STC超高韌性混凝土配合比的研究與應(yīng)用

鐘 波

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司 第一分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

云龍灣大橋位于錦江云龍灣，其呈南北走向，基本與錦江正交。工程起點(diǎn)里程為K4+448.000，終點(diǎn)里程為K5+567.000，全長(zhǎng)1 119 m。主橋一跨跨越錦江水面，孔跨布置為(30+80+205+80+30)m自錨式懸索橋，全長(zhǎng)428.35 m，主跨跨度為205 m，橋?qū)?8.5 m。主梁為縱橫格構(gòu)式正交異性橋面板鋼梁，縱橋向由鋼橋面板、U肋組成，橋面板厚16 mm，U肋間距為600 mm。

該橋?yàn)樽藻^式懸索橋，主梁為鋼梁，梁體較柔，活載作用下變形達(dá)28 cm。經(jīng)多方對(duì)比與綜合考慮，最終鋼橋面采用超高韌性混凝土組合結(jié)構(gòu)和瀝青混凝土鋪裝層的方案，鋪裝總厚度為9 cm，面層為4 cm厚SMA-13C瀝青混凝土，底層為5 cm厚超高韌性混凝土(STC)。為保證底層超高韌性混凝土與鋼橋面的結(jié)合，在橋面板上設(shè)置剪力釘并鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)。

超高韌性混凝土(Super Toughness Concrete, STC)是一種新型超高強(qiáng)度、高韌性的水泥基復(fù)合材料。與普通混凝土相比，其顯著特點(diǎn)是強(qiáng)度更高、韌性更大、耐久性更好。利用STC材料的這些特性替代傳統(tǒng)的混凝土用于建筑結(jié)構(gòu)中，可以提高其構(gòu)件的開裂強(qiáng)度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耐久性；用于道路和橋梁結(jié)構(gòu)中，可以增加結(jié)構(gòu)的剛度，提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命等。STC的拌和分為干拌和濕拌，首先將水泥、礦物摻合料、細(xì)集料、鋼纖維和減水劑等幾種材料拌和組成干混料，然后加水進(jìn)行濕拌。STC組分中所用的水泥、鋼纖維、減水劑等均應(yīng)符合現(xiàn)行的國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。STC層與鋼橋面之間通過焊接栓釘連接，栓釘直徑為13 mm，高度為35 mm，縱橫向標(biāo)準(zhǔn)間距為150 mm。STC層內(nèi)配置HRB400級(jí)帶肋鋼筋網(wǎng)，縱、橫橋向鋼筋直徑均為10 mm且橫橋向鋼筋位于上層，所有鋼筋的凈保護(hù)層厚度均為15 mm。該項(xiàng)目超高韌性混凝土(STC)橋面鋪裝層面積為15 836 m2，其中STC的設(shè)計(jì)指標(biāo)為STC22，即STC的抗壓強(qiáng)度不小于120 MPa，抗折強(qiáng)度不小于22 MPa。

2 STC混凝土原材料的選擇及配合比設(shè)計(jì)

超高韌性混凝土的原材料主要為水泥、礦物摻合料、細(xì)集料、鋼纖維、減水劑和水等，這些原材料的選擇及配合比直接影響STC混凝土的性能。針對(duì)各項(xiàng)性能要求較高的超高韌性混凝土，需要注重原材料的選擇及拌和物的勻質(zhì)性，因此，需要在保證其基本性能的前提下嚴(yán)格選擇原材料并控制其配合比，以滿足其各項(xiàng)性能的特殊要求。

作為超高性能輕型組合橋面結(jié)構(gòu)體系中超高韌性混凝土(STC)層其超高韌性混凝土的設(shè)計(jì)理論是最大密實(shí)度理論。不同于普通混凝土，超高韌性混凝土去除了大粒徑的粗骨料，所選用的最大粒徑一般為不大于2 mm的石英砂作骨料，選用優(yōu)質(zhì)硅酸鹽水泥，摻入大量超細(xì)高活性摻合料，按最緊密堆積原理確定各組成材料的比例。最大密實(shí)理論的主要原理是毫米級(jí)顆粒(骨料) 的間隙由微米級(jí)顆粒(水泥、粉煤灰、礦粉)填充；微米級(jí)顆粒的間隙由亞微米級(jí)顆粒(硅灰)填充，因此而大大提高了超高韌性混凝土的內(nèi)部密實(shí)度，減少了初始內(nèi)部缺陷，但也使混凝土組成材料的細(xì)度增大。同時(shí)，由于高性能減水劑和鋼纖維的摻入，加上采用極低的水灰比，其強(qiáng)度和韌性獲得明顯提高，進(jìn)而得到其特殊的物理力學(xué)性能。

