新型輕質(zhì)橋面混凝土的研究與應(yīng)用

摘 要： 為減輕橋梁自重， 提高橋梁的承載能力， 延長(zhǎng)橋梁使用壽命， 文中根據(jù)舊橋改造的需要， 提出橋面混凝土材料的設(shè)計(jì)思想， 利用輕集料為主要原料研制出LC30～LC50 新型輕質(zhì)橋面混凝土， 對(duì)其容重、工作性能、力學(xué)性能、干縮性能和抗?jié)B性能進(jìn)行了研究。研究開發(fā)出的新型輕質(zhì)橋面混凝土在湖北宜昌遠(yuǎn)安—當(dāng)陽(yáng)一級(jí)公路等重點(diǎn)工程得到成功應(yīng)用。本項(xiàng)研究為我國(guó)大量的舊橋改造提供了一條新的技術(shù)途徑和方法。

關(guān)鍵詞： 輕集料； 輕質(zhì)混凝土；舊橋改造；橋面混凝土

　　長(zhǎng)期以來， 舊橋面改造主要使用容重為2500kg/ m3 左右的普通密度混凝土， 由于舊橋的承載能力已有所下降， 使用自重較大的普通混凝土勢(shì)必會(huì)影響橋梁的通行能力和使用壽命， 有時(shí)為了提高行車舒適性和增加路面美觀， 還往往在橋面加鋪厚度為4cm 左右的瀝青面層， 這將使橋面自重增加， 從而降低橋梁的承載能力和減少使用年限。輕質(zhì)橋面混凝土是由輕集料、水泥等原料配制而成的容重小于1950kg/ m3 的混凝土。相比普通密度混凝土， 它能夠在保持較高強(qiáng)度的前提下自重降低20 %～25 % ， 并且具有較高的耐久性， 顯然這種材料在舊橋改造工程無疑具有十分廣闊的應(yīng)用前景。然而， 我國(guó)對(duì)于輕質(zhì)混凝土的相關(guān)研究比較落后， 尤其是輕質(zhì)混凝土強(qiáng)度較低、工作性較差、收縮大等應(yīng)用技術(shù)難題還沒有得到較好的解決， 因此開展高性能輕質(zhì)混凝土的研究， 并將其應(yīng)用于舊橋改造工程具有十分重要的意義。

1 　原材料及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 　原材料

水泥： 堡壘牌4215 級(jí)普通硅酸鹽水泥， 比表面積360m2/ kg。

粉煤灰： Ⅱ級(jí)粉煤灰， 比表面積為380m2/ kg ， 需水量比95 %。

硅灰： 密度212g/ cm3 ， 平均粒徑為0118μm ， 比表面積20000m2/ kg。

輕集料： 800 級(jí)高強(qiáng)碎石形頁(yè)巖陶粒， 吸水率4.2 % ， 筒壓強(qiáng)度618MPa 。

外加劑： 高效保塑減水劑A。

細(xì)集料： 中粗河砂， 細(xì)度模數(shù)為217～218 ， 含泥量小于1 %。

纖維： 分別采用鋼纖維、聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維三種纖維， 它們的物理力學(xué)性能見表1。

1.2 　實(shí)驗(yàn)方法

(1) 混凝土收縮實(shí)驗(yàn)方法

    實(shí)驗(yàn)中每組混凝土成型3 個(gè)100mm ×100mm × 300mm的試樣， 試件兩端預(yù)埋可拆卸式銅探頭。成型1d 后拆模并將試樣置于(20 ±3) ℃，相對(duì)濕度為(60 ± 5) %的養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。采用外徑千分尺分別測(cè)定試件在1、3、7、14 、28 、60 、90 、180d 齡期時(shí)混凝土的收縮值， 精確度為0101mm[1 ] 。

(2) 混凝土滲透性測(cè)試方法

    快速氯離子滲透實(shí)驗(yàn)按照ASTMC1202O97 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行， 測(cè)定試樣在60V 電壓、6h 內(nèi)通過的電量， 并計(jì)算混凝土的氯離子滲透系數(shù)[2 ] 。溶液氣壓法實(shí)驗(yàn)所用混凝土試件尺寸為100mm ×100mm ×100mm ， 加壓到1.2MPa ， 然后測(cè)試混凝土的滲透深度[3 ] 。

2 　結(jié)果與討論

2.1 　輕質(zhì)橋面混凝土設(shè)計(jì)

