橋梁伸縮縫過(guò)渡區(qū)混凝土性能優(yōu)化研究

姚新宇　黃俞云　韓志盈

摘要：文章根據(jù)橋梁伸縮縫結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，以C50混凝土配合比為基準(zhǔn)，通過(guò)試驗(yàn)研究雙摻EVA-HPMC對(duì)硫鋁酸鹽水泥混凝土力學(xué)性能、耐久性、收縮性等性能的影響。研究表明：EVA與硫鋁酸鹽水泥具有良好的適應(yīng)性，隨著摻量的增加，混凝土彎拉強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度、耐久性等指標(biāo)均有明顯提升，HPMC的復(fù)合摻入進(jìn)一步改善上述指標(biāo)并對(duì)混凝土早期塑性開裂改善明顯。同時(shí)，通過(guò)EVA-HPMC摻量變化對(duì)混凝土性能的改善趨勢(shì)，提出了EVA經(jīng)濟(jì)摻量為4%的建議，并建立了EVA-HPMC改性硫鋁酸鹽水泥混凝土拉拔粘結(jié)強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度的冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：醋酸乙烯酯-乙烯共聚物;HPMC;硫鋁酸鹽水泥;橋梁伸縮縫;力學(xué)性能;耐久性

0 引言

車輛行駛經(jīng)過(guò)橋梁伸縮縫往往有較為明顯的跳車現(xiàn)象。由于新建道路通車后，實(shí)際車輛軸載大于設(shè)計(jì)軸載，實(shí)際交通量與增速往往也大于預(yù)測(cè)值，導(dǎo)致車輛對(duì)橋梁伸縮縫的沖擊作用更加明顯。車輛輪胎對(duì)橋梁伸縮縫裝置的巨大沖擊力可導(dǎo)致伸縮縫過(guò)渡區(qū)混凝土損壞、脫落、松動(dòng)，同時(shí)在雨季由沖擊荷載引起的動(dòng)水壓力，更會(huì)加速橋梁伸縮縫病害的發(fā)展，大大縮短伸縮縫使用壽命[1]。

橋梁伸縮縫過(guò)渡區(qū)混凝土主要承受來(lái)自車輛輪壓的動(dòng)載，當(dāng)車輛行駛至伸縮縫時(shí)，所產(chǎn)生的輪壓荷載由錨固系統(tǒng)傳導(dǎo)至過(guò)渡區(qū)混凝土，過(guò)渡區(qū)混凝土因荷載產(chǎn)生壓縮變形。當(dāng)車輪行駛通過(guò)過(guò)渡區(qū)混凝土后，則會(huì)有一個(gè)應(yīng)力釋放過(guò)程，而輪壓越大，拉應(yīng)力就會(huì)越大[2]。此外由于橋梁伸縮縫由梁板、聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)、錨固鋼筋及過(guò)渡區(qū)混凝土等多構(gòu)件構(gòu)成（如下頁(yè)圖1所示），施工中難以實(shí)現(xiàn)攤鋪平順，不平整問(wèn)題十分常見。而車輛行駛通過(guò)則會(huì)造成振動(dòng)形成沖擊力，且所產(chǎn)生的振動(dòng)屬于高頻振動(dòng)，在反復(fù)振動(dòng)荷載下，混凝土更易剝離、疲勞破壞[3-5]。因此從橋梁伸縮縫混凝土受力特點(diǎn)及病害成因綜合分析，為了延長(zhǎng)橋梁伸縮縫使用壽命，有必要在滿足經(jīng)濟(jì)性的條件下，提升混凝土抗拉強(qiáng)度、新舊混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性（收縮）等指標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)快速開放交通、提升通行效率的目的。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)聚合物改性水泥材料均做了大量研究，大部分研究主要集中在聚合物種類比選與摻量的確定上，且多數(shù)采用普通硅酸鹽水泥進(jìn)行改性并驗(yàn)證混凝土與砂漿的相關(guān)指標(biāo)性能[6-14]，但對(duì)特種水泥聚合物改性及復(fù)合摻入HPMC改善混凝土性能方面的研究較少。本研究旨在研究EVA與HPMC摻入下對(duì)特種水泥混凝土性能的改善，應(yīng)用于橋梁伸縮縫病害修復(fù)，并建立復(fù)合改性特種混凝土關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系，為混凝土構(gòu)造物病害快速修復(fù)高性能材料的開發(fā)與工程應(yīng)用提供試驗(yàn)基礎(chǔ)與依據(jù)。

