云蒙山特大桥聚丙烯纤维混凝土力学性能指标及其相关性研究*

吴伟军

(上海公路桥梁(集团)有限公司,上海 200433)

本文以云蒙山特大桥主桥箱梁C55聚丙烯纤维混凝土为研究对象,开展材料力学性能与机理研究,提出聚丙烯纤维混凝土施加预应力的龄期建议,根据试验结果建立力学指标的定量关系。

1 工程概况

S317线云蒙山特大桥长581.5m,主桥跨越水库大坝,采用预应力混凝土变截面箱梁连续刚构,跨径95m+175m+95m,边中跨比0.543(见图1)。主梁采用单箱单室直腹板变截面预应力混凝土连续箱梁(见图2),箱梁根部截面梁高11.2m,为主跨跨径的1/15.6,跨中截面梁高5m,为主跨跨径的1/35, 主桥箱梁采用C55聚丙烯纤维混凝土。

图1 云蒙山特大桥效果

图2 主桥箱梁

2 试验概况

2.1 原材料

试验采用P·O42.5普通硅酸盐水泥,比表面积为362m2/kg,密度为3.02g/cm3,初凝时间187min,终凝时间245min,3d抗压强度26.8MPa,28d抗压强度46.7MPa,3d抗折强度5.9MPa,28d抗折强度7.8MPa;细骨料为天然中砂,细度模数为2.66,表观密度为2.620g/cm3;粗骨料为5～20mm连续级配碎石,表观密度为2.778g/cm3;掺合料采用F类Ⅱ级粉煤灰和晋钢S95级矿粉;水为普通自来水,符合国家标准;外加剂采用JL-7型聚羧酸高性能减水剂,减水率28%;采用的聚丙烯纤维主要性能指标为:直径36μm,长度12mm,抗拉强度599MPa,弹性模量4 290MPa,极限伸长率30.5%,密度9.1g/cm3,熔点169℃(见图3)。

2.2 配合比设计

混凝土配合比设计过程中,主要考虑水胶比及砂率对混凝土的影响,在用水量、聚丙烯纤维掺量不变(即均为0.8kg/m3)的情况下进行试配试验,C55聚丙烯纤维混凝土配合比如表1所示。根据试配结果,基准配合比A1拌合物和易性最佳,且28d抗压强度亦满足设计要求。综合考虑混凝土和易性、经济型、耐久性,确定A1为最终配合比。

表1 聚丙烯纤维混凝土配合比设计

2.3 试验方法

混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度及静弹性模量试验参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》,抗压强度和劈裂抗拉强度试件尺寸为100mm×100mm×100mm,抗折强度试件尺寸为150mm×150mm×550mm,静弹性模量试件尺寸为150mm×150mm×300mm,采用YAW-3000型压力试验机;动弹性模量试验参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》,试件尺寸为100mm×100mm×400mm,采用DT-W18型混凝土动弹性模量测定仪。SEM扫描电镜试验是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观形貌观察手段,可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像,采用日立-S4800型号的高分辨率冷场发射扫描式电子显微镜。MIP压汞试验通过汞进入孔中的量与不断增长的进汞压力间的关系可得出样品的微观孔结构,采用AutoPore IV 9500型压汞仪。

3 试验结果及分析

3.1 聚丙烯纤维混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度

C55聚丙烯纤维混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度测试结果如表2所示。由表2可知,C55聚丙烯纤维混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度随龄期的增加而稳定增长。3d,7d抗压强度分别达到设计强度的103.5%,114.2%;虽然混凝土轴心抗拉强度能直观反映混凝土的抗拉性能,但试验操作不便,且劈裂抗拉强度也可较好地反映混凝土的抗拉强度。将劈裂抗拉强度与轴心抗拉强度设计值进行对比后得出,混凝土3d,7d劈裂抗拉强度分别达到轴心抗拉强度设计值的104.0%,120.4%。满足GB 50666—2011《混凝土结构工程施工规范》中强度不应低于设计强度的75%和该桥设计要求中强度不应低于设计强度的90%施加预应力的要求。试验得出,混凝土28d抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度分别达到设计值的130.7%,151.5%,124.6%,力学性能表现优异。龄期28d混凝土的SEM试验和MIP试验结果分别如图4,5所示。

表2 抗压强度、劈裂抗拉强度试验结果

图4 28d龄期混凝土SEM微观图像

由图4可看出,龄期28d混凝土中的水泥石与骨料结合紧密,组织结构完整,聚丙烯纤维与水泥浆体间的结构紧密,无微裂缝产生,可观察到大量无定型C-S-H凝胶,活性矿物掺合料的火山灰效应大量消耗Ca(OH)2,进一步优化了混凝土的微观结构。由图5可见,28d龄期时,聚丙烯纤维混凝土试样总孔隙率为4.67%。孔径分布在20～100nm的孔隙组分较密集。根据混凝土孔径分类,20～100nm为少害孔,MIP试验表明,混凝土微观结构致密,孔隙结构较好。随着龄期增加,水化反应将进一步发展,混凝土孔隙结构也将进一步得到优化。

