大摻量粉煤灰對高架橋混凝土路面斷裂性能影響試驗研究

張小衛(wèi) 申宏棟 劉濟廣 何宏偉 焦華喆

摘 要： 大摻量粉煤灰與混凝土水泥反應(yīng)產(chǎn)生的凝膠可以改善混凝土粘接性能。為了確定粉煤灰摻量范圍， 將斷裂度作為衡量混凝土斷裂性能重要參數(shù)，根據(jù)混凝土在不穩(wěn)定狀態(tài)下的脆性斷裂特征，對混凝土路面進行了斷裂程度及應(yīng)力分析，按照大摻量粉煤灰的混凝土界面粘接強度，分析拔出型、斷裂型在顯微鏡下的斷裂細微形態(tài)。結(jié)果表明，粉煤灰摻量為20%時，混凝土路面斷裂正應(yīng)力大于0.8 GPa，剪切應(yīng)力大于1.5 GPa，混凝土路面抗壓強度較大，混凝土路面抗斷裂性能最好。隨著粉煤灰摻量增加，混凝土路面抗斷裂性能逐漸變差。

關(guān)鍵詞： 三點彎曲加載；大摻量粉煤灰；混凝土路面；斷裂性能

中圖分類號： TQ177.6+2

文獻標志碼： A ?文章編號： 1001-5922（2023）08-0162-04

Experimental study on the effect of high content fly ash on the

fracture performance of concrete pavement of elevated bridges

ZHANG Xiaowei1，SHEN Hongdong1，LIU Jiguang2，HE Hongwei1，JIAO Huazhe2

（1.Jiaozuo Qianye New Materials Company，Jiaozuo 454003，Henan China

2.Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，Henan China）

Abstract： The gel produced by the reaction of high content fly ash and concrete cement can improve the bonding performance of concrete.In order to determine the range of fly ash content，the fracture degree was taken as an important parameter to measure the fracture performance of concrete.Based on the brittle fracture characteristics of concrete in unstable states，fracture degree and stress analysis were conducted on the concrete pavement.The micro fracture morphology of pull-out and fracture modes under the microscope were analyzed based on the bonding strength of concrete interface with a large amount of fly ash.The test results showed that when the fly ash content was 20%，the normal stress at fracture of the concrete pavement was greater than 0.8，and the shear stress greater than 1.5.The compressive strength of the concrete pavement was relatively high，and the fracture resistance of the concrete pavement was the best.With the increase of fly ash content，the fracture resistance of concrete pavement gradually decreased.

Key words： three point bending loading;high content fly ash;concrete pavement;fracture performance

將粉煤灰摻入混凝土原材料中，能夠填充空隙，使水泥顆粒分散分布，避免出現(xiàn)水化過熱而導(dǎo)致混凝土易脆現(xiàn)象發(fā)生?；炷翐饺敕勖夯以谔岣呋炷列阅艿耐瑫r，也可實現(xiàn)對工業(yè)廢棄物的有效回收，因而在實際工程中，粉煤灰混凝土的使用日益增多。雖然粉煤灰混凝土在節(jié)能、改善環(huán)境方面具有良好作用，但是因為施工、養(yǎng)護以及使用等原因，還是不可避免地存在著各種各樣的問題，進而造成了粉煤灰混凝土的強度和耐久性的下降[1]。由于粉煤灰混凝土屬于非均質(zhì)、非連續(xù)的脆性物質(zhì)，不能實現(xiàn)其內(nèi)部粒子的充分分散，不能從根本上解決其內(nèi)在缺陷，僅能控制其裂紋擴展，但不能確保其在外部荷載下不發(fā)生破壞，僅能對其塑性、韌性及抗沖擊性能有較大改善，因而仍有開裂的問題[2]。

為此，以三點彎曲梁為試驗對象，研究大摻量粉煤灰對高架橋混凝土路面斷裂性能影響。采用三點彎曲加載試驗方式，使用顯微鏡作為試驗結(jié)果觀察設(shè)備，分析不同配合比下的大摻量粉煤灰對高架橋混凝土路面斷裂性能影響情況。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料和配合比

試驗原材料的選用，如表1所示。

具體配合比，如表2所示。

按照確定的試驗材料配合比拌制混凝土，靜置待用。

1.2 試件制備

為確?；旌虾蟮乃酀{具有較好的流動性能，特制了100 L橫向水平強制攪拌機，攪拌機的旋轉(zhuǎn)軸線上裝有大旋轉(zhuǎn)刃和小旋轉(zhuǎn)刃，電機速度可調(diào)整，最高速度為150 r/min ，攪拌機剖面圖如圖1所示 。