1 試驗(yàn)與方法

1.1 原材料

原材料采用廣西云燕特種水泥建材有限公司生產(chǎn)的R.SAC 42.5低堿度硫鋁酸鹽水泥，國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的醋酸乙烯酯-乙烯共聚（EVA）可再分散膠粉（主要技術(shù)指標(biāo)見表1），上海臣啟化工科技有限公司生產(chǎn)的羥丙基HPMC（主要技術(shù)指標(biāo)見表2）。減水劑采用聚羧酸高性能減水劑（粉劑），細(xì)料選用欽州砂場(chǎng)（Ⅱ區(qū)）細(xì)度模數(shù)為2.97的細(xì)料，粗集料選用吳圩勝興石場(chǎng)生產(chǎn)的碎石，粒徑分檔為4.75～9.5 mm、9.5～19 mm，水采用實(shí)驗(yàn)室用自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)配比與試驗(yàn)方法

配合比設(shè)計(jì)參照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55-2011），預(yù)先確定水灰比、砂率及碎石用量，再根據(jù)研究計(jì)劃摻入不同劑量的EVA及HPMC?；鶞?zhǔn)配合比見表3，EVA-HPMC摻量見表4。

1.3 混凝土的制備

采用強(qiáng)制攪拌機(jī)拌和混凝土，將砂、碎石加入干拌30 s，隨后加入水泥、減水劑（粉劑）、EVA、HPMC、EVA助劑干拌90 s，最后加入水?dāng)嚢? min。攪拌后測(cè)試混凝土坍落度并入模，成型試件采用振實(shí)臺(tái)振動(dòng)密實(shí)成型，24 h后拆模，而后根據(jù)研究需要選擇實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)與試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)方法

根據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E30-2005）測(cè)定混凝土抗壓強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、彈性模量，收縮性指標(biāo)。根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082-2009）測(cè)定混凝土塑性開裂、疲勞壽命等性能指標(biāo)。直接拉拔粘結(jié)試驗(yàn)參考《道橋用防水涂料》（JC/T975-2005）。

2 力學(xué)性能分析

2.1 強(qiáng)度分析

分別將不同摻量EVA及HPMC的混凝土進(jìn)行抗壓、彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)，其28 d強(qiáng)度如圖2所示。

由圖2可知，雙摻EVA與HPMC時(shí)，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度也沒有改善，且隨著EVA摻量增加而有一定的降低趨勢(shì)，摻量范圍內(nèi)抗壓強(qiáng)度最大降低幅度為5.84%。但彎拉強(qiáng)度隨著EVA與HPMC的摻入有著較明顯的提高。在單摻0%～5%EVA條件下，彎拉強(qiáng)度分別提高0%、1.96%、1.96%、7.84%、15.69%、17.65%。在0.05% HPMC摻量下，隨著0%～5%EVA的摻入，彎拉強(qiáng)度分別提高0%、1.96%、3.92%、7.84%、15.69%、21.57%。在0.1% HPMC摻量下，隨著1%～5% EVA的摻入，彎拉強(qiáng)度分別提高0、1.96%、7.84%、9.8%、19.61%、23.53%。同時(shí)，由圖2可以看出，隨著EVA與HPMC的摻入，尤其當(dāng)EVA摻量>3%時(shí)，硫鋁酸鹽混凝土的折壓比明顯提高。

2.2 拉伸粘結(jié)性能

由于影響拉拔粘結(jié)強(qiáng)度的因素還與舊混凝土界面的粗糙度、潔凈程度等因素有關(guān)[15]，采用固定的舊混凝土界面參數(shù)（見表5）進(jìn)行混凝土直接拉拔粘結(jié)試驗(yàn)，同時(shí)參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E30-2005）進(jìn)行混凝土劈裂抗拉實(shí)驗(yàn)。如圖3所示，當(dāng) EVA摻量為5%，HPMC摻量為0.1%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度與拉拔粘結(jié)強(qiáng)度值最大，分別較基準(zhǔn)混凝土提高63.4%、337.8%，并且HPMC的加入使得摻入EVA的混凝土拉拔粘結(jié)強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度都有所增加，在相同5% EVA摻量條件下，摻入0.05%HPMC、0.1%HPMC比沒摻入HPMC其拉拔粘結(jié)強(qiáng)度分別提高了4.4%、10.61%，劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高5.9%、15.9%，但是單摻HPMC對(duì)混凝土拉拔粘結(jié)強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度均無(wú)影響。由圖3可以看出，當(dāng)摻量>4%時(shí)，其拉拔粘結(jié)強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度增加幅度有所放緩，因此EVA摻量4%可作為經(jīng)濟(jì)摻量參考。

