不同组成材料对预制桥面板接缝混凝土性能影响研究_张剑锋.pdf

总第3 1 6期交 通 科 技S e r i a lN o.3 1 6 2 0 2 3第1期T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&T e c h n o l o g yN o.1F e b.2 0 2 3D O I 1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 1-7 5 7 0.2 0 2 3.0 1.0 1 2收稿日期:2 0 2 2-1 0-0 8第一作者:张剑锋(1 9 9 3-),男,助理工程师,硕士。通信作者:唐志(1 9 8 4-),男,高级工程师,硕士。不同组成材料对预制桥面板接缝混凝土性能影响研究张剑锋 徐向东 唐 志 李金平 张 弢 李 龙(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 5 5 0 0 8 1)摘 要 为探究组成材料的不同对预制桥面板接缝混凝土性能的影响,文中从水泥、矿粉和粉煤灰的掺入量对桥面板接缝混凝土的抗折强度、黏结性能、抗冲击性能、抗裂性能、断裂韧性等性能的影响开展试验研究分析,并将试验结果进行量化分析。研究表明,配合比优化后混凝土的抗裂性能、抗压强度、断裂韧性和抗冲击性能均有所提升,且满足桥面板接缝混凝土的指标要求;混凝土2 8d断裂韧性提高了1 4%5 3%,2 8d抗冲击性能提高了-1 9%8 1%;掺入粉煤灰会降低混凝土的抗压强度;掺入矿粉对混凝土的各项性能均有所提升。关键词 预制桥面板 接缝混凝土 胶凝材料中图分类号 U 4 4 4 随着桥梁结构的发展,出现了越来越多的预制拼装构件。在预制构件拼装过程中需要处理接缝问题,一般采用现浇混凝土进行密封,但是由于部分混凝土接缝的受力性能复杂,需要高强度混凝土浇筑,特别是桥面板接缝混凝土,因此需要配置一种适用于桥面板接缝的高性能混凝土。对于桥面板接缝混凝土已经有相当多的研究,其中辅助性胶凝材料的掺入降低了混凝土的收缩开裂,并且提升了混凝土的韧性和抗冲击性能,掺入玄武岩纤维可提高混凝土的抗折强度1;粉煤灰和矿粉的掺入对混凝土的韧性、抗冲击性能均有所提高,使用粉煤灰代替水泥可提高混凝土的耐久性2-3;用棕榈纤维替代钢纤维可降低混凝土的密度,增强其韧性4;UH P C中的细孔数量对混凝土的自收缩率有很大影响,可相应减少材料的细孔来降低混凝土的自收缩5。上述文献研究均为胶凝材料对接缝混凝土的单一性能的影响研究,未见有同时开展胶凝材料对混凝土的多项性能和强度的研究,同时胶凝材料掺入量对混凝土性能的影响是近年来研究的热点。因此,本文基于上述研究,依托河南省焦作至平顶山高速公路主河槽大桥,开展不同材料的掺入对桥面板接缝混凝土各项性能的影响研究,探究不同组成材料对混凝土各项性能的影响,寻求适用于桥面板接缝的高性能混凝土配合比,为工程实施提供借鉴参考。1 材料及配合比设计1.1 原材料对于桥面板接缝混凝土的质量指标要求,国内各类标准中并没有进行明确的规定。查阅相关文献,根据预制桥面板接缝混凝土的相关技术要求,从结构受力和材料性能等角度进行考虑,要求配制的预制桥面板接缝混凝土在抗压性、抗折性、抗裂性、断裂韧性和抗冲击性能方面具有优异的性能,配制的高性能混凝土应达到以下要求。1)7d抗压强不小于5 0.0MP a,2 8d抗压强不小5 8.0MP a。2)2 8d混凝土抗折强度不小于8.0MP a。3)抗裂等级为中低开裂风险。4)抗冲击能力比普通钢纤维混凝土(0.6%掺量)提高3 0%以上。5)断裂韧性比普通钢纤维混凝土(0.6%掺量)提高3 0%以上。混凝土试验材料采用PO4 2.5水泥、矿粉、粉煤灰、碎石、机制砂、减水剂、P VA纤维、聚丙烯(P P)纤维、钢纤维。其中,根据文献6,对水泥进行了测试,结果显示水泥的3d强度为2 0.3 MP a,2 8d强度为5 9.6MP a,满足规范要求;根据文献7,对粉煤灰进行了测试,结果符合I I级粉煤灰的要求;根据文献8 对矿粉进行测试,结果显示符合S 9 5级矿粉的要求。