混合梁斜拉桥UHPC钢-混结合段的性能研究_李世华.pdf

0引言目前，国内外已建成的混合梁斜拉桥中的钢-混结合段大多采用普通混凝土进行灌注1-3，且结合段内通常存在开裂、脱空等问题，这对结构的受力和耐久性能不利4。结合段灌注混凝土作为钢-混结合段的关键组成部分，应具备以下基本性能：黏度低，流动性好，易于浇筑施工；收缩小，能有效保证钢格室与混凝土之间的结合；刚度大，韧性好，疲劳强度高，保证钢梁与混凝土之间的力学性能相匹配。超高性能混凝土（以下简称UHPC）是基于最紧密堆积理论设计的，具有水胶比较低、密实度较高、力学性能和耐久性能优异等特点5-6，能较好地满足混合梁斜拉桥钢-混结合段的需求。此外，养护制度对UHPC的收缩性能有较大影响，例如，黄政宇等7研究结果表明，UHPC一般在热养护1048 h基本不产生收缩；崔存森8研究结果表明，热养护可以有效抑制UHPC的徐变。目前，UHPC已被广泛应用于桥面铺装、结构加固等工程中，但关于其在混合梁斜拉桥钢-混结合段中的应用还较少，缺乏相关施工经验。为此，本文依托元江跨江大桥的钢-混结合段工程，采用UHPC作为结合段的灌注材料进行足尺节段模型试验，分析UHPC的工作性、力学性能和收缩性能，检测结合段的UHPC浇筑质量，总结UHPC钢-混结合段在施工中存在的问题，并提出相应的改善措施，以期为类似工程提供参考。混合梁斜拉桥 UHPC 钢-混结合段的性能研究李世华1，2，郑倩1，2，*，李章建1，2，张旭飞1，2，张家祥1，2（1.云南建投绿色高性能混凝土股份有限公司，云南 昆明650501；2.云南省高性能混凝土工程研究中心，云南 昆明650501）摘要：为了研究超高性能混凝土（UHPC）钢-混结合段在混合梁斜拉桥中应用的可行性，采用11节段模型进行了试验，研究了UHPC的工作性、力学性能和收缩性能，并对UHPC钢-混结合段的浇筑质量进行了检测。结果表明：UHPC的工作性、力学性能和收缩性能均满足工程相关要求；除了人为设置的脱空区域外，其他区域的UHPC与钢板之间结合紧密，且UHPC的表观质量良好。关键词：超高性能混凝土（UHPC）；性能分析；钢-混结合段；模型试验；浇筑质量中图分类号：U448.27文献标识码：Adoi:10.19761/j.1000-4637.2023.07.075.05Study on performance of UHPC steel-concrete joint section of hybrid girder cable-stayed bridgeLI Shihua1，2,ZHENG Qian1，2，*,LI Zhangjian1，2,ZHANG Xufei1，2,ZHANG Jiaxiang1，2(1.Yunnan Construction Investment Holding Green and High Performance Concrete Co.,Ltd.,Kunming 650501,China;2.Yunnan Engineering Research Center of High Performance Concrete,Kunming 650501,China)Abstract:In order to study the feasibility of applying Ultra-High Performance Concrete(UHPC)steel-concrete jointsection in hybrid girder cable-stayed bridge,a 1:1 segment model was used for experiments,and the workability,mechanical properties,and shrinkage performance of UHPC were studied,and the pouring quality of UHPC steel-concretejoint section was tested.The results show that the workability,mechanical properties,and shrinkage performance of UHPCmeet the relevant engineering requirements.Except for the manmade void areas,the UHPC in other areas is tightly bondedto the steel plate,and the apparent quality of the UHPC is good.Keywords:Ultra-High Performance Concrete(UHPC);Performance analysis;Steel-concrete joint section;Model test;Pouring quality基金项目：云南省交通运输厅科技项目（云交科教便202198号）。2023年第7期混 凝 土 与 水 泥 制 品2023 No.77月CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTSJuly75-图2自收缩试验Figure 2Autogenous shrinkage tests（a）波纹管法（b）电涡流非接触法1工程概况元江跨江大桥的钢-混结合段为有格室构造形式，依据承压板的位置，采用前承压板方式。钢-混结合段设置了上、下钢格室，钢格室内填充UHPC。该工程用UHPC的性能要求见表1。2试验概况2.1原材料及配合比水泥：PO 52.5级水泥，比表面积为384 m2/kg。硅灰：SiO2质量分数为94%。粉煤灰：级粉煤灰，需水量比为94%，烧失量为2.3%。石英砂：粒径为0.0751.250 mm，SiO2含量大于97%。钢纤维：长径比为65的直形镀铜钢纤维，抗拉强度2 000 MPa。膨胀剂：MgO膨胀剂，粉体。