直接拉拔粘結(jié)試驗(yàn)存在試驗(yàn)設(shè)備、夾具、粘結(jié)接觸面條件等因素變異性大的問(wèn)題，造成測(cè)量數(shù)據(jù)離散性較大，因此可尋找相近試驗(yàn)進(jìn)行替代與預(yù)測(cè)。采用固定的舊混凝土界面參數(shù)（見表5），對(duì)比直接拉拔粘結(jié)強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度，兩者可獲得良好的相關(guān)關(guān)系，最終可通過(guò)劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)改性硫鋁酸鹽混凝土拉拔粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)。綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由圖4所示改性硫鋁酸鹽混凝土劈裂強(qiáng)度與拉拔粘結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系曲線，兩指標(biāo)關(guān)系函數(shù)見式（1）。式（1）反映了EVA與HPMC對(duì)硫鋁酸鹽混凝土粘結(jié)性能及劈裂抗拉強(qiáng)度的改性趨勢(shì)。

3 耐久性分析

3.1收縮性

混凝土塑性開裂是評(píng)價(jià)混凝土長(zhǎng)期服役能力的重要指標(biāo)，參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082-2009），測(cè)定不同EVA與HPMC摻量下混凝土的早期塑性開裂總面積，試驗(yàn)條件采用固定風(fēng)速，測(cè)定風(fēng)速為8 m/s，室內(nèi)恒定溫度為25 ℃，裂縫寬度采用混凝土裂縫測(cè)試儀測(cè)試，測(cè)定24 h早期塑性開裂總面積。不同EVA與HPMC摻量下的混凝土早期塑性開裂及干縮情況如圖5所示。

由圖5可知，塑性開裂總面積隨著EVA的摻入而降低，而HPMC的摻入可以非常明顯地減少塑性開裂總面積。當(dāng)HPMC摻量為0.1%，EVA摻量達(dá)到5%時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)塑性開裂。HPMC的摻入對(duì)混凝土塑性開裂總面積的改善更為明顯，在0% EVA摻量下，摻入0.1% HPMC其塑性總開裂面積僅為基準(zhǔn)的56.2%;在3% EVA摻量下，摻入0.1% HPMC其塑性總開裂面積僅為摻入0%HPMC的20.3%，因此HPMC的摻入能防止混凝土因養(yǎng)護(hù)不規(guī)范造成的早期塑性開裂。此外混凝土的干縮值隨著EVA及HPMC摻量的增大而明顯減少。由圖5可看出，當(dāng)EVA摻量>2%時(shí)，混凝土干縮值隨著EVA摻量的增加下降幅度加大，且在相同EVA摻量下，HPMC的摻入能夠?qū)炷?8 d干縮值有進(jìn)一步改善。因此，雙摻EVA-HPMC對(duì)混凝土的體積穩(wěn)定性及抗開裂性能具有良好的改善，應(yīng)用于橋梁伸縮縫過(guò)渡區(qū)可大大降低抵抗動(dòng)載以及雨天動(dòng)載引起的動(dòng)水壓力對(duì)混凝土造成的損害。

