護欄與橋面鋪裝混凝土的配合比設(shè)計及試驗分析

姬小祥,梁　倩,侯廣真(.河南交院公路工程技術(shù)有限公司,河南鄭州　450000;.長安大學(xué)公路學(xué)院,陜西西安　70064)

護欄與橋面鋪裝混凝土的配合比設(shè)計及試驗分析

姬小祥1,梁倩2,侯廣真1
(1.河南交院公路工程技術(shù)有限公司,河南鄭州450000;2.長安大學(xué)公路學(xué)院,陜西西安710064)

針對高速公路混凝土護欄以及橋面鋪裝出現(xiàn)的損壞問題,以鄭洛高速公路改建工程為實例,通過對護欄與橋面鋪裝的混凝土的力學(xué)性能、耐久性等進行試驗分析,對護欄與橋面鋪裝的混凝土配合比重新設(shè)計.結(jié)果表明,加入摻合物與纖維之后,混凝土的劈裂抗拉強度、抗裂性以及開裂抑制效果得到了明顯提升,改善了護欄與橋面鋪裝的質(zhì)量.

護欄;橋面鋪裝;混凝土配合比;纖維

0　引　言

高速公路橋梁混凝土護欄會受行駛車輛濺起雜質(zhì)的沖磨,因此破壞較快.據(jù)河南省橋梁護欄破壞調(diào)查結(jié)果顯示,50%以上的護欄都出現(xiàn)了剝蝕破壞,而且一般在建成通車5年內(nèi)就會受到明顯破壞.目前,中國對橋梁護欄以及橋面鋪裝的混凝土關(guān)注較少,現(xiàn)行的公路橋梁設(shè)計規(guī)范中針對護欄以及橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)等的要求內(nèi)容不明確,在同類結(jié)構(gòu)設(shè)計中,很多地方往往直接套用路面結(jié)構(gòu)的混凝土配合比設(shè)計,選定一種工程結(jié)構(gòu)中使用的水泥混凝土作為護欄結(jié)構(gòu)或橋面鋪裝結(jié)構(gòu)(或在其上面加鋪瀝青混凝土),往往忽略了護欄以及橋面鋪裝等特殊的使用環(huán)境以及受力和變形特點,導(dǎo)致以上部分常會出現(xiàn)大量的病害.

大量研究表明,在混凝土基材中摻加纖維(如鋼纖維、玄武巖纖維等)是提高混凝土韌性、抑制塑性開裂并改善混凝土的抗沖擊性及耐久性的最有效途徑之一[1-4],但是具體的配合比設(shè)計方法,各地區(qū)尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn).為此,本文依托鄭洛高速公路改擴建工程,開展橋梁護欄與橋面鋪裝混凝土配合比設(shè)計與試驗分析,對混凝土的力學(xué)性能、耐久性能和外觀效果等進行研究,為同類工程提供一定的參考.

1　橋梁護欄與橋面鋪裝的混凝土配合比設(shè)計

1.1原材料選擇及性質(zhì)

(1)水泥選用P.O 52.5水泥:比表面積為388m2·kg－1,安定性為0.5,抗壓強度測試結(jié)果為3 d 27.9 MPa,28 d 55.4 MPa.

(2)粉煤灰選用洛陽熱電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰:細度(0.045 mm篩余)為9.8%,燒失量為2.1%,活性指數(shù)為84%.

(3)粗集料為偃師碎石5～10 mm和10～20 mm連續(xù)級配的石灰?guī)r碎石:表觀密度為2 658 kg·m－3,堆積密度為1 550 kg·m－3,空隙率為41.7%.

(4)細骨料選用宜陽天然河砂:細度模數(shù)為2.61,表觀密度為2 662 kg?m－3,堆積密度為1 550 kg·m－3,空隙率為41.8%.

(5)纖維采用玄武巖纖維:極限抗拉強度為3 500 MPa,彈性模量為88 Pa.

(6)減水劑采用陜西恒升聚羧酸.

各種原材料性能指標(biāo)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求.

1.2纖維體積摻量的確定

在基體開裂后,纖維能承擔(dān)復(fù)合材料開裂時荷載所需的最小纖維體積率,或基體開裂后復(fù)合材料承載力不下降所需摻入的最小纖維體積率.纖維臨界體積率是混凝土破壞的轉(zhuǎn)折點,當(dāng)纖維摻量小于纖維臨界體積率,基體開裂后,因纖維不能承擔(dān)基體開裂而轉(zhuǎn)移的荷載,立即引起破壞,呈脆性破壞狀態(tài);而當(dāng)纖維摻量大于纖維臨界體積率時,基體開裂后,纖維能承擔(dān)基體轉(zhuǎn)移的荷載,使得承載能力繼續(xù)提高.

