烯纖維混凝土則表現(xiàn)出一定的抗沖擊韌性，但鋼纖維混凝土在初裂后的沖擊韌性比聚丙烯纖維混凝土更有效；高性能混凝土則表現(xiàn)出更好的抗沖擊韌性，吸收沖擊能量作用相當(dāng)明顯。

分析橋梁伸縮縫高性能混凝土極好的抗沖擊韌性原因主要有以下幾個(gè)方面：① 纖維材料能夠有效抑制混凝土內(nèi)部縫隙的產(chǎn)生。沖擊錘掉落到傳力球作用到混凝土表面，會(huì)產(chǎn)生巨大的瞬時(shí)荷載作用。而設(shè)置在混凝土表面的傳力球?qū)⑦@種作用力聚集到了中心點(diǎn)較小范圍內(nèi)，會(huì)在該范圍內(nèi)產(chǎn)生大的沖擊力作用。在這種反復(fù)的沖擊作用下，混凝土逐漸產(chǎn)生脆性破壞而導(dǎo)致開裂。纖維材料可以很好地抑制這種開裂，減小沖擊波被阻斷引起的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而提升了伸縮縫混凝土的抗沖擊能力；② 纖維材料和聚合物可以提升混凝土的延性、有效吸收沖擊能量，降低沖擊作用。由于混凝土本身變形能力較小，沖擊荷載作用到其表面的時(shí)間短，沖擊作用力被放大。而纖維材料及聚合物的加入，可以提升混凝土在沖擊荷載作用下的變形性能，從而提高抗沖擊韌性；③ 橋梁伸縮縫高性能混凝土利用了鋼纖維、聚丙烯纖維和聚合物的混雜正效應(yīng)和復(fù)合疊加效應(yīng)，顯著提高了伸縮縫混凝土的韌性和抗沖擊性能。

4 依托工程概況及應(yīng)用

橋梁伸縮縫高性能混凝土先后在銅旬高速公路孫家山3號(hào)大橋左線伸縮縫工程(圖9)及渭玉高速公路關(guān)中環(huán)線分離式立交伸縮縫工程(圖10)分別進(jìn)行了兩道伸縮縫的工程應(yīng)用。

圖9 孫家山3號(hào)大橋左線伸縮縫

圖10 渭玉高速公路關(guān)中環(huán)線分離式立交伸縮縫

橋梁伸縮縫高性能混凝土施工時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)伸縮縫混凝土與梁板混凝土的界面處理，以提升二者結(jié)合的可靠性和耐久性；同時(shí)在拌和工藝、拌和時(shí)間、澆筑、振搗密實(shí)成型及養(yǎng)生等施工環(huán)節(jié)嚴(yán)格進(jìn)行質(zhì)量控制和精細(xì)化管理。

5 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)研究及工程實(shí)踐表明，以鋼、聚丙烯混合纖維和聚合物為關(guān)鍵組分的橋梁伸縮縫高性能混凝土具有優(yōu)良的抗壓、抗彎拉和抗沖擊性能，與橋梁伸縮縫常用的普通混凝土、鋼纖維混凝土和聚丙烯纖維混凝土相比，韌性和抗沖擊性能得到顯著提高，具有多種纖維和聚合物復(fù)合疊加、協(xié)同增強(qiáng)增韌效應(yīng)，有利于延緩橋梁伸縮縫混凝土的早期損壞、降低維護(hù)成本，具有良好的工程應(yīng)用前景。