2.1 原材料的選擇

(1)材料組成：超高韌性混凝土由一定比例的水泥、礦物摻合料、細(xì)集料、鋼纖維、核心料和水組成[1]。

(2)水泥：水泥應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥》(GB 175-2007)的規(guī)定，一般選用P.O42.5級(jí)以上的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，且應(yīng)保證其與外加劑的適應(yīng)性。在為同一工程提供超高韌性混凝土?xí)r，所用水泥應(yīng)為同一廠家、同一品種、同一標(biāo)號(hào)，以保證超高韌性混凝土拌和物的均質(zhì)性。

(3)細(xì)集料：一般選用石英砂，主要起填充作用。石英砂是由石英石經(jīng)破碎加工而成的顆粒，石英砂的質(zhì)地堅(jiān)硬、耐磨、價(jià)格低廉且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是一種制作UHPC很好的細(xì)集料，其主要礦物成分是SiO2。用于制備UHPC的石英砂的平均粒徑通常為0.315～0.63 mm，且其性能指標(biāo)符合表1中的規(guī)定。

表1 石英砂和石英粉技術(shù)指標(biāo)表 /%

(4)鋼纖維：鋼纖維是影響STC抗彎拉強(qiáng)度和韌性的主要因素?；炷恋睦瓚?yīng)力主要是通過基體與鋼纖維的粘結(jié)作用傳遞，因此，基體與鋼纖維粘結(jié)力的大小直接影響到STC抗拉強(qiáng)度的大小。而影響其粘結(jié)力的因素包括基體的配比、鋼纖維的形狀、鋼纖維的長(zhǎng)徑比、鋼纖維的剛度等。該工程采用鍍銅高強(qiáng)度鋼纖維，其性能指標(biāo)符合表2中的規(guī)定。

表2 鋼纖維性能指標(biāo)表

注：(1)50根試樣的長(zhǎng)度平均值應(yīng)在12～14 mm或6～8 mm范圍內(nèi)。(2)50根試樣的直徑平均值應(yīng)在0.18～0.22 mm或0.12～0.16 mm范圍內(nèi)。

(5)減水劑：減水劑應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土外加劑》(GB 8076-2008)和現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB 50119-2013)的規(guī)定，宜選用高性能減水劑，減水劑的減水率宜大于30%。

(6)水：應(yīng)符合《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ63-2006)的規(guī)定。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

(1)STC配合比的設(shè)計(jì)目標(biāo)。為了使STC的力學(xué)性能達(dá)到最佳，筆者結(jié)合云龍灣大橋施工的實(shí)際情況，對(duì)STC的配合比進(jìn)行了研究。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)配比，對(duì)本次研究擬訂了兩個(gè)試驗(yàn)思路：①用水量對(duì)STC性能的影響，既固定水泥、石英砂、核心料、鋼纖維用量，改變用水量進(jìn)行STC配合比試驗(yàn)，最終確定最佳用水量；②石英砂用量對(duì)STC性能的影響，既固定水泥、核心料、鋼纖維、用水量，改變石英砂用量進(jìn)行STC配合比試驗(yàn)，最終確定石英砂的最佳用量。

(2)基準(zhǔn)配合比的選定。按照經(jīng)驗(yàn)配比，STC的水膠比宜為0.16～0.25。該試驗(yàn)采用以下配合比進(jìn)行試配：

表3 STC基準(zhǔn)配合比表 /kg

(3)試驗(yàn)方法。

①試驗(yàn)用原材料取自工地現(xiàn)場(chǎng)，STC的拌和方法采用60 L強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌和。

