高性能混凝土性能及其在橋梁中的應(yīng)用研究

王曉山

摘 要： 為在保證橋梁承載力和耐久性要求的前提下降低材料成本，本文選取強度等級為42.5級水泥，通過雙摻粉煤灰和礦粉的方式降低膠材用量，并加入聚羧酸減水劑來配置C50標(biāo)號高性能橋用混凝土，室內(nèi)試驗表明混凝土的各項指標(biāo)均滿足實體工程要求。采用本文配合比所配置的混凝土制作了單梁，通過理論計算和現(xiàn)場靜載試驗對比了試驗梁控制截面處的應(yīng)變和撓度，結(jié)果表明，該梁的實際承載力滿足設(shè)計要求。在靜載過程中對梁體裂縫情況進(jìn)行了觀測，未見裂縫出現(xiàn)，表明該梁在抗裂性方面也滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞： 靜載試驗；高性能混凝土；單梁；應(yīng)變；撓度

1、引言

高性能混凝土（High Performance Concrete-HPC）最早由美國于1980年代末1990年代初基于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計概念而提出的。高性能混凝土與普通混凝土相比有很多優(yōu)勢，具有高耐久性、高工作性、高強度和高體積穩(wěn)定性，而且可節(jié)約料源，保護(hù)環(huán)境，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。高性能混凝土大量使用粉煤灰等礦物攙合料，不僅改善混凝土性能，而且利用了工業(yè)廢料，形成良好的生產(chǎn)循環(huán)。高性能混凝土的使用也是許多基礎(chǔ)設(shè)施耐久性設(shè)計中最為省力和投資最少的方法。

2、配合比及材料性能

本文采用原材料有水泥、粉煤灰、礦粉、細(xì)骨料、粗骨料和聚羧酸外加劑。對粉煤灰、礦粉、細(xì)骨料、粗骨料和聚羧酸外加劑等進(jìn)行了試驗測定，各項指標(biāo)均滿足公路橋梁規(guī)范要求。同時，對施工用水也按照技術(shù)要求進(jìn)行了檢測，選取用水滿足混凝土拌合用水的技術(shù)要求。通過反復(fù)試配，本文確定高性能混凝土的配合比如表1所示。

通過室內(nèi)試驗得到上述配合比下拌合物的性能，如表2所示。

經(jīng)過不同齡期的抗壓試驗，確定了混凝土在不同齡期的抗壓強度，如表3所示。

表3表明，在28天以后混凝土的強度為58.9MPa，超過了預(yù)期設(shè)定的50MPa目標(biāo)，而隨著齡期的發(fā)展，混凝土的強度得到進(jìn)一步提高。

經(jīng)過試驗確定了混凝土的彈性模量、凍融質(zhì)量損失、凍融相對動彈模量和電通量等指標(biāo)，如表4所示。

表4表明，本文所配的C50高性能混凝土的彈性模量、凍融質(zhì)量損失，凍融相對動彈模量和電通量等指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。

3、單梁靜載試驗及分析

上述材料試驗結(jié)果表明，按照本文配制的高性能混凝土在工作性能、強度和耐久性方面均可滿足C50混凝土的要求。為進(jìn)一步驗證所配制的混凝土能否滿足公路橋梁實體工程的要求，應(yīng)用本文所配置的混凝土制作箱梁單梁進(jìn)行靜載試驗，該試驗在某一級公路項目的橋梁施工現(xiàn)場進(jìn)行。

3.1 橋梁基本概況

橋梁位于某一級公路處，設(shè)計汽車荷載等級為公路-Ⅰ級，橋面寬度為12.0m。該橋上部采用4-20m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，單梁單獨預(yù)制、簡支安裝、現(xiàn)澆連續(xù)接頭的先簡支后連續(xù)的結(jié)構(gòu)體系，全幅4片主梁。

3.2試驗依據(jù)

本試驗按照《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）、《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）、《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62-2004）、和依托工程設(shè)計圖紙及施工資料等進(jìn)行。

3.3 試驗內(nèi)容

為了驗證本文所配置的C50高性能混凝土在橋梁工程中的適用性，通過靜載試驗驗證了預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制箱梁的實際承載能力、抗裂性能是否滿足設(shè)計要求。