高架橋混凝土的攪拌工藝：將相應(yīng)的原料按一定的配比稱量后，在水里摻入減水劑，并用玻璃鋼桿混合均勻；把混合好的原料倒入攪拌器中，以75 r/min的旋轉(zhuǎn)速度混合1 min，然后加入PVA纖 維，將旋轉(zhuǎn)速度提高到95 r/min，混合1 min[3]；加入一半的溶液，以90 r/ min的速率攪拌1 min，然后加入另一半溶液，以120 r/ min的速率攪拌2 min；將抗拉試件取出12 h，并保存至第28 d，將其打磨平整[4]。

1.3 試件加載裝置

使用凈度為（230×200×200）mm的特殊鋼模對混凝土進行澆筑，在右邊的內(nèi)壁正中央放置一（50×30×200）mm的預(yù)制溝槽鋼塊。澆注前，在試驗?zāi)Ｗ永锩娣湃? mm厚的鋼板。 在鋼板的2個表面上涂抹了一層離模劑，等到混凝土達到了初凝狀態(tài)之后，再把鋼板抽出來，在室溫下用草墊進行遮蓋，48 h之后，再把模具轉(zhuǎn)移到標準養(yǎng)護室中，用水進行28 d的養(yǎng)護，試驗樣品的生長周期是60 d左右[5-6]。

待試樣樣品制作完成后，將其放置加載裝置機上。

為了彌補試件本身的質(zhì)量，在試件四分點處采用2根拉桿支撐，裝載工具是用工字鋼制成的，在這次測試中，它的楔形角度是15°。然后使用2片帶滾輪的傳力板對有缺口的混凝土進行荷載施加[7]。

在對試件加載過程中，必須確保測試設(shè)備的可靠運行，才能確保測試順利進行。在試件加載裝置中，擬采取的是動態(tài)加載制度，在對垂直載荷進行作用之后，再對其進行橫向載荷作用，其加載方式為逐步加載[8]。在動態(tài)試驗中，對試驗過程中使用的地震動振幅進行了相應(yīng)的調(diào)節(jié)。

2 三點彎曲加載試驗

2.1 三點彎曲加載試驗方法

三點彎曲試驗是將橫斷面為長方形或圓形的試件置于一臺測力儀上，調(diào)節(jié)其跨度，然后對其施加載荷，使其承受一定載荷，直至其變形或破壞為止[9]。

將高架橋混凝土路面斷裂韌度作為試驗指標，在某大學工程力學實驗室進行試驗分析，所用到的試驗設(shè)備如表3所示。

將試件放在試驗裝置上進行試驗時，應(yīng)注意計算機界面實時獲取的試驗信息。

試驗過程：將2個鋼支墩置于試驗機承載臺上，并在其上設(shè)置一個支撐架，二者用螺絲相連，因為試件的安裝或拆除都有可能引起支墩的偏差，所以在對每一個試件進行測試之前，都要適時地對支墩的位置進行調(diào)節(jié)，以確保測試結(jié)果的精度[10]。

在預(yù)埋裂紋的基底兩邊貼上一層薄板，再貼上一層有加強筋的加強板，以便安裝夾持器；卡子拉伸儀的標準距離為40 mm，測量范圍為20 mm[11]。將一塊帶應(yīng)變的薄片均勻粘貼在混凝土裂縫的頂部，用來測定裂縫的起裂荷載。在等位移載荷下，載荷的加載速度為0.1 mm/min。利用計算機的數(shù)據(jù)處理，對每一測點的載荷、應(yīng)變、裂紋開口位置等數(shù)據(jù)進行了實時采集[12]。

2.2 試驗過程

應(yīng)用三點彎曲加載試驗方式，將試件放置在加載裝置上，對其進行物性及幾何校正。若想獲得較為完備的荷載-位移曲線，需要將混凝土失穩(wěn)時的脆性破壞特點納入其中[13]。在加載時，使用分段變頻控制方式，在達到峰值載荷之前，使用載荷控制，加載速度為10 N/s，在達到峰值載荷之后，使用位移控制，速度為0.1 mm/min。

混凝土路面斷裂度，由以下公式計算：

= ?F ?max L ch3/2 · ?d 0 h ????（1）

式中： F ?max ?表示施加的最大荷載； L 表示斷裂跨度； c 表示制作的試件厚度； h 表示制作的試件高度； d 0 表示初始混凝土路面斷裂縫長[14]。