图5 28d龄期混凝土孔径含量分布曲线

从微观试验结果可看出,混凝土中水泥石与骨料结合紧密,组织结构完整,孔隙率较低且孔径分布较好,因此C55聚丙烯纤维混凝土表现出优异的力学性能。

3.2 聚丙烯纤维混凝土动、静弹性模量

实际工程中,混凝土强度与弹性模量增长并不同步,常出现混凝土强度达到预应力张拉的要求,而弹性模量却因达不到要求而无法进行张拉的情况。因此,本文通过弹性模量试验,结合规范要求,分析了弹性模量对聚丙烯纤维混凝土预应力张拉时间的影响,提出了能满足实际施工要求的张拉时间。C55聚丙烯纤维混凝土动、静弹性模量测试结果如表3所示。由表3可知,聚丙烯纤维混凝土的动、静弹性模量在早期都呈现快速增长趋势,5d动弹性模量为28d的87.7%,5d静弹性模量为28d的83.2%,满足施工要求中弹性模量达到混凝土28d弹性模量的80%允许施加预应力的要求。JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》规定:在收缩和徐变初期的混凝土上施加预应力时,会导致预应力损失较大,使混凝土产生微裂缝,进而导致构件的抗裂性能降低,并建议“对混凝土施加预应力应至少具备5～7d的龄期”。由于聚丙烯纤维混凝土的早期抗裂性能优异,同时根据混凝土抗压强度与劈裂抗拉强度的试验结果,聚丙烯纤维混凝土的预应力施加可考虑在龄期5d时进行。

表3 动、静弹性模量试验结果

3.3 抗压强度与劈裂抗拉强度及静弹性模量的相关性

聚丙烯纤维混凝土抗压强度fcu与劈裂抗拉强度fts关系曲线如图6所示,聚丙烯纤维混凝土抗压强度fcu与静弹性模量Ec关系曲线如图7所示,聚丙烯纤维混凝土抗压强度fcu与抗折强度ft关系曲线如图8所示。由图6～8可知,聚丙烯纤维混凝土劈裂抗拉强度与立方体抗压强度、静弹性模量与立方体抗压强度、抗折强度与立方体抗压强度都具有良好的线性正相关关系。抗压强度不仅是反映混凝土质量的综合指标且检测易于操作,在实际工程中,预先建立混凝土抗压强度与劈裂抗拉强度及静弹性模量相关关系,通过混凝土的抗压强度检测结果可间接得到混凝土的劈裂抗拉强度和静弹性模量,从而掌握混凝土的抗拉性能及变化规律,同时还能及时了解混凝土结构的刚度变化情况。

图7 抗压强度与静弹性模量关系曲线

图8 抗压强度与抗折强度关系曲线

3.4 动、静弹性模量的相关性

聚丙烯纤维混凝土动弹性模量Ed与静弹性模量Ec关系曲线如图9所示。由图9可知,同一龄期时,聚丙烯纤维混凝土的动弹性模量大于静弹性模量。一方面是因为混凝土试件在测量动、静弹性模量时的应力-应变条件不同,另一方面混凝土试件中的微小裂缝对动弹性模量的测定影响较小。聚丙烯纤维混凝土的动、静弹性模量具有良好的二次多项式正相关关系。工程中为获取结构静弹性模量,需对结构钻芯取样,但会对结构物造成损伤,所以在实际工程中应尽量避免。而动弹性模量则可通过无损检测方法获取,操作简便、测量连续且避免了结构损伤。因此,可通过二者的相关关系,基于混凝土动弹性模量实测值间接掌握混凝土静弹性模量的发展规律,从而为工程施工提供技术依据。

4 结语

1)聚丙烯纤维混凝土3d,7d抗压强度分别达到设计强度的103.5%,114.2%,3d,7d的劈裂抗拉强度分别达到轴心抗拉设计强度的104.0%,120.4%,均满足施加预应力要求。28d抗压、抗折强度与劈裂抗拉强度性能十分优异,微观试验结果与力学性能测试结果一致。

2)聚丙烯纤维混凝土5d动弹性模量为28d的87.7%,5d静弹性模量为28d的83.2%。考虑到聚丙烯纤维混凝土的抗裂性能优异,对混凝土施加预应力可考虑在龄期5d时进行。

3)聚丙烯纤维混凝土力学性能指标间具有良好相关性。其中,聚丙烯纤维混凝土劈裂抗拉强度与立方体抗压强度、静弹性模量与立方体抗压强度、抗折强度与立方体抗压强度都具有良好的线性正相关关系,混凝土的动、静弹性模量具有良好的二次多项式正相关关系。