减水剂：聚羧酸高性能减水剂，粉体，减水率不小于30%。水：自来水。UHPC的配合比见表2。2.2钢-混结合段11节段模型2.2.1模型设计试验采用11钢格室足尺模型，钢板厚度为1 cm，钢格室内部埋设有应变传感器和温度传感器，在钢格室底板位置处设置泡沫块模拟浇筑脱空情况。钢格室足尺模型及脱空区域见图1。2.2.2UHPC浇筑模型的UHPC浇筑量约为14 m3，环境温度为27。UHPC搅拌工艺为：将水泥、硅灰、粉煤灰、钢纤维、膨胀剂和减水剂加入搅拌机中干拌30 s，之后在30 s内完成加水，湿拌5 min，待浆体流化后继续搅拌2 min结束。为保证后续浇筑施工的连续性，在浇筑前3 h开始备料。UHPC宜分层浇筑，每层浇筑高度不超过30 cm，每层浇筑振捣完成后静停2 min以充分排气，然后再浇筑上一层。UHPC浇筑完成后，立即对其表面进行喷雾，并覆盖薄膜和土工布养护。UHPC保湿养护时间不少于14 d。2.3试验及检测方法UHPC的工作性试验：按照GB/T 24192005水泥胶砂流动度测定方法进行。UHPC的力学性能试验：按照T/CBMF 372018超高性能混凝土基本性能与试验方法测试抗压、抗折和抗拉强度，其中，抗压试件尺寸为100 mm100 mm100 mm，抗折试件尺寸为100 mm100 mm400 mm，抗拉试件测量标距点之间的距离为100 mm、厚度为50 mm；按照T/CECS 8642021超高性能混凝土试验方法标准进行弹性模量试验，试件尺寸为100 mm100 mm300 mm。根据GB 502042015混凝土结构工程施工质量验收规范规定，本试验采用标准养护、与工程现场同条件养护两种养护方式，其中，标准养护试件用于合格性检验评定，同条件养护试件用于反映UHPC构件的现场强度。UHPC的自收缩性能试验：按照GB/T 500822009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准，采用波纹管法和电涡流非接触法测量自收缩（见图2），保证试验温度与现场温度相当，其中，波纹管法测试试件总标距长为540 mm，电涡流非接触法测试试件尺寸为100 mm100 mm515 mm。UHPC的干燥收缩 性能试验：按 照T/CECS8642021中的接触法进行（见图3），试件尺寸为100 mm100 mm515 mm。UHPC足尺试件的收缩测试：通过埋设在钢格表2UHPC的配合比Table 2Mix proportion of UHPC表1UHPC的工程要求Table 1Engineering requirements of UHPC图1钢格室结构Figure 1Steel latticed chamber structure抗压强度/MPa抗折强度/MPa抗拉强度/MPa弹性模量/GPa初始扩展度/mm2 h扩展度损失/mm3 d自收缩28 d干燥收缩120 20540650100800300水泥 硅灰 粉煤灰石英砂 钢纤维膨胀剂减水剂水7701651651 000156448.8187kg/m3注：力学性能为标准养护28 d时的测试结果。（a）足尺模型（b）脱空区域脱空区域测区2023年第7期混凝土与水泥制品总第327期76-注：力学性能为28 d测试结果。图3干燥收缩试验Figure 3Drying shrinkage tests表3UHPC的工作性和力学性能Table 3Workability and mechanical properties of UHPC养护条件扩展度/mm抗压强度/MPa抗折强度/MPa抗拉强度/MPa弹性模量/GPa初始3 h标准养护同条件养护770770700700126.4132.924.124.98.28.660.761.54003002001000自收缩率020406080100120时间/h波纹管法试件非接触法试件足尺试件图4UHPC的自收缩率试验结果Figure 4Autogenous shrinkage rates of UHPC室内部的应变传感器对UHPC的收缩进行监测。UHPC足尺试件的内部温度测试：通过埋设在钢格室内部的温度传感器对UHPC的内部温度进行监测。在钢格室底板、顶板处布置测温点，在钢格室上部、中部（芯部）、下部各布置一个测温探头，采用无线测温仪实时监测浇筑后UHPC的表面与芯部温度，温度监测间隔时间为10 min。直到芯部温度与环境温度的温差低于25 时停止测温。UHPC足尺试件的浇筑质量检测：按照JGJ/T4112017冲击回波法检测混凝土缺陷技术规程和GB/T 503442019建筑结构检测技术标准进行。首先，用铁锤敲击构件不同部位进行初检，根据声音辨别内部浇筑质量（声音清脆、有回响处为疑似缺陷区域，声音浑浊沉闷处为完好区域），记录并分析不同位置的质量缺陷；然后，对预测缺陷和可疑区域采用冲击回波法检测浇筑脱空情况，完好区域也采用该方法进行检测。同时，钻取缺陷区域和完好区域的UHPC芯样，并割开钢板，观察UHPC的表观质量以及UHPC与钢板之间的脱空情况。3结果与分析3.1UHPC的工作性及力学性能UHPC的工作性及力学性能试验结果见表3。由表3可知，UHPC的工作性良好，初始扩展为770 mm，满足工程要求；3 h扩展度损失仅为70 mm，可满足提前3 h备料的施工要求。由表3还可知，相较于标准养护UHPC试件，与实体构件同条件养护的UHPC试件的28 d抗压、抗折和抗拉强度均较高，弹性模量也较高。原因为：同条件养护下的环境温度（27）高于标准养护温度，这在一定程度上加快了水泥水化，从而促进了UHPC强度的发展，使得同条件养护试件的28 d强度高于标准养护试件的28 d强度。此外，标准养护和同条件养护UHPC试件的力学性能指标均满足工程要求。3.2UHPC的收缩性能3.2.1UHPC的自收缩性能UHPC的自收缩率试验结果见图4。由图4可知，采用波纹管法测得的UHPC自收缩率在08 h内呈直线上升趋势，这是因为波纹管的管径较小，使得UHPC拌合物在搅拌