程升陽 張立昌 呂 濤 梁高杰
(河南省公路工程局集團(tuán)有限公司,河南 鄭州 450052)
我國公路橋梁總數(shù)接近80 萬座,其中大橋、特大橋接近9 萬座,數(shù)量及規(guī)模位居世界之首[1]。由于惡劣的工作環(huán)境及不斷增加的交通量,大部分橋梁在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)就出現(xiàn)各種病害。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國需要維修的橋梁日漸增多,危橋的數(shù)量超過10萬座[2]。目前,傳統(tǒng)橋梁橫隔板、濕接縫采用普通防水混凝土澆筑的方式較為常見,然而此種工藝施工須封閉交通,且澆筑后養(yǎng)護(hù)難度大,養(yǎng)護(hù)成本高,存在施工工期長、效率低等缺點(diǎn)[3-4]。此外,在現(xiàn)場(chǎng)橋梁加固養(yǎng)護(hù)的同時(shí),由于車輛行駛會(huì)導(dǎo)致橋梁發(fā)生受迫振動(dòng),導(dǎo)致現(xiàn)澆混凝土的后期力學(xué)性能、黏結(jié)成型等都很難保證[5],新老混凝土接合面位置的黏結(jié)質(zhì)量也難以保證。
目前,國內(nèi)外學(xué)者通過模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的方式研究了不同振動(dòng)作用對(duì)混凝土的力學(xué)性能的影響。潘慧敏等[6-7]根據(jù)不同貫入阻力將混凝土初凝至終凝分為5 個(gè)階段,依次進(jìn)行擾動(dòng)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)混凝土在凝結(jié)中期受擾動(dòng)抗壓、抗拉強(qiáng)度均有明顯下降,貫入阻力值為10.7~14.8 MPa 時(shí)混凝土強(qiáng)度下降最嚴(yán)重。Dunham 等[8]與Issa 等[9]研究了在行車荷載的振動(dòng)作用下混凝土橋梁的變形情況,得出行車荷載下的振動(dòng)作用對(duì)混凝土早期抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度的影響較為顯著,并且在混凝土澆筑7~8 h 時(shí)受行車振動(dòng)作用,易使其產(chǎn)生裂縫。
為了改善行車振動(dòng)對(duì)混凝土帶來的不利影響,國內(nèi)外學(xué)者開展了不同種類的抗擾動(dòng)混凝土性能研究。習(xí)磊[10]、戴民等[11]和李利偉等[12]分別研究了添加鋼纖維、玄武巖纖維及PE 纖維的混凝土抗擾動(dòng)性能,研究表明行車振動(dòng)作用時(shí)間越長,對(duì)混凝土骨料分布產(chǎn)生的不利影響越明顯,摻入纖維后,混凝土的離析程度減弱,抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度明顯提升。劉峰[13]在不中斷交通的情況下,采用普通硅酸鹽水泥(摻加早強(qiáng)高性能聚羧酸減水劑)抗擾動(dòng)混凝土的技術(shù)方案,輔以一定的交通導(dǎo)行措施,能夠解決新舊橋梁橋面板的連接問題,可以充分保證混凝土的連接質(zhì)量。
綜上所述,采用抗擾動(dòng)混凝土技術(shù)將改變橋梁維修加固的施工方式,推動(dòng)公路工程修復(fù)、加固技術(shù)的發(fā)展,可以在開放交通的情況下進(jìn)行施工,節(jié)省社會(huì)資源。本研究將制備一種橋梁修補(bǔ)用抗擾動(dòng)快硬混凝土,采用這種材料來設(shè)計(jì)修補(bǔ)橋梁混凝土,能有效減少甚至避免橋梁結(jié)構(gòu)以后的維修工作,大幅度延長橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命。因此,基于已有的加固技術(shù),研究高抗擾動(dòng)混凝土的加固方法,為橋梁維修加固提供新技術(shù),是非常必要的。
本試驗(yàn)中使用的型號(hào)為XYS 的高抗擾動(dòng)混凝土材料是由河南小榆樹工程科技有限公司生產(chǎn)的,樣品編號(hào)為YP-2022-15166,主要成分包括膠凝材料、粗骨料、砂、減水劑、早強(qiáng)劑等。試驗(yàn)用水為實(shí)驗(yàn)室里的自來水。
