桥梁伸缩缝病害修复用超高性能混凝土性能研究

陈 峰,杨雨厚

(1.桂林公路发展中心,广西 桂林 541002;2.广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007)

0 引言

我国的基础设施建设在国民经济迅猛发展的大背景下正处于发展的快车道中,随着西部大开发和西南陆海新通道建设的不断推进,桂林作为途经的重要区域之一,交通行业技术水平快速发展,桥梁工程数量迅猛增长。然而,由于建造年代久远、日常处于超负荷服役状态及缺乏科学合理的维修养护,部分桥梁出现自身结构损坏,承载能力日渐降低,安全性和耐久性差等问题。在桥梁众多病害中,伸缩缝的破损问题尤为突出。据统计,桂林地区在214座采用异型钢单缝式伸缩缝的桥梁中,出现锚固区混凝土碎裂病害的占比高达51.4%[1]。这主要是由于在负载过高、雨水冲刷侵蚀及严寒酷暑等服役条件下,桥梁伸缩缝出现混凝土表面脱离、蜂窝麻面、结构变形、钢筋暴露等耐久性问题,严重威胁桥梁服役的安全性和行车舒适性[2-3]。在传统修复方式中,通常采用的修复材料是普通C50混凝土,这需要长时间的养护和反复的施工维修,不仅需要长时间的交通管制,影响正常交通秩序,而且维护修复成本持续增大。因此,在桥梁伸缩缝的修复中,需要对修复材料的力学性能和耐久性提出更高的要求[4-5]。

近年来,超高性能混凝土作为桥梁伸缩缝修复材料应用于病害处治成为学者们的研究热点。贾小龙等[6]开展了不同水胶比超高性能混凝土力学性能及工作性能的试验研究,并将研究成果应用于宁夏地区桥梁伸缩缝修复中,探索超高性能混凝土作为修复材料的可行性,研究表明当混凝土的水胶比不断增大,抗压强度呈现逐渐提升的变化规律,0.16水胶比混凝土工作性能最优,且强度达到了138 MPa以上,为实际工程提出了最佳的施工工艺。黄政宇等[7]开展了混凝土的和易性和强度试验研究,分析提出超高性能混凝土的最佳水胶比为0.18,在此水胶比下,混凝土有着最佳的和易性和最优的强度。李传习等[8]通过开展混凝土扩展度、抗压抗折强度等相关试验,分析了不同水胶比超高性能混凝土的施工与力学性能的影响规律,结果表明当湿拌时间为6 min时,混凝土能达到最佳扩展度;随着水胶比从0.16增大至0.19,扩展度呈现线性增长,抗压、抗折强度则呈现先增大后减小的趋势,为此提出水胶比为0.16和0.18为最优。然而,针对不同水胶比对超高性能混凝土性能的影响,学者之间存在不同的研究结论,因此明晰水胶比对其工作性能及力学性能的影响规律是超高性能混凝土能否在伸缩缝修复材料领域广泛应用的关键。

本研究制备了4种不同水胶比(0.14、0.16、0.18和0.20)的超高性能混凝土,通过开展混凝土扩展度测试以及3 d、7 d、28 d抗压抗折强度测试,研究不同水胶比对超高性能混凝土工作性能及力学性能的影响规律,并将研究结果应用于实际病害工程中,为超高性能混凝土作为修复材料在桥梁养护领域的合理应用提供理论依据和实践指导。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料及配合比设计

