橋梁濕接縫早強混凝土配比設(shè)計與力學(xué)功效分析研究

陳鵬

（江西省宜春公路建設(shè)集團有限公司，江西宜春 336000）

0 引言

在高速公路改擴建工程中，新舊橋梁的高效拼接是改擴建工程的難點，而濕接縫的質(zhì)量時常成為影響整橋質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)點。而要保證濕接縫的澆筑質(zhì)量，需要提高澆筑濕接縫混凝土的早期強度和耐久性。以廣西柳南高速公路拓寬改擴建工程為例，開展橋梁濕接縫早強混凝土配比設(shè)計與力學(xué)功效分析研究，可為同類濕接縫澆筑工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 濕接縫早強混凝土的配比設(shè)計

1.1 復(fù)配水泥

水泥是混凝土混合料的主要凝膠材料，混凝土可依據(jù)其不同的用途或性能需求，在混合料中加進(jìn)其他相關(guān)材料進(jìn)行混合。本實驗引入硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥構(gòu)成混合料，因為兩種混合料均具有良好的水化功效，從而利于在短時間內(nèi)開放交通。本實驗也引入了膨脹劑和硅灰，以利于提高混合料的抗收縮功效。

硅灰是硅鐵合金與硅金屬冶制過程中，附帶生成的二氧化硅晶體。硅灰成核效應(yīng)良好，吸附水分和凝膠材料。在硅酸鹽水泥中，硅灰與C-S-H膠凝反應(yīng)，能夠增強后期混凝土的強度和體系的持久性。根據(jù)實驗，本研究確定硅灰摻量取5%。

1.2 骨料級配

骨料選擇連續(xù)級配的礫碎石，粒度范圍取5～16mm，細(xì)骨料粒度范圍取0.05～2mm。中砂與細(xì)砂按3∶1比例混合，使兩種砂混合后均能符合細(xì)度模數(shù)和級配需求。砂料篩分結(jié)果見表1。

表1 砂料篩分結(jié)果

細(xì)骨料級配確定后，砂率亦是配制混凝土?xí)r應(yīng)考慮的問題。根據(jù)高強度混凝土使用技術(shù)規(guī)范中的建議，砂率應(yīng)在35%～42%。依據(jù)工程應(yīng)用比例和課題組的實驗反饋，將砂率確定為40%。

1.3 金屬纖維

適量加入金屬纖維能夠明顯增強混合料強度、持久性和延展性。通常濕接縫混凝土位于新舊混凝土的過渡界面，對其整體力學(xué)功效影響很大。并且依據(jù)纖維間隔距離理論，適當(dāng)摻入金屬纖維后，混凝土混合料功效顯著提高。本文使用鍍銅超細(xì)金屬纖維（SF）。表2為纖維主要物理參數(shù)。

1.4 膨脹劑

工程混凝土需要膨脹功效，多通過摻加膨脹劑來實現(xiàn)，膨脹劑對混凝土硬化收縮有補償作用。在濕接縫結(jié)構(gòu)中，收縮裂縫不但會影響混凝土的外觀，還會影響濕接縫結(jié)構(gòu)的整體持久性。本實驗考慮使用氧化鈣膨脹劑，一是可以控制材料本身的早期收縮，二是可以增強結(jié)構(gòu)的抗?jié)B透性，并且增強硬化期混凝土的抗干擾性能。實驗膨脹劑的含量取10%，按限制膨脹率檢測法，測定膨脹劑抗收縮功效。

1.5 外加劑

本實驗研究選用高效早強聚羧酸作為外加減水劑。減水劑的應(yīng)用須通過適配決定，不得隨意引入。本研究選用的減水劑，廠家建議用量是0.5%～2%。其劑量試驗結(jié)果見表3。

表3 減水劑適配結(jié)果

2 高低幅振動對早強混凝土力學(xué)強度的影響

2.1 程控振動臺擾動實驗

借助程控振動臺，通過振幅和頻率調(diào)節(jié)來模擬擾動。振幅決定實驗設(shè)定參數(shù)的準(zhǔn)確性，本研究采用采集儀和移位計對振動臺的振幅給予校準(zhǔn)。振幅校準(zhǔn)后，根據(jù)硫鋁酸鹽水泥（CSA）和金屬纖維（SF）的不同劑量，分為三組：CSA對照組（0%SF，5%CSA），SF對照組（1%SF，0%CSA）和空白組（0%SF，0%CSA）來開展不同振幅不同頻率的振動。

2.2 高幅振動對早強混凝土力學(xué)強度的影響

如經(jīng)常發(fā)生重型車輛過載，當(dāng)這些車輛通過橋梁時，其會引發(fā)更大的振幅。為了模擬混凝土受高幅振動的影響，采用高振幅（5mm）和不同頻率（2Hz、5Hz、8Hz），向混凝土試樣施加振動。

（1）抗壓強度損失率，空白組與SF組

在高振幅（5mm）振動下，受擾前后空白組混凝土比較，短期1d抗壓強度損失率在擾動前后分別是9.98%、11.58%和11.98%，隨著頻率的增加呈現(xiàn)一定的上升趨勢。伴隨齡期的增加，強度損失率沒發(fā)生降低，28d達(dá)16.52%。

與SF組相比，當(dāng)混凝土以不同頻率振動時，1d抗壓強度損失率為3.33%、4.66%和4.99%，28d抗壓強度損失率為10.12%，比空白組低。摻入金屬纖維使混凝土有良好的抗干擾能力，類似于空白組。頻率的增加會擴大混凝土的內(nèi)部傷損，但是金屬纖維提升了基材之間分離需要的振動能量。外部振動所施加的能量，保持混凝土內(nèi)部相對穩(wěn)定，內(nèi)部擴展裂縫較少，因此表現(xiàn)出比空白組更優(yōu)的抗擾動性能。