    在對(duì)舊橋進(jìn)行改造時(shí)， 使用輕質(zhì)混凝土進(jìn)行橋面鋪裝可降低橋梁靜載; 在保持橋梁基本不變的情況下還可增加橋面鋪裝層厚度， 進(jìn)而提高橋面的耐久性; 或者可以增加瀝青面層厚度， 提高瀝青面層防止反射裂縫的能力。除了使用密度較小的輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土之外， 舊橋橋面改造還應(yīng)遵循以下原則： 首先， 橋面混凝土具有較小的收縮， 體積穩(wěn)定、抗裂性好， 以防止在瀝青面層產(chǎn)生反射裂縫。其次， 橋面混凝土具有高耐久性， 尤其是高抗?jié)B性。以防止水滲至橋梁的下部結(jié)構(gòu)， 導(dǎo)致混凝土中鋼筋銹蝕， 降低橋梁使用壽命。根據(jù)以上用于舊橋改造橋面混凝土設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想，確定使用800 級(jí)高強(qiáng)頁(yè)巖陶粒，通過對(duì)組成材料配比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高橋面混凝土的物理力學(xué)性能和耐久性，輕質(zhì)橋面混凝土的配比設(shè)計(jì)方案見表2。

　　注： 0 # 是普通密度混凝土；8 # 摻加杜拉纖維；9 # 摻加聚丙烯腈纖維；10 # 摻加鋼纖維。

2.2 　輕質(zhì)橋面混凝土的性能

2.2.1 　物理力學(xué)性能

    對(duì)表2 中各組混凝土的工作性能、物理力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究， 結(jié)果見表3。

    0 # 普通混凝土的容重為2 350kg/ m3 ， 1 # ～10 # 輕集料混凝土的濕密度為1 930～2 005kg/ m3 ， 比普通混凝土容重降低了約20 %以上。在強(qiáng)度方面， 輕集料混凝土具有早期強(qiáng)度發(fā)展快的特點(diǎn)， 其7d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到了28d 抗壓強(qiáng)度的80 %以上， 輕集料混凝土的這個(gè)特點(diǎn)對(duì)于加快施工進(jìn)度， 縮短工程建設(shè)周期具有重要的意義。

    在工作性方面， 未摻加輔助膠凝材料的1 # 基準(zhǔn)輕集料混凝土的流動(dòng)性和穩(wěn)定性一般， 輕集料在混凝土拌和過程中有輕微上浮現(xiàn)象。但這一問題在摻加粉煤灰或硅灰之后得到了顯著改善， 如摻加10 %～ 20 %的粉煤灰或10 %的硅灰， 輕集料混凝土的流動(dòng)性和穩(wěn)定性都有顯著的提高， 其中微觀形態(tài)呈球狀的粉煤灰具有潤(rùn)滑作用， 有利于提高輕集料混凝土的流動(dòng)性。硅灰的加入， 能夠顯著提高混凝土結(jié)構(gòu)粘度， 從而起到抑制輕集料上浮的作用。通過復(fù)合使用粉煤灰和硅灰， 利用其復(fù)合疊加效應(yīng)， 不僅使混凝土(4 # 、5 # 、6 # ) 具有良好的流動(dòng)性， 而且還保持較高的穩(wěn)定性。并且在工作性能得到保證的同時(shí)， 其力學(xué)性能也有顯著的提高。

    摻加纖維的8 # 、9 # 和10 # 混凝土， 其28d 抗壓強(qiáng)度雖有一定的增加， 但增加幅度較小， 說明纖維的加入對(duì)于混凝土的強(qiáng)度沒有顯著的影響， 但各組混凝土的流動(dòng)性降低較為明顯。摻加鋼纖維的10 # 混凝土的容重相對(duì)于基準(zhǔn)混凝土增加了50kg/ m3 以上。而摻加聚丙烯和聚丙烯腈纖維的8 # 、9 # 混凝土的容重變化不大。

