陳 峰,楊雨厚

(1.桂林公路發(fā)展中心,廣西 桂林 541002;2.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

我國的基礎設施建設在國民經(jīng)濟迅猛發(fā)展的大背景下正處于發(fā)展的快車道中,隨著西部大開發(fā)和西南陸海新通道建設的不斷推進,桂林作為途經(jīng)的重要區(qū)域之一,交通行業(yè)技術水平快速發(fā)展,橋梁工程數(shù)量迅猛增長。然而,由于建造年代久遠、日常處于超負荷服役狀態(tài)及缺乏科學合理的維修養(yǎng)護,部分橋梁出現(xiàn)自身結構損壞,承載能力日漸降低,安全性和耐久性差等問題。在橋梁眾多病害中,伸縮縫的破損問題尤為突出。據(jù)統(tǒng)計,桂林地區(qū)在214座采用異型鋼單縫式伸縮縫的橋梁中,出現(xiàn)錨固區(qū)混凝土碎裂病害的占比高達51.4%[1]。這主要是由于在負載過高、雨水沖刷侵蝕及嚴寒酷暑等服役條件下,橋梁伸縮縫出現(xiàn)混凝土表面脫離、蜂窩麻面、結構變形、鋼筋暴露等耐久性問題,嚴重威脅橋梁服役的安全性和行車舒適性[2-3]。在傳統(tǒng)修復方式中,通常采用的修復材料是普通C50混凝土,這需要長時間的養(yǎng)護和反復的施工維修,不僅需要長時間的交通管制,影響正常交通秩序,而且維護修復成本持續(xù)增大。因此,在橋梁伸縮縫的修復中,需要對修復材料的力學性能和耐久性提出更高的要求[4-5]。

近年來,超高性能混凝土作為橋梁伸縮縫修復材料應用于病害處治成為學者們的研究熱點。賈小龍等[6]開展了不同水膠比超高性能混凝土力學性能及工作性能的試驗研究,并將研究成果應用于寧夏地區(qū)橋梁伸縮縫修復中,探索超高性能混凝土作為修復材料的可行性,研究表明當混凝土的水膠比不斷增大,抗壓強度呈現(xiàn)逐漸提升的變化規(guī)律,0.16水膠比混凝土工作性能最優(yōu),且強度達到了138 MPa以上,為實際工程提出了最佳的施工工藝。黃政宇等[7]開展了混凝土的和易性和強度試驗研究,分析提出超高性能混凝土的最佳水膠比為0.18,在此水膠比下,混凝土有著最佳的和易性和最優(yōu)的強度。李傳習等[8]通過開展混凝土擴展度、抗壓抗折強度等相關試驗,分析了不同水膠比超高性能混凝土的施工與力學性能的影響規(guī)律,結果表明當濕拌時間為6 min時,混凝土能達到最佳擴展度;隨著水膠比從0.16增大至0.19,擴展度呈現(xiàn)線性增長,抗壓、抗折強度則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,為此提出水膠比為0.16和0.18為最優(yōu)。然而,針對不同水膠比對超高性能混凝土性能的影響,學者之間存在不同的研究結論,因此明晰水膠比對其工作性能及力學性能的影響規(guī)律是超高性能混凝土能否在伸縮縫修復材料領域廣泛應用的關鍵。

本研究制備了4種不同水膠比(0.14、0.16、0.18和0.20)的超高性能混凝土,通過開展混凝土擴展度測試以及3 d、7 d、28 d抗壓抗折強度測試,研究不同水膠比對超高性能混凝土工作性能及力學性能的影響規(guī)律,并將研究結果應用于實際病害工程中,為超高性能混凝土作為修復材料在橋梁養(yǎng)護領域的合理應用提供理論依據(jù)和實踐指導。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料及配合比設計

1.1.1 原材料特性

水泥:魚峰P.O 52.5級水泥,主要測試指標見表1。

表1 水泥性能指標表

硅灰:來自于西安霖源微硅粉有限公司,其平均粒徑為6.7μm,二氧化硅含量≥95%,燒失量為1.1%。

?；郀t礦渣粉(S95):來自于陸川縣貴豐建材有限公司,其平均粒徑為13.5μm,比表面積≥400 m2/kg,燒失量為0.42%,28 d的活性指數(shù)為98%。

細骨料:潔凈的0.16～1.25 mm連續(xù)級配的石英砂(石灰?guī)r),其性能指標檢測按照《建設用砂》(GB/T 14684-2011)進行,見表2。

