高性能混凝土性能及其在橋梁中的應用研究

王曉山

摘 要： 為在保證橋梁承載力和耐久性要求的前提下降低材料成本，本文選取強度等級為42.5級水泥，通過雙摻粉煤灰和礦粉的方式降低膠材用量，并加入聚羧酸減水劑來配置C50標號高性能橋用混凝土，室內試驗表明混凝土的各項指標均滿足實體工程要求。采用本文配合比所配置的混凝土制作了單梁，通過理論計算和現場靜載試驗對比了試驗梁控制截面處的應變和撓度，結果表明，該梁的實際承載力滿足設計要求。在靜載過程中對梁體裂縫情況進行了觀測，未見裂縫出現，表明該梁在抗裂性方面也滿足設計要求。

關鍵詞： 靜載試驗；高性能混凝土；單梁；應變；撓度

1、引言

高性能混凝土（High Performance Concrete-HPC）最早由美國于1980年代末1990年代初基于混凝土結構耐久性設計概念而提出的。高性能混凝土與普通混凝土相比有很多優勢，具有高耐久性、高工作性、高強度和高體積穩定性，而且可節約料源，保護環境，提高經濟效益和社會效益。高性能混凝土大量使用粉煤灰等礦物攙合料，不僅改善混凝土性能，而且利用了工業廢料，形成良好的生產循環。高性能混凝土的使用也是許多基礎設施耐久性設計中最為省力和投資最少的方法。

2、配合比及材料性能

本文采用原材料有水泥、粉煤灰、礦粉、細骨料、粗骨料和聚羧酸外加劑。對粉煤灰、礦粉、細骨料、粗骨料和聚羧酸外加劑等進行了試驗測定，各項指標均滿足公路橋梁規范要求。同時，對施工用水也按照技術要求進行了檢測，選取用水滿足混凝土拌合用水的技術要求。通過反復試配，本文確定高性能混凝土的配合比如表1所示。

通過室內試驗得到上述配合比下拌合物的性能，如表2所示。

經過不同齡期的抗壓試驗，確定了混凝土在不同齡期的抗壓強度，如表3所示。

表3表明，在28天以后混凝土的強度為58.9MPa，超過了預期設定的50MPa目標，而隨著齡期的發展，混凝土的強度得到進一步提高。

經過試驗確定了混凝土的彈性模量、凍融質量損失、凍融相對動彈模量和電通量等指標，如表4所示。

表4表明，本文所配的C50高性能混凝土的彈性模量、凍融質量損失，凍融相對動彈模量和電通量等指標均滿足技術要求。

3、單梁靜載試驗及分析

上述材料試驗結果表明，按照本文配制的高性能混凝土在工作性能、強度和耐久性方面均可滿足C50混凝土的要求。為進一步驗證所配制的混凝土能否滿足公路橋梁實體工程的要求，應用本文所配置的混凝土制作箱梁單梁進行靜載試驗，該試驗在某一級公路項目的橋梁施工現場進行。

3.1 橋梁基本概況

橋梁位于某一級公路處，設計汽車荷載等級為公路-Ⅰ級，橋面寬度為12.0m。該橋上部采用4-20m裝配式預應力混凝土連續箱梁，單梁單獨預制、簡支安裝、現澆連續接頭的先簡支后連續的結構體系，全幅4片主梁。

3.2試驗依據

本試驗按照《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）、《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）、《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）、和依托工程設計圖紙及施工資料等進行。

3.3 試驗內容

為了驗證本文所配置的C50高性能混凝土在橋梁工程中的適用性，通過靜載試驗驗證了預應力混凝土預制箱梁的實際承載能力、抗裂性能是否滿足設計要求。

3.4 試驗方法

（1）試驗荷載的確定

根據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）中的要求，并推廣應用到單片梁試驗，試驗荷載根據設計標準活荷載產生的最不利效應值和二期恒載產生的效應值按下式所定原則等效換算而得[見（JTG/T J21-2011-8.1.2靜力荷載試驗效率）]：

（1）

（1）式中：η— 靜力試驗荷載效率；

Ss— 靜力試驗荷載作用下，某一加載試驗項目對應的加載控制截面內力、應力或變位的最大計算效應值；

S′— 設計汽車荷載作用下，同一加載控制截面內力、應力或變位的最不利效應計算值；

SG2 — 二期恒載作用下，同一加載控制截面內力、應力或變位的最不利效應計算值；

μ — 按規范取用的沖擊系數值。

（2） 測點布置

測試斷面如圖3所示。為得到試驗梁在試驗載荷作用下混凝土的應變情況，在梁的跨中及L/4截面，沿梁高不同位置粘貼電阻應變片，如圖4所示。

（3）加載方案

加載步驟與方法如下：根據現場情況，利用涵蓋板對試驗梁施加集中均布荷載，首先，將過秤好的涵蓋板準備好，并放置到現場，待儀器設備調試處于正常工作狀態后，按照試驗荷載的50%、和100%分兩級緩慢加載。每級荷載穩定后，觀察梁體有無裂縫出現，并將應變和撓度的實測值與計算值進行比較，確信梁仍處于彈性工作狀態后再施加下級荷載，直至加載結束。

（4）裂縫觀測

加載過程中隨時觀測梁體底板和腹板是否有裂縫產生。若有裂縫產生，觀測裂縫的發展情況，并進行量測和描繪。

3.5 試驗結果

表5和表6列出了試驗梁應變檢測結果，表明在試驗荷載作用下，試驗梁各測點實測應變值小于計算應變值，應變校驗系數在0.58～0.78之間。表明試驗梁強度滿足設計要求，并有一定強度儲備。應變計算值與實測值比較如圖6和圖7所示。

表7列出了試驗梁撓度的理論計算值和試驗檢測結果，撓度計算值與實測值比較如圖8所示（實測撓度值已扣除支點沉降的影響）。靜載試驗結果表明，在試驗荷載作用下，試驗梁的實測撓度小于計算值，且遠小于規范限值，撓度校驗系數為0.73～0.88之間，試驗梁的剛度滿足設計要求，并有一定剛度儲備。

在加載試驗過程中，經全面仔細觀察試驗梁，未見裂縫出現，表明混凝土抗裂性滿足要求。

4、結論

本文采用42.5級水泥，雙摻粉煤灰和礦粉，添加聚羧酸外加劑進行C50橋用高性能混凝土的性能及其在實體工程中的應用研究，通過室內材料試驗和實體橋梁工程的靜載試驗，得到以下主要結論：

（1）本文所選用的配合比配置的C50混凝土從拌合物性能、強度、彈性模量、凍融質量損失、凍融相對動彈模量和電通量等指標均滿足公路橋梁工程的技術要求，在膠材中摻入粉煤灰和礦粉，降低了材料成本，具有較好的經濟效益。

（2）對試驗梁的靜載試驗表明，試驗荷載下，試驗梁各測點實測應變小于計算應變，應變校驗系數在0.58～0.78之間，表明本文配置的混凝土制作試驗梁強度滿足設計要求，還有較大的強度儲備。

參考文獻

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