2.2.2          干縮性能

                                          圖1 　纖維對(duì)輕集料混凝土收縮的影響

    圖1 中8 # 、9 # 分別摻加了1kg/ m3 的杜拉和德蘭尼特纖維， 10 # 摻加了體積摻量為112 %的鋼纖維。同鋼纖維相比， 聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維的細(xì)度大得多， 在較小摻量下就有很多的纖維根數(shù)， 數(shù)量可達(dá)到700～3 000 萬根/ kg ， 這類纖維具備較強(qiáng)地抑制塑性開裂的能力， 由圖1 可見， 摻加纖維能夠顯著地降低輕集料混凝土的收縮率， 尤其是早期收縮率。但兩種纖維對(duì)于降低輕集料混凝土長(zhǎng)期收縮的作用效果不同， 其中， 聚丙烯纖維彈性模量比較小， 對(duì)減小混凝土長(zhǎng)期收縮的作用效果不明顯， 如8 # 混凝土的180d 收縮依然達(dá)到了400 ×10 - 6 。而高彈性模量的德蘭尼特纖維降低收縮的作用相當(dāng)明顯， 9 # 混凝土的180d 收縮率為290 ×10 ^{- 6} 。鋼纖維降低輕集料混凝土收縮的作用則更加明顯， 其180d 收縮率僅為240 × 10 ^{- 6} 。該試驗(yàn)結(jié)果說明使用聚丙烯腈類纖維將可以在不增加混凝土的容重的同時(shí)， 顯著地降低混凝土的收縮。并且研究表明[4 ] ， 纖維還能夠提高輕集料混凝土的斷裂韌性， 高韌性對(duì)于提高橋面混凝土的耐久也具有非常重要的作用。

2.2.3 　抗?jié)B性能

    如表4 所示， 混凝土的導(dǎo)電量越高、滲水高度越大， 其抗?jié)B性越低。由表可見， 兩種實(shí)驗(yàn)方法得到的結(jié)果具有一致的規(guī)律。比較表4 中0 # 和1 # 試樣的強(qiáng)度和導(dǎo)電量可知， 在相同強(qiáng)度等級(jí)條件下， 輕集料混凝土的滲透性大于普通混凝土。對(duì)比1 # 、2 # 、3 # 、4 # 試樣的氯離子滲透系數(shù)和滲水高度可以發(fā)現(xiàn)， 摻加粉煤灰和硅灰能夠顯著提高輕集料混凝土的抗?jié)B性， 其中以單摻硅灰的作用最明顯， 如7 # 混凝土的氯離子滲透系數(shù)僅為4.6 ×10 - 9cm2/ s ， 滲水高度僅10.1mm。復(fù)合摻加10 %的粉煤灰和5 %的硅灰降低混凝土滲透性的作用效果非常突出， 5 # 試樣的滲透系數(shù)僅為4.9 ×10 ^{- 9}cm2/ s。

                                          表4 　混凝土的配合比與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 　工程應(yīng)用及跟蹤調(diào)查情況

    文獻(xiàn)[5 ] 已介紹了LC40 泵送纖維增強(qiáng)輕集料混凝土在京珠高速公路蔡甸漢江大橋橋面的應(yīng)用情況。2003 年4～8 月， 湖北遠(yuǎn)安至當(dāng)陽(yáng)國(guó)防公路兩座舊橋橋面改造又分別使用了LC30 高性能輕質(zhì)橋面混凝土。其中三道河橋總長(zhǎng)4314m ， 結(jié)構(gòu)型式為1316m + 1316m + 1316m; 魏家崗橋總長(zhǎng)3516m ， 結(jié)構(gòu)型式為1316m + 618m + 1316m。以上兩座橋梁原橋面多年失修， 破壞嚴(yán)重。橋面改造通過使用近1000m3 的LC30 輕質(zhì)混凝土， 由于大大降低了橋梁靜載， 提高了橋梁承受動(dòng)載的能力， 因而不需要對(duì)其進(jìn)行基礎(chǔ)加固， 節(jié)約了橋梁加固費(fèi)用。混凝土的坍落度控制在8～12cm ， 橋面鋪裝厚度為8～10cm。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)， 工程應(yīng)用情況良好， 并且新型輕質(zhì)橋面混凝土呈現(xiàn)出較好的耐磨性， 其表面磨損情況甚至好于橋兩端普通水泥混凝土路面， 應(yīng)用取得了顯著的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。

3 　結(jié)論

(1) 提出用于舊橋改造橋面混凝土的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想，要求橋面混凝土具有容重小、高強(qiáng)、干縮小和抗?jié)B性好， 施工性能好的特點(diǎn)。

(2) 研制開發(fā)出強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到LC50 高性能輕質(zhì)橋面混凝土， 該材料具有不離析、不泌水， 初始坍落度大于18cm、擴(kuò)展度高于50cm ， 抗?jié)B性能好、收縮小的特點(diǎn)。

(3) LC30～LC40 高性能輕質(zhì)橋面混凝土成功應(yīng)用于京珠高速公路蔡甸漢江大橋和湖北遠(yuǎn)安至當(dāng)陽(yáng)一級(jí)公路橋， 取得了顯著的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。

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