由非連續(xù)纖維復(fù)合材料的纖維臨界體積率公式[5-6],并根據(jù)已有的經(jīng)驗對纖維摻量ρfc進行確定

式中:fmu為纖維混凝土基體極限抗拉強度(MPa); ffu為纖維的極限抗拉強度(MPa);εmu為纖維混凝土基體極限抗拉應(yīng)變;Ef為纖維的彈性模量.

對于C30和C50混凝土而言,混凝土基體的極限抗拉強度fmu分別為2.01 MPa和2.64 MPa,混凝土基體的極限抗拉應(yīng)變εmu＝100×10－6,改建工程中采用玄武巖纖維,C30和C50混凝土的玄武巖纖維的臨界體積率分別為0.06%和0.08%.綜合考慮造價等因素,選擇在護欄用纖維混凝土中的玄武巖纖維摻量為1 kg·m－3,在橋面鋪裝層中的摻量為2 kg·m－3.

1.3配合比設(shè)計方案

由于護欄混凝土的設(shè)計強度等級為C30,因此設(shè)計時除最大限度的利用現(xiàn)場原材料之外,水膠比采用0.40,礦物摻合料替代水泥的比率為20%～ 35%,砂率為42%,外加劑的摻量根據(jù)新拌混凝土的狀態(tài)為膠凝材料用量的0.8%～1.2%,通過試拌和調(diào)整,最終各標(biāo)段護欄纖維混凝土配合比如表1所示.

表1　護欄混凝土配合比kg·m－3

對于橋面鋪裝層的施工,由于采用C50混凝土,因此對材料的要求比較高.原材料的存儲要注意防止材料的污染,盡量使用封閉式材料存儲倉;對于粒形不合格的原材料不得使用,另外對于粒形合格但比較臟的原材料要清洗之后方可使用.

橋面鋪裝層纖維混凝土的設(shè)計強度等級為C50,水膠比采用0.30,由于對混凝土早齡期強度有一定的要求,因此礦物摻合料替代水泥的比率為15%～20%,砂率為42%,外加劑的摻量根據(jù)新拌混凝土的狀態(tài)為膠凝材料用量的0.8%～1.2%,通過試拌和調(diào)整,最終各標(biāo)段橋面鋪裝纖維混凝土配合比如表2所示.

表2　橋面鋪裝層纖維混凝土配合比kg·m－3

2　試驗工況的確定

試驗以鄭洛高速公路改建工程中的7標(biāo)為依托,除采用現(xiàn)場施工配合比外,為了研究摻合料以及纖維對混凝土性能改善方面所起的作用,又制定了另外兩種對比配比,分別為施工配比中剔除纖維和剔除摻合料.護欄施工配合比標(biāo)記為H,普通混凝土(含粉煤灰)配合比標(biāo)記為H1,普通混凝土(不含粉煤灰)的配合比標(biāo)記為H2,其他成分不變;橋面鋪裝層三種對應(yīng)的配合比標(biāo)記分別為P、P1及P 2,試驗配合比如表3所示.采用相關(guān)的試驗方法對護欄和橋面鋪裝層的混凝土的力學(xué)性能、耐久性能及混凝土的外觀效果分別進行試驗與分析.

表3　試驗工況配合比kg·m－3

3　試驗結(jié)果與分析

3.1力學(xué)性能結(jié)果與分析

混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度是最常用、最基本的混凝土力學(xué)性能指標(biāo),而摻入纖維后,混凝土抗壓與抗拉強度都會有明顯的提高.針對鄭洛高速公路改建工程中的7標(biāo)橋面鋪裝層的纖維混凝土配合比,對纖維混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度進行了試驗,試驗結(jié)果如圖1所示.

圖1　纖維混凝土強度

由圖1可知,混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度基本上呈現(xiàn)出隨齡期的增長而增大的變化趨勢.抗壓強度和劈裂抗拉強度的增長在前期較快,隨齡期的增長,后期的強度增長速度變慢.護欄和橋面鋪裝的纖維混凝土抗壓強度比未添加纖維的混凝土的在齡期為28 d時分別大了11.8%、15.2%;混凝土的劈裂抗拉強度在齡期為28 d時大分別大了11.3%、13.7%,說明纖維混凝土抗壓與抗拉強度都有了明顯的提高.而部分工況的抗壓強度和劈裂抗拉強度在后期變小了,說明并非所有的混凝土強度都會隨著齡期增大而一直增長.在后期,混凝土內(nèi)的化學(xué)作用可能會導(dǎo)致混凝土的強度減小,在配合比設(shè)計的時候應(yīng)注意此種狀況的發(fā)生.

3.2耐久性能結(jié)果與分析

分別采用飽和混凝土電導(dǎo)率法(NEL法)、非穩(wěn)態(tài)氯離子快速遷移試驗法(RCM法)和庫侖電量法對混凝土的耐久性進行測試與分析,結(jié)果如圖2所示.