3.4 試驗方法

（1）試驗荷載的確定

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）中的要求，并推廣應(yīng)用到單片梁試驗，試驗荷載根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)活荷載產(chǎn)生的最不利效應(yīng)值和二期恒載產(chǎn)生的效應(yīng)值按下式所定原則等效換算而得[見（JTG/T J21-2011-8.1.2靜力荷載試驗效率）]：

（1）

（1）式中：η— 靜力試驗荷載效率；

Ss— 靜力試驗荷載作用下，某一加載試驗項目對應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力、應(yīng)力或變位的最大計算效應(yīng)值；

S′— 設(shè)計汽車荷載作用下，同一加載控制截面內(nèi)力、應(yīng)力或變位的最不利效應(yīng)計算值；

SG2 — 二期恒載作用下，同一加載控制截面內(nèi)力、應(yīng)力或變位的最不利效應(yīng)計算值；

μ — 按規(guī)范取用的沖擊系數(shù)值。

（2） 測點布置

測試斷面如圖3所示。為得到試驗梁在試驗載荷作用下混凝土的應(yīng)變情況，在梁的跨中及L/4截面，沿梁高不同位置粘貼電阻應(yīng)變片，如圖4所示。

（3）加載方案

加載步驟與方法如下：根據(jù)現(xiàn)場情況，利用涵蓋板對試驗梁施加集中均布荷載，首先，將過秤好的涵蓋板準(zhǔn)備好，并放置到現(xiàn)場，待儀器設(shè)備調(diào)試處于正常工作狀態(tài)后，按照試驗荷載的50%、和100%分兩級緩慢加載。每級荷載穩(wěn)定后，觀察梁體有無裂縫出現(xiàn)，并將應(yīng)變和撓度的實測值與計算值進(jìn)行比較，確信梁仍處于彈性工作狀態(tài)后再施加下級荷載，直至加載結(jié)束。

（4）裂縫觀測

加載過程中隨時觀測梁體底板和腹板是否有裂縫產(chǎn)生。若有裂縫產(chǎn)生，觀測裂縫的發(fā)展情況，并進(jìn)行量測和描繪。

3.5 試驗結(jié)果

表5和表6列出了試驗梁應(yīng)變檢測結(jié)果，表明在試驗荷載作用下，試驗梁各測點實測應(yīng)變值小于計算應(yīng)變值，應(yīng)變校驗系數(shù)在0.58～0.78之間。表明試驗梁強度滿足設(shè)計要求，并有一定強度儲備。應(yīng)變計算值與實測值比較如圖6和圖7所示。

表7列出了試驗梁撓度的理論計算值和試驗檢測結(jié)果，撓度計算值與實測值比較如圖8所示（實測撓度值已扣除支點沉降的影響）。靜載試驗結(jié)果表明，在試驗荷載作用下，試驗梁的實測撓度小于計算值，且遠(yuǎn)小于規(guī)范限值，撓度校驗系數(shù)為0.73～0.88之間，試驗梁的剛度滿足設(shè)計要求，并有一定剛度儲備。

在加載試驗過程中，經(jīng)全面仔細(xì)觀察試驗梁，未見裂縫出現(xiàn)，表明混凝土抗裂性滿足要求。

4、結(jié)論

本文采用42.5級水泥，雙摻粉煤灰和礦粉，添加聚羧酸外加劑進(jìn)行C50橋用高性能混凝土的性能及其在實體工程中的應(yīng)用研究，通過室內(nèi)材料試驗和實體橋梁工程的靜載試驗，得到以下主要結(jié)論：

（1）本文所選用的配合比配置的C50混凝土從拌合物性能、強度、彈性模量、凍融質(zhì)量損失、凍融相對動彈模量和電通量等指標(biāo)均滿足公路橋梁工程的技術(shù)要求，在膠材中摻入粉煤灰和礦粉，降低了材料成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）對試驗梁的靜載試驗表明，試驗荷載下，試驗梁各測點實測應(yīng)變小于計算應(yīng)變，應(yīng)變校驗系數(shù)在0.58～0.78之間，表明本文配置的混凝土制作試驗梁強度滿足設(shè)計要求，還有較大的強度儲備。

參考文獻(xiàn)

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