通過對試件破壞面的仔細觀察可以看出，在不同的條件下，每一組試件斷裂破壞都表現(xiàn)出了大摻量粉煤灰混凝土被拉斷現(xiàn)象[15]，造成這種斷裂特征的原因很可能是由于大摻量粉煤灰本身的抗拉強度一般較低[16]，其表面粗糙，且有較多的孔隙，這樣的結(jié)構(gòu)形式使得磚粒與水泥界面的粘接力較強。

在最大粘接力值與初裂強度值的1.2倍以上時，混凝土具有較強的變形硬化特性，因此，建議將粘接力值與初裂強度值的比值稱為應(yīng)力指數(shù)[17]，并將其用作混凝土路面鋪裝材料的設(shè)計指標。應(yīng)力指數(shù)應(yīng)滿足：

f= γ a γ b >g ??（2）

式中： γ a、γ b 分別表示粘接力值、初裂強度值； g 表示應(yīng)力閾值。當實際的混凝土路面拉伸應(yīng)力指數(shù)滿足上述公式時，混凝土路面不會發(fā)生斷裂，一旦不滿足上述公式，混凝土路面會發(fā)生斷裂。

在加載過程中，裂紋會聚集在一起，形成一條主裂紋并向上方擴展，從而引起整個結(jié)構(gòu)的開裂失效[18]，這種開裂方式有別于以粗集料-水泥結(jié)合面為主的常規(guī)混凝土。采用光學顯微鏡，對斷裂部位的纖維結(jié)構(gòu)進行了分析。通過分析，得出了在水泥路面中添加不同含量的粉煤灰，將路面破壞的損傷機制可劃分為“拔出型”和“斷裂型”兩類，如圖1所示。

從圖1（a）可以看出，經(jīng)過對試驗結(jié)果的分析，認為在水泥石混合料中，摻入一定比例的粉煤灰能夠適當提高混凝土抗壓強度，提高混凝土韌度。但是，一旦摻入過量的粉煤灰，將會削弱混凝土初期水化度，減弱混凝土與混凝土之間的粘接強度。

從圖1（b）可以看出，該試件具有非常顯著的破壞作用，纖維端頭出現(xiàn)了斷裂的跡象。在此破壞方式下，摻入的粉煤灰比例較小，所以此時混凝土水化度相對較強，混凝土與混凝土之間的粘接強度也較強。

3 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)試驗材料配合比，分析混凝土路面斷裂的正應(yīng)力-剪切應(yīng)力散點圖，如圖2所示。

由圖2可知，#-3、#-4、#-5配合比試件的粉煤灰摻量分別為50%、55%、60%，斷裂強度值較小。由于大摻量粉煤灰的存在，磚粒與水泥石的界面粘接力較弱，在試件受到外界荷載作用時，混凝土路面斷裂正應(yīng)力小于0.8 GPa，剪切應(yīng)力小于1.5 GPa，試件不具備強抗斷裂性能。

#-1、#-2配合比試件的粉煤灰摻量分別為0%、20%，斷裂強度值較大。此時磚粒與水泥石的界面粘接力也相對較強，在試件受到外界荷載作用時，#-2配合比試件的散點正應(yīng)力-剪切應(yīng)力比#-1配合比試件要大，試件具備強抗斷裂性能。

大摻量粉煤灰對混凝土路面斷裂度影響，如表4所示。

由表4可知，當粉煤灰摻量為20%時，混凝土抗壓強度略低于未摻入粉煤灰混凝土，粉煤灰起到協(xié)同作用，同時粉煤灰具有的水化使得混凝土后期強度得以被激發(fā)。隨著齡期發(fā)展，比未摻入粉煤灰混凝土的抗壓強度要大。

如果將粉煤灰的摻量提升到50%，那么水泥的用量就會降低，同時其水化產(chǎn)物也會降低，因此無法形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。粉煤灰用量繼續(xù)摻入，達到60%，粉煤灰活性較低，生成了分散的凝膠產(chǎn)物，混凝土抗壓強度明顯下降。

對于5個配合比試件，觀測的路面斷裂情況，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，觀察這5組試件，發(fā)現(xiàn)#-3、#-4、#-5配合比試件中粉煤灰摻量比依次增加，受到外界荷載作用時，配合比試件分別出現(xiàn)裂縫、斷口、較大斷口；#-1、#-2配合比試件在受到外界荷載作用時，斷口表面均未出現(xiàn)明顯斷裂口。

4 結(jié)語

（1）應(yīng)用三點彎曲加載試驗，可在顯微鏡下就可觀察斷裂口破壞特征；

（2）當粉煤灰摻量為20%時，混凝土路面抗壓強度較大，混凝土路面的抗斷裂性能最好；

（3）當粉煤灰摻量在超過20%時，混凝土路面的抗斷裂性能隨著粉煤灰摻量增大而降低。

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