3.2 模量與疲勞性能

采用固定應(yīng)力水平條件，應(yīng)力設(shè)定為基準(zhǔn)配合比混凝土彎拉破壞壓值的0.7，固定荷載頻率采用10 Hz。如圖6所示，隨著EVA及HPMC摻量的增加其累積荷載次數(shù)隨之增加，彎拉彈性模量隨之降低。當(dāng)EVA摻量>3%時(shí)，其疲勞壽命次數(shù)隨著EVA摻量的增加而增長(zhǎng)較快;當(dāng)HPMC摻量為0.1%，EVA摻量為5%時(shí)，其累積疲勞次數(shù)相比基準(zhǔn)混凝土提高2.8倍，模量降低9.5%。同時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，EVA-HPMC的雙摻比單摻EVA累計(jì)疲勞次數(shù)進(jìn)一步增加，但對(duì)動(dòng)彈性模量影響不明顯，單摻HPMC則其摻量對(duì)動(dòng)彈性模量與累積荷載次數(shù)均無(wú)明顯影響。因此，由EVA-HPMC復(fù)合改性的硫鋁酸鹽混凝土在疲勞壽命與協(xié)調(diào)變形適應(yīng)上具有更大優(yōu)勢(shì)，在橋梁伸縮縫、錯(cuò)臺(tái)修補(bǔ)以及適應(yīng)動(dòng)載的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）混凝土彎拉強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、累積疲勞荷載次數(shù)隨著EVA摻量的增加而提高。其中EVA摻量為2%～4%時(shí)上述指標(biāo)開始快速增長(zhǎng)，摻量>4%時(shí)，上述指標(biāo)增長(zhǎng)速率放緩。因此4% EVA摻量可作為經(jīng)濟(jì)摻量參考標(biāo)準(zhǔn)。

（2）HPMC與EVA雙摻會(huì)對(duì)彎拉強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、累積疲勞荷載次數(shù)、早期塑性開裂及28 d干縮值有進(jìn)一步改善，但0～0.1%范圍內(nèi)單摻HPMC除對(duì)混凝土早期塑性開裂及28 d干縮值有改善外，對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)無(wú)明顯影響。

（3）EVA-HPMC復(fù)合改性硫鋁酸鹽混凝土的拉拔粘結(jié)強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度具有良好相關(guān)性，可根據(jù)劈裂抗拉強(qiáng)度間接評(píng)價(jià)改性混凝土的粘結(jié)性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]Carroll，Chris;Juneau，Andrew.Repair of Concrete Bridge Deck Expansion Joints Using Elastomeric Concrete[J].Practice Periodical on Structural Design and Construction，2015，20（3）：04014038.

[2]Deng，Lu ;Yan，Wang-chen ;Zhu，Quan-jun.Vehicle Impact on the Deck Slab of Concrete Box-Girder Bridges due to Damaged Expansion Joints[J].Journal of Bridge Engineering，2016，21（2）：06015006.

[3]閆光飛.基于LS_DYNA的橋梁伸縮縫破壞機(jī)理研究與分析[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2016.

[4]喻春函，丁志義，廖光福，等.聚合物改性混凝土的應(yīng)用進(jìn)展[J].膠體與聚合物，2018，37（1）：40-42.

[5]王 凱，葛翠翠，李柏殿，等.公路橋梁伸縮縫過(guò)渡區(qū)混凝土修復(fù)技術(shù)研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2017，8（36）：2 838-2 843.

[6]農(nóng)金龍.聚合物改性水泥基粘結(jié)復(fù)合材料的粘結(jié)性能研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2014.

[7]Papaioannou，S.;Argyropoulou，R.;Kalogiannidou，C.;et al.Mechanical and adhesion properties of polymer-modified cement mortars in relation with their microstructure[J].Journal of Adhesion，2018（1）：1-20.

[8]Assaad，Joseph Jean.Development and use of polymer-modified cement for adhesive and repair applications[J].Constr Build Mater，2018，163（2）：139-148.

[9]劉紀(jì)偉，周明凱，陳 瀟，等.丁苯乳液改性水泥砂漿性能及機(jī)理研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35（1）：40-43.

[10]丁向群，張冷慶，冀言亮，等.聚合物改性粘結(jié)砂漿的性能研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2014，33（5）：1 040-1 044.

[11]Knapen，E.;Van Gemert，D.Polymer film formation in cement mortars modified with water-soluble polymers[J].Cement and Concrete Composites，2015，58（4）：23-28.

[12]Yuan-liang，Xiong;Kun-rong，Wang;Zhi-yong，Liu.Bond behaviors between polymer cement coated steel bar subjected to environmental action and concrete[J].Concrete under Severe Conditions - Environment and Loading，2016，711（9）：1 105-1 110.

[13]袁國(guó)卿.可再分散乳膠粉對(duì)水泥砂漿的性能影響[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2010.

[14]韓振東，程棋鋒，聞寶聯(lián)，等.聚合物改性混凝土研究[J].商品混凝土，2013（7）：37-38.

[15]張菊輝，李 粵.新老混凝土結(jié)合面黏結(jié)強(qiáng)度影響因素研究綜述[J].混凝土，2017（10）：156-162.