复杂交通荷载作用下粉煤灰混凝土碳化及强度研究

陆益军 王晓妮 孙 茜（南京理工大学紫金学院）

0 引言

自19 世纪20 年代水泥材料的问世，随之诞生的混凝土材料已成为世界范围内应用范围最广，消耗数量最大的土木工程材料，以其广泛的适用性和低廉的成本成为土木工程建设中最重要的建筑材料，迄今已有近200年的历史，在各个国家的经济建设和社会发展过程中发挥着举足轻重的作用。根据国家统计局相关数据，2018年全国水泥总产量达21.77 亿吨，可以看出，在未来的一段时间内，混凝土材料仍然会在土木工程材料消耗中占据较大的比重。

1 粉煤灰混凝土的发展

但随着经济发展的速度不断加快、社会发展要求不断提高及建筑工程建设规模不断扩大，高强度混凝土的需求日益增加，这就使得更多的研究开始关注高强混凝土的制备工艺。为了兼顾混凝土的强度和流动性，不同种类的外加剂及掺合料开始添加到混凝土材料中，比如粉煤灰[1-3]。同时，我们国家作为产煤大国，煤炭也是国家发展的重要战略能源，据统计数据，到2030 年，我国的煤炭用量可达50 亿吨，而随之排放的粉煤灰也预计达到十几亿吨。数量如此庞大的粉煤灰渣将会对环境、生态以及土地资源造成极大的威胁，而将其作为掺合料，应用到高强混凝土的制备中，则会有更为广阔的前景和发展[4]。

目前，国内外对于粉煤灰混凝土也有了广泛的研究和应用。CANMET 中心的Malhotra 等人开展了基于胶凝材料的大掺量高强粉煤灰混凝土研究，并在某大型卫星发射台的基础浇筑中应用；四川的二滩电站大坝工程中使用了粉煤灰掺比52%的高性能混凝土；广西岩滩水电站的围堰工程采用的粉煤灰混凝土中掺量高达70%，是粉煤灰大掺量混凝土的重要应用；南京的长江二桥、上海的金茂大厦、杨浦大桥等国内重大工程都广泛使用了一定掺合比的高性能粉煤灰混凝土[5]。

2 混凝土碳化损伤研究

但随着研究深入，问题也日益凸显。在桥梁结构中，由于复杂的自然和荷载环境，粉煤灰混凝土的碳化问题引起了更多的关注。乐建元等[6]基于CO2的在碳化区的扩散情况，基于表观扩散系数建立了多系数碳化深度模型，并结合工程实例进行预测，取得了较好的效果。阿茹罕等[7]通过加速碳化和自然碳化两种实验方法，研究了不同掺合比例粉煤灰混凝土的碳化特性，发现通过加速碳化实验可以分辨不同混凝土的碳化差异性。朱建华等[8]通过对粉煤灰混凝土加入混杂碳纤维，进一步研究了不同掺合比下的粉煤灰混凝土的抗压强度、碳化速度及相对动弹性模量等力学特性。虽然对于不同方向的粉煤灰混凝土都有了完善的研究[9-12]，但是对于营运过程中的大型结构，比如桥梁等，在复杂交通荷载下的粉煤灰混凝土的强度及碳化深度的研究还较少。

综上，文章基于高速公路桥梁的检测实验数据，进一步探究日常运营状态下桥梁结构中粉煤灰混凝土的强度变化及分布趋势。

3 现场检测实验

3.1 回弹仪仪器介绍

本次检测试验所使用的仪器是由天津津维公司生产的一体式语音数显高强回弹仪(HT550-V)，如图1 所示。可以即时获得抽检混凝土的抗压强度检测结果，仪器适用标准为JGJ/T 294—2013《高强混凝土强度检测技术规程》JJG817—2011《回弹仪》检定规程。具体仪器参数如表1 所示。