1.2 混凝土配合比设计首先进行混凝土配合比设计,配合比见表1。其中胶凝材料组成设计见表2。原混凝土配合比编号为C,掺入胶凝材料的混凝土编号为C-1C-7,根据8组试验配合比测试混凝土的抗裂性能、抗压强度、抗折强度、断裂韧性及抗冲击性能。表1 混凝土性能测试配合比k g/m3编号水泥矿粉粉煤灰小石大石砂水减水剂P P纤维长钢纤维短钢纤维P VA纤维C4 7 5003 0 17 0 18 1 91 5 46.6 52.7 3000C-13 3 601 4 46 3 31 5 89 6 61 6 36.2 403 91 9.53.9C-23 3 61 4 40C-33 3 67 27 2C-44 0 87 20C-54 0 807 2C-63 8 44 84 8C-74 8 000表2 水泥-粉煤灰-矿渣胶凝材料组成设计%编号胶凝材料组成水泥粉煤灰矿粉11 0 00027 03 0037 003 048 501 558 51 5067 01 51 578 01 01 02 试验2.1 抗裂性混凝土抗裂性能试验采用A S TM C 1 5 8 1-0 49圆环法试验。当应变值出现突减时即认为是试件的开裂龄期,开裂龄期从浇注成型时算起,从应变-时间曲线很容易可以得到试件的开裂龄期。由开裂龄期tc r评价材料的抗开裂性能。开裂风险等级划分见表3。表3 开裂风险等级划分开裂时间tc r/d平均应力发展速率S/(MP ad-1)开裂风险等级 070.3 4高开裂风险 71 40.1 71 42 80.1 02 80.1 0低开裂风险 2.2 抗折强度混凝土抗折强度试验测试与抗压强度试验测试加载速率相同,直至试件破坏,并记录破坏荷载。2.3 断裂韧性为减小试验装置的支座与试件的摩擦给试验数据带来的误差,在混凝土断裂韧性试验前,以试件跨度为实验装置支座之间的距离,并在直接支撑试件圆轴和试件加载点的圆轴表面涂机油。加载采用位移控制,速率为0.1mm/m i n,数据的采集与荷载加载同步进行。2.4 抗压强度混凝土抗压强度试验过程中,荷载加载应均匀连续,并且加载速度控制在0.50.8 MP a/s,直至试件破坏,并记录破坏荷载。2.5 抗冲击性能混凝土的抗冲击性能测试采用A C I-5 4 4推荐的冲压冲击试验方法1 0,采用直径1 5 0mm、厚度为6 3mm的圆饼形试样,利用1.2m高处的冲击球(质量4.5k g)对试样进行冲击,记录试样表面出现初裂裂缝和破坏裂缝时的冲击次数。3 试验结果分析3.1 抗裂性能试验结果分析限于篇幅,本文仅给出C-1号圆环混凝土抗裂性应变值见图1。由图1可知,所测试的圆环混凝土试件在2 8d龄期内,其应变值未发现突变,说明混凝土配合比经设计优化后,对混凝土抗裂性能具有良好的效果。分析其原因认为主要是由于粉煤灰和矿粉的掺入增大了早期水化体系的有效水灰比,自由水分的增加,弥补了自收缩和表面塑性收缩,使早期混凝土体积变形得到了抑制,增强了整体结构的抗裂性。粉煤灰和矿粉的掺入可解决混凝土早期因自收缩较大而易导致开裂问题。65张剑锋等:不同组成材料对预制桥面板接缝混凝土性能影响研究2 0 2 3年第1期图1 C-1号圆环混凝土抗裂性应变值3.2 抗压强度试验结果分析根据优化后的混凝土配合比进行混凝土的抗压强度试验,经初步试验分析,得到混凝土7d和2 8d的抗压强度值,结果见表4。混凝土7d和2 8d抗压强度等值线图见图2和图3。表4 混凝土7d和2 8d抗压强度值龄期/d以下组别对应的抗压强度/MP aC-1C-2C-3C-4C-5C-6C-774 4.8 6 6 3.7 5 5 1.0 3 6 2.8 8 5 9.8 1 5 0.3 9 5 9.3 12 85 8.1 1 7 5.6 5 6 4.3 5 7 4.0 9 7 1.0 6 6 2.7 2 6 8.3 4图2 混凝土7d抗压强度等值线图图3 混凝土2 8d抗压强度等值线图由表4可知,配制的混凝土7d抗压强度在大多数胶凝材料区域均大于5 0MP a,2 8d抗压强度在所有胶凝材料区域均大于5 8 MP a,满足桥面板接缝混凝土性能指标要求,单掺3 0%矿粉(C-2)混凝土的抗压强度最大,单掺3 0%的粉煤灰(C-1)混凝土的抗压强度最小,说明矿粉的掺入比粉煤灰的掺入对混凝土的抗压强度更有利。