表2 砂的技術指標表

外加劑:蘇博特降粘聚羧酸高性能減水劑,含固量為19%,減水率為27%,擴展度為27 mm,均合格。

1.1.2 配合比設計

為開展不同水膠比對超高性能混凝土工作性能和力學性能的相關試驗研究,本研究采用4種不同的水膠比,分別為0.14、0.16、0.18和0.2,設計了4組不同水膠比混凝土。各不同水膠比混凝土配合比設計見表3。水泥:硅灰:礦渣的質(zhì)量比為1∶0.25∶0.1,砂膠比為1.1,減水劑摻量為2%,鋼纖維摻量(體積摻量)為2%。參照《普通混凝土拌和物性能試驗方法標準》(GB/T 50080-2016)制備混凝土試件。

表3 超高性能混凝土配合比設計表

1.2 試驗方法

為分析不同水膠比對混凝土工作性能和力學性能的影響規(guī)律,按照《普通混凝土拌和物性能試驗方法標準》(GB/T 50080-2016)開展混凝土坍落擴展度試驗;按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2002)開展混凝土3 d、7 d和28 d抗壓強度、抗折強度試驗;到達養(yǎng)護齡期后,采用液壓式混凝土壓力試驗機和WE-600B型數(shù)顯萬能試驗機進行混凝土抗壓強度和抗折強度試驗。

2 結果與分析

2.1 超高性能混凝土工作性能

圖1為不同水膠比對混凝土擴展度的影響曲線。從圖1可以看出,隨著水膠比不斷提高,混凝土的流動擴展度呈現(xiàn)不斷提高的趨勢。當水膠比為0.14時,混凝土的擴展度為510 mm,新拌混凝土的拌和物相對比較粘稠,需要延長振動的時間才能密實成型;當水膠比為0.16時,新拌混凝土拌和物的流動擴展度達到550 mm;當水膠比增大至0.18時,流動擴展度達到670 mm;當水膠比為0.20時,坍落擴展度達到710 mm,流動性極佳,但其粘聚性和保水性比較差。

圖1 不同水膠比對混凝土擴展度的影響曲線圖

混凝土的水膠比是影響其工作性、粘聚性的一個重要因素,水膠比大小對混凝土的強度和流動性均有直接的影響。當混凝土的水膠比過高,水泥漿體之間水分過多,降低了漿體的稠度,會導致粘聚性較差,發(fā)生泌水離析等問題。然而當水膠比過低時,漿體的濃度較大,雖然其保水性和粘聚性較好,但漿體之間的黏度大,不易流動,因此工作性能差。而當水膠比為0.16～0.18時,混凝土拌和物的水泥漿體保水性和粘聚性極優(yōu),能有效包裹住砂石骨料,從而擁有著較好的流動性。在混凝土澆筑振搗過程中,存在于漿體與骨料之間的氣泡容易從四周溢出,提升了混凝土的密實度。為了有效控制混凝土現(xiàn)場施工的流動性、粘聚性和保水性,水膠比宜控制在0.16～0.18。

2.2 超高性能混凝土力學性能

下頁圖2和圖3是不同水膠比對混凝土不同齡期的抗壓及抗折強度的影響規(guī)律柱狀圖。由圖2可以看出,抗壓強度隨著水膠比的增大呈現(xiàn)先提升后降低的趨勢。當水膠比為0.18時,混凝土的3 d、7 d和28 d的抗壓強度為最優(yōu),分別為122 MPa、140 MPa和144 MPa。隨著水膠比增大至0.20,混凝土抗壓強度呈現(xiàn)降低的變化規(guī)律,相比于0.18水膠比,其3 d、7 d和28 d抗壓強度分別降低了29.5%、35.7%和33.3%。由于超高性能混凝土水膠比較低(0.14),水泥漿體之間水分較少,漿體與骨料之間較為干稠,流動性較差,需要增加成型振搗的時間才能實現(xiàn)漿體密實,當水膠比為0.18,混凝土拌和物流動性、保水性、和易性均達到極佳,能有效清除存在于漿體骨料之間的氣泡,使超高性能混凝土含氣量下降,結構更密實,抗壓強度得到提升。