1.1.1 原材料特性

水泥:鱼峰P.O 52.5级水泥,主要测试指标见表1。

表1 水泥性能指标表

硅灰:来自于西安霖源微硅粉有限公司,其平均粒径为6.7μm,二氧化硅含量≥95%,烧失量为1.1%。

粒化高炉矿渣粉(S95):来自于陆川县贵丰建材有限公司,其平均粒径为13.5μm,比表面积≥400 m2/kg,烧失量为0.42%,28 d的活性指数为98%。

细骨料:洁净的0.16～1.25 mm连续级配的石英砂(石灰岩),其性能指标检测按照《建设用砂》(GB/T 14684-2011)进行,见表2。

表2 砂的技术指标表

外加剂:苏博特降粘聚羧酸高性能减水剂,含固量为19%,减水率为27%,扩展度为27 mm,均合格。

1.1.2 配合比设计

为开展不同水胶比对超高性能混凝土工作性能和力学性能的相关试验研究,本研究采用4种不同的水胶比,分别为0.14、0.16、0.18和0.2,设计了4组不同水胶比混凝土。各不同水胶比混凝土配合比设计见表3。水泥:硅灰:矿渣的质量比为1∶0.25∶0.1,砂胶比为1.1,减水剂掺量为2%,钢纤维掺量(体积掺量)为2%。参照《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》(GB/T 50080-2016)制备混凝土试件。

表3 超高性能混凝土配合比设计表

1.2 试验方法

为分析不同水胶比对混凝土工作性能和力学性能的影响规律,按照《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》(GB/T 50080-2016)开展混凝土坍落扩展度试验;按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)开展混凝土3 d、7 d和28 d抗压强度、抗折强度试验;到达养护龄期后,采用液压式混凝土压力试验机和WE-600B型数显万能试验机进行混凝土抗压强度和抗折强度试验。

2 结果与分析

2.1 超高性能混凝土工作性能

图1为不同水胶比对混凝土扩展度的影响曲线。从图1可以看出,随着水胶比不断提高,混凝土的流动扩展度呈现不断提高的趋势。当水胶比为0.14时,混凝土的扩展度为510 mm,新拌混凝土的拌和物相对比较粘稠,需要延长振动的时间才能密实成型;当水胶比为0.16时,新拌混凝土拌和物的流动扩展度达到550 mm;当水胶比增大至0.18时,流动扩展度达到670 mm;当水胶比为0.20时,坍落扩展度达到710 mm,流动性极佳,但其粘聚性和保水性比较差。

图1 不同水胶比对混凝土扩展度的影响曲线图

混凝土的水胶比是影响其工作性、粘聚性的一个重要因素,水胶比大小对混凝土的强度和流动性均有直接的影响。当混凝土的水胶比过高,水泥浆体之间水分过多,降低了浆体的稠度,会导致粘聚性较差,发生泌水离析等问题。然而当水胶比过低时,浆体的浓度较大,虽然其保水性和粘聚性较好,但浆体之间的黏度大,不易流动,因此工作性能差。而当水胶比为0.16～0.18时,混凝土拌和物的水泥浆体保水性和粘聚性极优,能有效包裹住砂石骨料,从而拥有着较好的流动性。在混凝土浇筑振捣过程中,存在于浆体与骨料之间的气泡容易从四周溢出,提升了混凝土的密实度。为了有效控制混凝土现场施工的流动性、粘聚性和保水性,水胶比宜控制在0.16～0.18。

2.2 超高性能混凝土力学性能

下页图2和图3是不同水胶比对混凝土不同龄期的抗压及抗折强度的影响规律柱状图。由图2可以看出,抗压强度随着水胶比的增大呈现先提升后降低的趋势。当水胶比为0.18时,混凝土的3 d、7 d和28 d的抗压强度为最优,分别为122 MPa、140 MPa和144 MPa。随着水胶比增大至0.20,混凝土抗压强度呈现降低的变化规律,相比于0.18水胶比,其3 d、7 d和28 d抗压强度分别降低了29.5%、35.7%和33.3%。由于超高性能混凝土水胶比较低(0.14),水泥浆体之间水分较少,浆体与骨料之间较为干稠,流动性较差,需要增加成型振捣的时间才能实现浆体密实,当水胶比为0.18,混凝土拌和物流动性、保水性、和易性均达到极佳,能有效清除存在于浆体骨料之间的气泡,使超高性能混凝土含气量下降,结构更密实,抗压强度得到提升。