从混凝土抗压强度等值线(见图2和图3)可以看出,随着单掺粉煤灰比例的增加,混凝土的抗压强度逐渐降低;随着单掺矿粉比例的增加,混凝土的抗压强度逐渐增大。由等值线图也可以看出混凝土7d和2 8d抗压强度在矿粉掺量为1 6%2 2%和粉煤灰掺量为1 8%2 3%时,等值线较为密集,说明此区域内,矿粉对混凝土抗压强度的增强影响较大,同时粉煤灰对混凝土抗压强度的降低作用影响也较大。3.3 抗折强度试验结果分析根据优化后的混凝土配合比进行混凝土的抗折强度试验,经初步试验分析,得到混凝土2 8d的抗折强度值见表5。混凝土2 8d抗压强度等值线图见图4。表5 混凝土2 8d抗折强值MP a组别1234567抗折强度1 6.0 1 1 4.4 3 1 7.6 9 1 4.1 3 7.5 6 1 6.1 31 6.6 5 由表5可知,配制的混凝土2 8d抗折强度在绝大部分胶凝材料区域均大于8MP a,满足桥面板接缝混凝土性能指标要求。由图4可见,当粉煤灰掺量为1 5%时,混凝土的抗折强度存在一个最低值,约为8M P a。当矿粉掺量为1 5%时,混凝土的抗折强度存在一个最高值,达到了1 8M P a。752 0 2 3年第1期张剑锋等:不同组成材料对预制桥面板接缝混凝土性能影响研究图4 混凝土抗折强度等值线图由等值线图还可以看出,粉煤灰的掺量在8%2 5%时,等值线较为密集,说明粉煤灰的掺入对混凝土抗折强度影响很大。且粉煤灰掺量在1 2%1 8%时,混凝土抗折强度值处于最低区域,说明此区域内胶凝材料的组成不利于混凝土的抗折强度。而矿粉掺量为8%2 3%时,混凝土抗折强度值处于最高区域,此区域内胶凝材料的组成有利于混凝土的抗折强度提高。由图4也可以看出,混凝土抗折强度随着粉煤灰掺量的增加先逐渐降低至最小(掺量为1 5%时),而后随粉煤灰掺量的增加混凝土的抗折强度也逐渐增加。而矿粉的掺入对混凝土抗折强度的作用效果与粉煤灰的掺入效果相反。3.4 断裂韧性试验结果分析根据优化后的混凝土配合比进行混凝土的断裂韧性试验,经初步试验分析,得到混凝土断裂时的最大荷载值,具体见表6,混凝土断裂韧性等值线图见图5。由表6可知,配制的混凝土2 8d断裂韧性荷载达到了81 4 6.9 51 08 7 6.5 4N,而工地实 验 室 配 合 比 制 备 的 混 凝 土 断 裂 韧 性 为71 3 0.2N,配制的混凝土断裂韧性荷载提高了1 4.3%5 2.5%,即配制的混凝土断裂韧性提高了1 4.3%5 2.5%,部分区域满足桥面板接缝混凝土性能指标要求。表6 混凝土断裂韧性最大荷载值组别断裂韧性(最大荷载)/N相较原始配比提高/%191 0 4.7 12 7.721 08 7 6.5 45 2.5395 6 4.1 33 4.1493 0 4.2 63 0.5581 4 6.9 51 4.3685 4 4.0 11 9.8788 8 0.0 52 4.5原始配比71 3 0.2图5 混凝土断裂韧性等值线图由表6还可以看出,复掺1 5%矿粉和1 5%粉煤灰对混凝土断裂韧性性能提升较单掺1 5%的矿粉效果更好。掺入钢纤维和P VA纤维(C-7)试验结果和原始配比相比提高了2 4.5%,说明纤维的掺入对混凝土的断裂韧性具有提升作用。由图5可见,随着矿粉掺量的增加,混凝土的断裂韧性最大破坏荷载逐渐增大,说明矿粉的加入对混凝土的断裂韧性有提升作用。粉煤灰的掺入整体上对混凝土的断裂韧性荷载影响不明显,在粉煤灰掺量为1 5%时,混凝土的断裂韧性荷载最小。矿粉对混凝土断裂韧性的影响程度比粉煤灰大。胶凝材料的掺入有利于提高混凝土的断裂韧性。3.5 抗冲击性能试验结果分析根据优化后