图1

表1 高强回弹仪仪器参数

3.2 工程案例概况

本次检测桥梁全长158m，梁式桥，上部结构为板梁，下部采用桩柱式墩，跨径组合为7×16m，设计荷载：公路Ⅰ级，结构中使用的混凝土材料为大掺量高强粉煤灰混凝土。桥梁平面结构如图2 所示。本次专项检测实验为主桥内部混凝土碳化深度及强度检测。

3.3 现场检测实验

开展桥梁混凝土碳化及强度检测，其目的是对全桥整体结构的稳定性及安全性做出评估，为下一步的桥梁养护和维修提供建议。为了更为全面地评估桥梁整体结构，实验将桥梁按照墩台数量编号，从0 至7，同时按照桥跨数量分为七个主要检测区域，在每一桥跨内选择三块底板进行检测，每一块板设置十个测区，根据规范要求，每一测区取16 组回弹值，并根据回弹计算公式(1)计算平均值。

其中，Rn是平均回弹值，精确至小数点后1 位；Ri是第i 个测点的回弹值。

由图3 可以看出，所有测区的回弹值在30 至60 之间波动，主要集中于45 至55。根据不同测区和不同测点的回弹值，可以进一步获得每一测区的回弹平均值，同时测量每一测区的碳化深度，经过换算为混凝土强度，在根据强度计算公式得到最终推定强度值，0#台至1#墩1#板的强度计算值如表2 所示，最终1#板的强度推定值约为44.7MPa，符合设计中C40 混凝土的强度要求。

图4 展示了第1 跨中由外侧倒内侧3 块底板的强度值及碳化深度的变化，可以看出，外侧底板的强度值要低于内侧底板强度，同时外侧板的碳化深度高于内侧底板，这表明外侧底板的损伤程度要严重于内侧底板，这是因为外侧车道一般为大型货车行驶车道，承受较大的交通荷载，所以存在更为严重的损伤。通过进一步对比图中的强度最小值和碳化深度，第1 跨的中间底板可能存在最为严重的损伤，由此我们可以推断在通过该大桥时，有更多的车辆选择从中间车道通行，中间车道存在更为复杂的交通荷载，这一推断也通过检测实验中的另一项实验——混凝土保护层厚度及裂缝深度检测实验中得到验证，中间车道混凝土存在较深的横纵向裂缝，表明其破损情况更为严重一些。

图2 桥梁平面图

图3 0# 台- 1# 墩1# 板10 个测区16 组回弹值变化图

表2 0# 台-1# 墩1# 板强度计算

为了评估全桥整体安全状况，在对单一桥跨情况分析之后，进一步分析了沿通行方向，不同桥跨的强度和碳化深度的变化趋势，如图5 所示。通过对比图5(a)中的强度值和强度最小值，第2 和第6 跨的混凝土强度较高，其它桥跨的强度大致相等；同时在图5(b)中，第2和6 跨的碳化深度也较浅，由此可以看出第2 跨和第6跨的整体结构情况要优于其他桥跨。

4 结论

通过现场专项检测实验可以看出，粉煤灰混凝土能够较好地适应复杂交通荷载环境。综合桥梁所有桥跨区域来看，在正常运营过程中，粉煤灰混凝土大部分区域整体强度仍能够满足初始设计要求的C40 混凝土强度，部分区域略低于40MPa，但最低的推定强度值仍能够达到37MPa 以上，能够在可控的养护维修后满足日常运营需求。开展基于复杂交通荷载下的粉煤灰混凝土碳化损伤的研究，可以进一步探索大掺量粉煤灰混凝土在桥梁等大型结构应用中的损伤演化规律。通过从板、跨、桥多层次分析桥梁结构中粉煤灰混凝土的强度及碳化变化规律，可以为桥梁整体结构安全的评估提供有益的参考。

图4

图5

可以看出，粉煤灰混凝土在建筑、交通、水利等多个领域拥有广阔的发展前景，加大对粉煤灰混凝土在复杂荷载如疲劳荷载、复杂环境如冻融腐蚀环境等多方面的研究也十分必要。未来，在开展实验的同时，也需要基于现有的数值模拟方法进一步探索不同荷载、不同环境等多种条件下的损伤演化模型，对指导工程实际具有十分深远的意义。