②配合比試配量按18 L進(jìn)行試拌。

③試驗(yàn)方法及步驟：

a.按計(jì)算稱量水泥、粉料、石英砂并進(jìn)行干混攪拌，邊攪拌，邊將稱好的鋼纖維均勻篩入攪拌缸，鋼纖維完全加入后再繼續(xù)攪拌60 s，直至攪拌均勻；

b.將按計(jì)量稱量的水加入干混料中，攪拌3～4 min成砂漿；

c.待STC流化后繼續(xù)攪拌2 min，最終成型；

d.測(cè)量STC坍落度(或擴(kuò)展度)并記錄；

e.將所配得的STC混凝土入模，采用高頻振動(dòng)器振搗密實(shí)，制得一組100 mm×100 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)抗壓試塊和一組100 mm×100 mm×400 mm的抗折試件，蓋膜養(yǎng)護(hù)至終凝；

f.終凝后拆模進(jìn)行高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)，采用80 ℃～90 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)(72±1)h，或?yàn)?0 ℃及以上蒸汽養(yǎng)護(hù)(48±1)h；

g.養(yǎng)護(hù)3 d后再進(jìn)行抗壓抗折試驗(yàn)并做好記錄。

(4)試配采用的調(diào)整方法。按以上配合比進(jìn)行試拌，檢查拌和物性能，試拌符合要求后得出基準(zhǔn)配合比，若坍落度、粘聚性、保水性不能滿足要求時(shí)，則需在保證水灰比不變的情況下調(diào)整用水量或減水劑，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試配后，得出基準(zhǔn)配合比。

在基準(zhǔn)配合比基礎(chǔ)上：①用水量分別增減15 kg/m3變動(dòng)得到三種配合比，用其進(jìn)行STC強(qiáng)度試驗(yàn)；②石英砂用量分別增減80 kg/m3變動(dòng)得到三種配合比，用其進(jìn)行STC強(qiáng)度試驗(yàn)。試件留置：試配方量為每次18 L，每種配合比留件1組。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4、5[2，3]。

(5)試驗(yàn)總結(jié)。

①根據(jù)表4中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出用水量對(duì)STC性能的影響：相對(duì)于基準(zhǔn)配比，上調(diào)用水量至215 kg/m3的配比抗壓和抗折強(qiáng)度減小，塌落度和擴(kuò)展度增大；下調(diào)用水量至185 kg/m3的配比其抗壓和抗折強(qiáng)度增大，塌落度和擴(kuò)展度減小。

表4 配合比調(diào)整用水量試驗(yàn)參數(shù)表

表5 配合比調(diào)整用砂量試驗(yàn)參數(shù)表

在一定范圍內(nèi)，減少用水量可以使STC的力學(xué)性能增加，但會(huì)使其塌落度和擴(kuò)展度減小而無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，從而使實(shí)際施工的難度增大。綜合上述兩個(gè)因素可以得出STC配比的最佳用水量為200 kg/m3。

②根據(jù)表5中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出石英砂用量對(duì)STC性能的影響：相對(duì)于基準(zhǔn)配比，上調(diào)石英砂用量至960 kg/m3的配比其抗壓和抗折強(qiáng)度有少許減小，塌落度和擴(kuò)展度減小；下調(diào)用水量至800 kg/m3的配比其抗壓和抗折強(qiáng)度增大，塌落度和擴(kuò)展度增大。

在一定范圍內(nèi)增加石英砂用量，對(duì)STC的力學(xué)性能影響不大，但會(huì)使其塌落度和擴(kuò)展度減小，從而使實(shí)際施工的難度增大。綜合上述兩個(gè)因素可以得出STC配比中的最佳石英砂用量為880 kg/m3。

(6)配合比的確定。根據(jù)試驗(yàn)得出的STC強(qiáng)度與其對(duì)應(yīng)的用水量和石英砂用量的關(guān)系，結(jié)合云龍灣大橋的設(shè)計(jì)要求及施工環(huán)境確定的最終配合比見表6[4，5]。

表6 STC最終配合比表 /kg

3 結(jié) 語(yǔ)

STC混凝土配合比確定后，云龍灣大橋經(jīng)過2個(gè)月時(shí)間的施工，STC混凝土經(jīng)歷原材料的控制、拌和、現(xiàn)場(chǎng)攤鋪、蒸養(yǎng)等工序后，經(jīng)檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，真正發(fā)揮了其強(qiáng)度更高、韌性更大、耐久性更好的顯著特點(diǎn)。