本研究的配合比按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB∕T 50080—2016)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本試驗(yàn)澆筑的高抗擾動(dòng)混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為C50,用水量與高抗擾動(dòng)混凝土材料質(zhì)量比為11%,具體見表1。
表1 高抗擾動(dòng)混凝土配合比設(shè)計(jì)
高抗擾動(dòng)混凝土制備工藝:①先將預(yù)先配置好的高抗擾動(dòng)混凝土材料干拌3~4 min 至均勻狀態(tài);②加入計(jì)量好的水,快速攪拌1~2 min,使?jié){體至均勻狀態(tài);③切換振動(dòng)攪拌狀態(tài),快速攪拌2~3 min,使拌和物呈均勻狀態(tài);④攪拌完成后澆筑、搗實(shí)漿體,然后用透明塑料膜覆蓋表面以防水分蒸發(fā)。
首先,依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB∕T 50082—2009)對(duì)非振動(dòng)工況與振動(dòng)工況下拌和物的性能進(jìn)行測(cè)試。其次,依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3420—2020),測(cè)試非振動(dòng)工況與振動(dòng)工況下試件終凝后2 h 的立方體抗壓強(qiáng)度、抗壓彈性模量、劈裂抗拉強(qiáng)度、新舊黏結(jié)劈裂抗拉強(qiáng)度及新舊黏結(jié)抗折強(qiáng)度,具體要求見表2。最后,依據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB∕T 50081—2019)對(duì)兩種工況下高抗擾動(dòng)混凝土的28 d 軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及抗壓彈性模量進(jìn)行測(cè)試,具體要求見表3。
表2 正常工況與振動(dòng)工況下高抗擾動(dòng)混凝土終凝后2 h的性能指標(biāo)要求
表3 正常工況與振動(dòng)工況下高抗擾動(dòng)混凝土終凝后28 d的性能指標(biāo)要求
試驗(yàn)共設(shè)計(jì)2 種工況的混凝土配合比,每組試驗(yàn)澆筑的試件尺寸及個(gè)數(shù)見表4、表5。高抗擾動(dòng)混凝土在澆筑及養(yǎng)護(hù)過程中要求如下:拌和時(shí)溫度為20±5 ℃,相對(duì)濕度≥50%;試件養(yǎng)護(hù)溫度為20±2 ℃,相對(duì)濕度≥95%;試件試驗(yàn)溫度為20±2 ℃,相對(duì)濕度≥50%;振動(dòng)工況為振動(dòng)頻率5 Hz,豎向振動(dòng)速度為2.5 cm∕s。
表4 正常工況與振動(dòng)工況下高抗擾動(dòng)混凝土終凝后2 h的試件尺寸與數(shù)量
表5 正常工況與振動(dòng)工況下高抗擾動(dòng)混凝土終凝后28 d的試件尺寸與數(shù)量
本試驗(yàn)依據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB∕T 50080—2016)中確定的凝結(jié)時(shí)間測(cè)定方法測(cè)定漿體初凝、終凝時(shí)間?;玖W(xué)性能測(cè)試參照國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB∕T 50081—2019)中的有關(guān)規(guī)定和方法,對(duì)高抗擾動(dòng)混凝土的基本力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。主要試驗(yàn)儀器及編號(hào)為:HD-G809-1 單垂直電磁振動(dòng)臺(tái)(SN-103-132)、VICIOR63B 測(cè)振儀(SN-103-133)、WHY-2000 微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)(SN-103-120)、SHD-1 混凝土彈性模量測(cè)定儀(SN-103-83)、WDW-300C 微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)(LX-XCC-02)。