與CSA組相比，因為CSA的摻進(jìn)，縮短了混凝土的凝結(jié)時間，經(jīng)過擾動后，CSA組混凝土進(jìn)一步縮短凝結(jié)時間，大幅縮短了CSA組混凝土的擾動期，進(jìn)而降低了擾動效應(yīng)，表明抗壓強度1d損失率在4.67%、6.73%和7.10%，抗壓強度3d損失率在7.45%、8.8%和10.34%，長時期損失率沒有顯著增長。

兩個對照組的抗壓強度損失率都比空白組低，表明CSA和金屬纖維的引入有利于混凝土的抗擾功效。

（2）抗折強度損失率，空白組和SF對照組

5mm高幅振動，不同程度地降低了空白組混凝土的強度，并且伴隨頻率的提升，其降低的程度更大。也就是說，高幅振動對混凝土造成了一定的內(nèi)部破壞，早期強度受到擾動后強度大幅降低，但后期的水化反應(yīng)會對內(nèi)部間隙有一定地修復(fù)作用，進(jìn)而減少強度損失率。金屬纖維的摻入，形成橋架作用和分散振動能量的作用，混凝土的抗擾性能在一定程度上得到提高。

2.3 低幅振動對早強混凝土力學(xué)強度的影響

實驗利用振動臺模擬了不同交通條件下混凝土抗壓強度試樣受車輛振動的情況，并通過強度實驗研究了混凝土的擾動狀態(tài)。

（1）抗壓強度損失率，空白組與SF組

空白組（0%SF，0%CSA）試樣比較無擾動時，低振幅（3mm）和低頻（2Hz）振動引發(fā)部分混凝土抗壓強度降低。與沒有擾動的SF對照組相比，在低頻（2Hz）和低振幅（3mm）振動下混凝土抗壓強度損失率無顯著變化。伴隨頻率的增加，混凝土的抗壓強度損失率并不隨之增加，但在抗壓強度上卻有所加強，不過其中的28d強度變化不大。

空白組的短期抗壓強度隨著低幅振動出現(xiàn)降低，而纖維組的抗壓強度隨著頻率的增加出現(xiàn)一定提升，纖維有利于混凝土的抗干擾性能。但在低頻率振動下，CSA對照組混凝土的抗壓強度并沒有顯著降低趨勢。這由于CSA的引入縮短了擾動期，使混凝土很快進(jìn)入終凝狀況。當(dāng)混凝土最終凝固時，內(nèi)部已經(jīng)構(gòu)成一定的強度，輸入的能量不能破壞材料的黏結(jié)能力，因此終凝后混凝土的擾動必須考慮。

低振幅振動對于抗壓強度的影響較小，但它可以增強混凝土的密實度。當(dāng)混凝土澆筑成型后，因為粗骨料的沉降，通常會出現(xiàn)不同程度的分層狀況。分層導(dǎo)致粗集料下部的水分聚集。伴隨時間的推移，水分蒸發(fā)構(gòu)成孔隙，從而導(dǎo)致混凝土密實度降低。在凝結(jié)反應(yīng)的過程中，小幅振動作用會擠出混凝土粗集料中所含水分，減少混凝土料分層，增強其密實度。另一方面，水泥顆粒表面半滲透膜會因水化中的振動而遭受破壞，使水化得以充分開展。膜的破裂和伸展使凝膠包裹的水泥顆粒逐步靠近，并建立更多的接觸點，顆粒間的孔隙逐步減少為毛細(xì)孔，然后被凝膠填充，使水泥漿盡快硬化，表現(xiàn)出更高的強度。

摻入金屬纖維可明顯提高混凝土的抗折強度，但是混凝土受擾后纖維是否會因振動產(chǎn)生沉底或分布不均而減弱金屬纖維的加固作用，目前尚不清楚。因此，在實驗中擬制備一個10cm×10cm×40cm的抗折試樣，將此情況通過模擬擾動實驗開展探索。

（2）抗折強度損失率，空白組和SF對照組

低幅（3mm）振動，空白組1d混凝土抗折強度其損失率最高，1d最高損失率大于18%，3d最高損失率則在8%左右。

添加金屬纖維后，SF混凝土的內(nèi)部更致密，有害間隙更少。當(dāng)金屬纖維混凝土受到擾動時，應(yīng)力傳播路徑是自水泥基體至纖維水泥基體界面，再到高彈塑模量的纖維，這意味著振動能量由纖維和水泥基體共享，進(jìn)而分散了振動對混凝土的影響。因此，低振幅振動對SF組強度沒有明顯影響。但CSA組的凝結(jié)時間縮短較快，擾動期變短，影響不大。這表明，在早期振動過程中，因為空白組混凝土中缺乏金屬纖維橋接作用，集料受振后會有一定程度的下沉，砂漿會在集料間流出，使混凝土表面出現(xiàn)大量浮漿，而試樣下部的集料會堆積，不夠致密，強度會降低。CSA組和摻纖組的抗彎折強度損失率為負(fù)，表明抗彎強度有所提高。

3 結(jié)語

本研究對濕接縫早強混凝土的配比設(shè)計及力學(xué)功效進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，擾動可以降低混凝土的凝結(jié)和硬化時間。低振幅振動對混凝土的機械強度影響不大，而頻率不同的振動則無顯著影響。在高振幅振動下，普通混凝土的抗壓強度和抗折強度損失率增加，長時期強度損失率繼續(xù)提升。添加少量（5%）硫鋁酸鹽水泥或1%的金屬纖維可提高混凝土的抗干擾性能。