從圖2中可以看出,在混凝土中加入纖維后,混凝土的長期耐久性得到了顯著提高,且這種提高的程度會隨著齡期的不斷增長而日益明顯;纖維在混凝土的早期抗開裂過程中起到了明顯的作用,因而在混凝土中加入纖維后無論是混凝土的氯離子滲透系數(shù)還是混凝土的電通量都出現(xiàn)了明顯的下降;但在高強度混凝土中,纖維的摻量要合理把握,否則就可能起到相反的效果,導(dǎo)致耐久性的降低.

混凝土在除冰鹽和凍融循環(huán)(簡稱鹽凍)作用下,會發(fā)生表面剝蝕、骨料裸露的現(xiàn)象,進而會導(dǎo)致鋼筋銹蝕.表3是采用單面凍融法進行護欄纖維混凝土結(jié)構(gòu)鹽凍試驗的結(jié)果.從表中數(shù)據(jù)可知,摻加纖維的混凝土與未摻加纖維的混凝土相比,其剝蝕量顯著減小,質(zhì)量損失減小了215.89 g·m－2,減小幅度為27%,表明纖維顯著改善了混凝土的抗鹽凍性能;而礦物摻合料對混凝土抗鹽凍性能也有一定的改善,但效果并不明顯.

圖2　纖維混凝土氯離子滲透性能

表3　護欄纖維混凝土鹽凍試驗結(jié)果

3.3混凝土外觀效果

采用了推薦配合比的纖維混凝土的現(xiàn)場情況如圖3、4所示.從圖中可以看出,護欄和橋面板的外觀表面平整,質(zhì)量缺陷明顯減少,特別是冷縫問題得到了較好的解決,整體完整,邊角完好,無破損.

4　結(jié)　語

本文依托鄭洛高速公路改擴建工程實例,針對兩種特殊部位(護欄和橋面鋪裝)的混凝土,在現(xiàn)有原材料及設(shè)備條件下,對其配合比進行優(yōu)化設(shè)計,并進行了試驗分析.得出的主要結(jié)論如下.

圖3　護欄外觀

圖4　橋面板外觀

(1)在混凝土中加入摻合料和纖維后,混凝土的劈裂抗拉強度和抗壓性能得到了顯著提高,但對于混凝土中玄武巖纖維的摻量要合理把握,以避免過高或過低的摻量對混凝土性能產(chǎn)生不利影響.

(2)在混凝土中加入玄武巖纖維后,混凝土的氯離子滲透系數(shù)和混凝土的電通量出現(xiàn)了明顯的下降,說明玄武巖纖維對混凝土的早期抗開裂起到了較好的控制作用.

(3)纖維混凝土的剝蝕量顯著減小,質(zhì)量損失減小幅度達27%,表明纖維顯著改善了混凝土的抗鹽凍性能,而礦物摻合料對混凝土抗鹽凍性改善效果不明顯.

[1]裴輝,王慶偉,時克儉.高性能混凝土在高架橋護欄中的應(yīng)用[J].筑路機械與施工機械化,2011,20(10):199-200.

[2]王宏暢,李國芬.南京長江四橋澆注式瀝青混凝土配合比設(shè)計研究[J].公路,2012(8):50-54.

[3]錢亮,陳曉芳,田曉霞.橋面鋪裝LC40輕集料混凝土配合比試驗研究[J].商品混凝土,2009(10):31-34.

[4]單俊鴻,周明凱,李北星.微膨脹聚丙烯纖維混凝土在橋面鋪裝中的應(yīng)用[J].公路,2005(5):143-145.

[5]封基良.纖維瀝青混合料增強機理及其性能研究[D].南京:東南大學(xué),2006.

[6]王東陽,陳淑賢.橋面鋪裝混凝土早期裂縫控制[J].長安大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2006,26(3):21-25.

[責(zé)任編輯:杜敏浩]

Design and Experimental Analysis of Mixture Proportion for Bridge Guardrail and Deck Pavement

JI Xiaoxiang1,LIAN Qian2,HOU Guangzhen1
(1.Henan Institute of Highway Engineering Technology Co.Ltd.,Zhengzhou 450000,Henan,China; 2.School of Highway,Chang?an University,Xi?an 710064,Shaanxi,China)

Aimed at the damages on guardrail and deck pavement of expressway,Zhengzhou Luoyang Expressway renovation project was chosen to run the tests on mechanical performance and durability of the concrete,and the mix proportion was redesign.The results showed that the splitting tensile strength,crack resistance and crack inhibiting effect were notably improved by adding admixture and fiber into the concrete,and the quality of guardrail and deck pavement was better.

guardrail;deck pavement;mix proportion of concrete;fiber

U443.3

B

1000-033X(2015)01-0083-04

2014-10-20