正常工況與振動(dòng)工況下高抗擾動(dòng)混凝土的凝結(jié)時(shí)間見表6。隨著振動(dòng)工況的改變,初凝時(shí)間與終凝時(shí)間均略微增加,但終凝與初凝之間的時(shí)間差變化不大。當(dāng)采用振動(dòng)工況時(shí),終凝與初凝之間的時(shí)間差為16 min,滿足橋梁施工時(shí)初凝與終凝時(shí)間差≤30 min 的要求,具體如圖1 所示,故試驗(yàn)采用的高抗擾動(dòng)混凝土材料符合橋梁加固維修時(shí)的快硬要求。
圖1 正常工況與振動(dòng)工況下高抗擾動(dòng)混凝土的凝結(jié)時(shí)間
表6 正常工況與振動(dòng)工況下高抗擾動(dòng)混凝土的凝結(jié)時(shí)間
正常工況與振動(dòng)工況下高抗擾動(dòng)混凝土終凝后2 h試件的力學(xué)性能見表7。由此可知,經(jīng)振動(dòng)工況下制得的抗擾動(dòng)混凝土抗壓強(qiáng)度及抗壓彈性模量得到有效提高,相較于正常工況分別提高了8.54%、15.53%。正常工況與振動(dòng)工況下高抗擾動(dòng)混凝土相關(guān)力學(xué)強(qiáng)度變化如圖2 所示。由圖2 可知,經(jīng)振動(dòng)工況下制得的抗擾動(dòng)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度、新舊黏結(jié)劈裂抗拉強(qiáng)度及新舊黏結(jié)抗折強(qiáng)度相較于正常工況略有下降,但下降不多,且均滿足規(guī)定值的要求,說明振動(dòng)對(duì)凝結(jié)后2 h 的高抗擾動(dòng)混凝土力學(xué)性能影響有限,故試驗(yàn)采用的高抗擾動(dòng)混凝土材料符合橋梁加固維修時(shí)的早期力學(xué)強(qiáng)度的需求。
圖2 正常工況與振動(dòng)工況下高抗擾動(dòng)混凝土相關(guān)力學(xué)強(qiáng)度變化
表7 正常工況與振動(dòng)工況下高抗擾動(dòng)混凝土終凝后2 h試件的力學(xué)性能
高抗擾動(dòng)混凝土28 d軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗壓彈性模量及徐變收縮的測(cè)定值與規(guī)定值對(duì)比見表8。結(jié)果表明,試驗(yàn)采用的高抗擾動(dòng)混凝土材料28 d軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及抗壓彈性模量均滿足實(shí)際工程要求,且收縮徐變滿足正常橋梁施工要求。
表8 高抗擾動(dòng)混凝土28 d力學(xué)強(qiáng)度值
通過對(duì)正常工況與振動(dòng)工況下高抗擾動(dòng)混凝土的凝結(jié)時(shí)間、終凝后2 h 及28 d 力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析,并將高抗擾動(dòng)混凝土澆筑的橋梁橫隔板進(jìn)行實(shí)際工程應(yīng)用,得出以下結(jié)論。
①當(dāng)采用振動(dòng)工況時(shí),高抗擾動(dòng)混凝土的初凝時(shí)間與終凝時(shí)間均略微增加,終凝與初凝之間的時(shí)間差滿足橋梁施工時(shí)≤30 min 的要求,故試驗(yàn)采用的高抗擾動(dòng)混凝土材料符合橋梁加固維修時(shí)的快硬要求。
②經(jīng)振動(dòng)工況下制得的抗擾動(dòng)混凝土終凝后2 h 的抗壓強(qiáng)度及抗壓彈性模量相較于正常工況分別提高了8.54%、15.53%。而劈裂抗拉強(qiáng)度、新舊黏結(jié)劈裂抗拉強(qiáng)度及新舊黏結(jié)抗折強(qiáng)度相較于正常工況略有下降,但下降不多,且均滿足規(guī)定值的要求,說明試驗(yàn)采用的高抗擾動(dòng)混凝土材料符合橋梁加固維修時(shí)的早期力學(xué)強(qiáng)度要求。
③試驗(yàn)采用的高抗擾動(dòng)混凝土材料28 d 軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及抗壓彈性模量均滿足實(shí)際工程要求,且收縮徐變滿足正常橋梁施工要求。