图2 水胶比对混凝土抗压强度影响柱状图

图3 水胶比对混凝土抗折强度影响柱状图

由图3可以看出,当超高性能混凝土养护龄期为3 d时,随着水胶比的增大,超高性能混凝土的抗折强度不断降低。当水胶比为0.14时,混凝土的3 d抗折强度最高,为17 MPa。随着养护龄期增大至7 d和28 d,混凝土抗折强度随着水胶比的增大呈现先提高后降低的趋势,当水胶比为0.16时,超高性能混凝土的7 d和28 d抗折强度最高,分别为21.3 MPa和23.2 MPa。随着水胶比不断增大,7 d和28 d抗折强度则呈现降低的趋势。水胶比为0.20时的超高性能混凝土7 d和28 d抗折强度分别为15.2 MPa和16 MPa,相比于0.16水胶比时分别降低了40.13%和31.03%。这说明提高水胶比在改善超高性能混凝土拌和物流动性的同时,也降低了超高性能混凝土的抗折强度。

2.3 修复材料实际工程应用

荔江中桥、金雷小桥位于广西桂林荔浦市境内,属于G323国道瑞清线的一部分,起点为江西瑞金,终点为云南临沧清水河口岸,经过江西、广东、广西和云南4个省(区)。荔江桥中心桩号为K854+169,全长66.94 m;金雷桥中心桩号为K846+118,全长12.7 m,均属于梁式桥结构。由于两座桥梁均因其桥梁伸缩缝止水带被汽车反复碾压导致破损、泥土进入导致堵塞问题严重,已不能满足使用的需求,严重影响交通安全,现进行伸缩缝病害处治工作。

将本研究成果作为桥梁伸缩缝锚固区加固材料应用于该处治工程,采用室内机器将其按照S3组别的配合比设计成预混干粉,配合比设计见表4。运至施工现场按照水胶比为0.18加水搅拌使用即可。

表4 桥梁伸缩缝锚固区修复材料预制配合比设计表

通过项目组研发的超高性能混凝土材料进行现场工程应用,对修复材料性能进行现场测试(见表5),其扩展度达到650 mm,浇筑施工前自流动状态良好,在施工过程中达到自流动自密实的效果,28 d抗压强度达到127 MPa,满足设计要求。由此得到以下结论:(1)超高性能混凝土材料搅拌无须增加新设备,相较于C50混凝土,易搅拌且现场施工效率高;(2)新拌超高性能混凝土浆体工作性良好,能达到自密实混凝土效果;(3)养护24 h即达到设计可开放交通强度等级,相较于C50商品混凝土需3 d才能开放交通,大大缩短了道路养护施工开放交通的时间,提高了养护工程的质量。

表5 现场性能测试结果表

3 结语

本文通过开展不同水胶比超高性能混凝土坍落度测试和抗压抗折测试,评价水胶比对超高性能混凝土的工作性能和力学性能的影响规律,并将研发的超高性能混凝土作为修复材料用于桥梁伸缩缝病害处治中,得到以下结论:

(1)随着水胶比的增大,超高性能混凝土的流动扩展度呈现不断提高的趋势。当水胶比为0.18时,流动扩展度达到670 mm;当水胶比为0.20时,流动扩展度达到710 mm,流动性极佳,但其粘聚性和保水性比较差。因此,超高性能混凝土的水胶比应控制在0.16～0.18。

(2)超高性能混凝土的抗压强度随着水胶比的增大呈现先提高后降低的趋势。当水胶比为0.18时,3 d、7 d和28 d的抗压强度为最大,分别为122 MPa、140 MPa和144 MPa。当养护龄期为3 d时,随着水胶比的增大,超高性能混凝土的抗折强度不断降低。养护龄期增大至7 d和28 d时,抗折强度随着水胶比的增大呈现先提高后降低的趋势,当水胶比为0.16时,7 d和28 d抗折强度最高,分别为21.3 MPa和23.2 MPa。综合流动性及强度考虑,超高性能混凝土水胶比宜取0.18。

(3)将S3组的超高性能混凝土(水胶比为0.18,胶砂比为1.1,水泥∶硅灰∶矿渣为1∶0.25∶0.1,减水剂掺量为2%,钢纤维体积掺量为2%)作为桥梁伸缩缝修复材料应用于荔江中桥和金雷小桥的病害处治中,应用效果良好,有利于缩短道路养护施工开放交通的时间,提高了养护工程的质量。