圖2 水膠比對混凝土抗壓強度影響柱狀圖

圖3 水膠比對混凝土抗折強度影響柱狀圖

由圖3可以看出,當超高性能混凝土養(yǎng)護齡期為3 d時,隨著水膠比的增大,超高性能混凝土的抗折強度不斷降低。當水膠比為0.14時,混凝土的3 d抗折強度最高,為17 MPa。隨著養(yǎng)護齡期增大至7 d和28 d,混凝土抗折強度隨著水膠比的增大呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢,當水膠比為0.16時,超高性能混凝土的7 d和28 d抗折強度最高,分別為21.3 MPa和23.2 MPa。隨著水膠比不斷增大,7 d和28 d抗折強度則呈現(xiàn)降低的趨勢。水膠比為0.20時的超高性能混凝土7 d和28 d抗折強度分別為15.2 MPa和16 MPa,相比于0.16水膠比時分別降低了40.13%和31.03%。這說明提高水膠比在改善超高性能混凝土拌和物流動性的同時,也降低了超高性能混凝土的抗折強度。

2.3 修復材料實際工程應用

荔江中橋、金雷小橋位于廣西桂林荔浦市境內(nèi),屬于G323國道瑞清線的一部分,起點為江西瑞金,終點為云南臨滄清水河口岸,經(jīng)過江西、廣東、廣西和云南4個省(區(qū))。荔江橋中心樁號為K854+169,全長66.94 m;金雷橋中心樁號為K846+118,全長12.7 m,均屬于梁式橋結構。由于兩座橋梁均因其橋梁伸縮縫止水帶被汽車反復碾壓導致破損、泥土進入導致堵塞問題嚴重,已不能滿足使用的需求,嚴重影響交通安全,現(xiàn)進行伸縮縫病害處治工作。

將本研究成果作為橋梁伸縮縫錨固區(qū)加固材料應用于該處治工程,采用室內(nèi)機器將其按照S3組別的配合比設計成預混干粉,配合比設計見表4。運至施工現(xiàn)場按照水膠比為0.18加水攪拌使用即可。

表4 橋梁伸縮縫錨固區(qū)修復材料預制配合比設計表

通過項目組研發(fā)的超高性能混凝土材料進行現(xiàn)場工程應用,對修復材料性能進行現(xiàn)場測試(見表5),其擴展度達到650 mm,澆筑施工前自流動狀態(tài)良好,在施工過程中達到自流動自密實的效果,28 d抗壓強度達到127 MPa,滿足設計要求。由此得到以下結論:(1)超高性能混凝土材料攪拌無須增加新設備,相較于C50混凝土,易攪拌且現(xiàn)場施工效率高;(2)新拌超高性能混凝土漿體工作性良好,能達到自密實混凝土效果;(3)養(yǎng)護24 h即達到設計可開放交通強度等級,相較于C50商品混凝土需3 d才能開放交通,大大縮短了道路養(yǎng)護施工開放交通的時間,提高了養(yǎng)護工程的質(zhì)量。

表5 現(xiàn)場性能測試結果表

3 結語

本文通過開展不同水膠比超高性能混凝土坍落度測試和抗壓抗折測試,評價水膠比對超高性能混凝土的工作性能和力學性能的影響規(guī)律,并將研發(fā)的超高性能混凝土作為修復材料用于橋梁伸縮縫病害處治中,得到以下結論:

(1)隨著水膠比的增大,超高性能混凝土的流動擴展度呈現(xiàn)不斷提高的趨勢。當水膠比為0.18時,流動擴展度達到670 mm;當水膠比為0.20時,流動擴展度達到710 mm,流動性極佳,但其粘聚性和保水性比較差。因此,超高性能混凝土的水膠比應控制在0.16～0.18。

(2)超高性能混凝土的抗壓強度隨著水膠比的增大呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢。當水膠比為0.18時,3 d、7 d和28 d的抗壓強度為最大,分別為122 MPa、140 MPa和144 MPa。當養(yǎng)護齡期為3 d時,隨著水膠比的增大,超高性能混凝土的抗折強度不斷降低。養(yǎng)護齡期增大至7 d和28 d時,抗折強度隨著水膠比的增大呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢,當水膠比為0.16時,7 d和28 d抗折強度最高,分別為21.3 MPa和23.2 MPa。綜合流動性及強度考慮,超高性能混凝土水膠比宜取0.18。

(3)將S3組的超高性能混凝土(水膠比為0.18,膠砂比為1.1,水泥∶硅灰∶礦渣為1∶0.25∶0.1,減水劑摻量為2%,鋼纖維體積摻量為2%)作為橋梁伸縮縫修復材料應用于荔江中橋和金雷小橋的病害處治中,應用效果良好,有利于縮短道路養(yǎng)護施工開放交通的時間,提高了養(yǎng)護工程的質(zhì)量。