復雜交通荷載作用下粉煤灰混凝土碳化及強度研究

陸益軍 王曉妮 孫 茜（南京理工大學紫金學院）

0 引言

自19 世紀20 年代水泥材料的問世，隨之誕生的混凝土材料已成為世界范圍內應用范圍最廣，消耗數量最大的土木工程材料，以其廣泛的適用性和低廉的成本成為土木工程建設中最重要的建筑材料，迄今已有近200年的歷史，在各個國家的經濟建設和社會發展過程中發揮著舉足輕重的作用。根據國家統計局相關數據，2018年全國水泥總產量達21.77 億噸，可以看出，在未來的一段時間內，混凝土材料仍然會在土木工程材料消耗中占據較大的比重。

1 粉煤灰混凝土的發展

但隨著經濟發展的速度不斷加快、社會發展要求不斷提高及建筑工程建設規模不斷擴大，高強度混凝土的需求日益增加，這就使得更多的研究開始關注高強混凝土的制備工藝。為了兼顧混凝土的強度和流動性，不同種類的外加劑及摻合料開始添加到混凝土材料中，比如粉煤灰[1-3]。同時，我們國家作為產煤大國，煤炭也是國家發展的重要戰略能源，據統計數據，到2030 年，我國的煤炭用量可達50 億噸，而隨之排放的粉煤灰也預計達到十幾億噸。數量如此龐大的粉煤灰渣將會對環境、生態以及土地資源造成極大的威脅，而將其作為摻合料，應用到高強混凝土的制備中，則會有更為廣闊的前景和發展[4]。

目前，國內外對于粉煤灰混凝土也有了廣泛的研究和應用。CANMET 中心的Malhotra 等人開展了基于膠凝材料的大摻量高強粉煤灰混凝土研究，并在某大型衛星發射臺的基礎澆筑中應用；四川的二灘電站大壩工程中使用了粉煤灰摻比52%的高性能混凝土；廣西巖灘水電站的圍堰工程采用的粉煤灰混凝土中摻量高達70%，是粉煤灰大摻量混凝土的重要應用；南京的長江二橋、上海的金茂大廈、楊浦大橋等國內重大工程都廣泛使用了一定摻合比的高性能粉煤灰混凝土[5]。

2 混凝土碳化損傷研究

但隨著研究深入，問題也日益凸顯。在橋梁結構中，由于復雜的自然和荷載環境，粉煤灰混凝土的碳化問題引起了更多的關注。樂建元等[6]基于CO2的在碳化區的擴散情況，基于表觀擴散系數建立了多系數碳化深度模型，并結合工程實例進行預測，取得了較好的效果。阿茹罕等[7]通過加速碳化和自然碳化兩種實驗方法，研究了不同摻合比例粉煤灰混凝土的碳化特性，發現通過加速碳化實驗可以分辨不同混凝土的碳化差異性。朱建華等[8]通過對粉煤灰混凝土加入混雜碳纖維，進一步研究了不同摻合比下的粉煤灰混凝土的抗壓強度、碳化速度及相對動彈性模量等力學特性。雖然對于不同方向的粉煤灰混凝土都有了完善的研究[9-12]，但是對于營運過程中的大型結構，比如橋梁等，在復雜交通荷載下的粉煤灰混凝土的強度及碳化深度的研究還較少。

綜上，文章基于高速公路橋梁的檢測實驗數據，進一步探究日常運營狀態下橋梁結構中粉煤灰混凝土的強度變化及分布趨勢。

3 現場檢測實驗

3.1 回彈儀儀器介紹

本次檢測試驗所使用的儀器是由天津津維公司生產的一體式語音數顯高強回彈儀(HT550-V)，如圖1 所示。可以即時獲得抽檢混凝土的抗壓強度檢測結果，儀器適用標準為JGJ/T 294—2013《高強混凝土強度檢測技術規程》JJG817—2011《回彈儀》檢定規程。具體儀器參數如表1 所示。

圖1

表1 高強回彈儀儀器參數

3.2 工程案例概況

本次檢測橋梁全長158m，梁式橋，上部結構為板梁，下部采用樁柱式墩，跨徑組合為7×16m，設計荷載：公路Ⅰ級，結構中使用的混凝土材料為大摻量高強粉煤灰混凝土。橋梁平面結構如圖2 所示。本次專項檢測實驗為主橋內部混凝土碳化深度及強度檢測。

3.3 現場檢測實驗

開展橋梁混凝土碳化及強度檢測，其目的是對全橋整體結構的穩定性及安全性做出評估，為下一步的橋梁養護和維修提供建議。為了更為全面地評估橋梁整體結構，實驗將橋梁按照墩臺數量編號，從0 至7，同時按照橋跨數量分為七個主要檢測區域，在每一橋跨內選擇三塊底板進行檢測，每一塊板設置十個測區，根據規范要求，每一測區取16 組回彈值，并根據回彈計算公式(1)計算平均值。

其中，Rn是平均回彈值，精確至小數點后1 位；Ri是第i 個測點的回彈值。

由圖3 可以看出，所有測區的回彈值在30 至60 之間波動，主要集中于45 至55。根據不同測區和不同測點的回彈值，可以進一步獲得每一測區的回彈平均值，同時測量每一測區的碳化深度，經過換算為混凝土強度，在根據強度計算公式得到最終推定強度值，0#臺至1#墩1#板的強度計算值如表2 所示，最終1#板的強度推定值約為44.7MPa，符合設計中C40 混凝土的強度要求。

圖4 展示了第1 跨中由外側倒內側3 塊底板的強度值及碳化深度的變化，可以看出，外側底板的強度值要低于內側底板強度，同時外側板的碳化深度高于內側底板，這表明外側底板的損傷程度要嚴重于內側底板，這是因為外側車道一般為大型貨車行駛車道，承受較大的交通荷載，所以存在更為嚴重的損傷。通過進一步對比圖中的強度最小值和碳化深度，第1 跨的中間底板可能存在最為嚴重的損傷，由此我們可以推斷在通過該大橋時，有更多的車輛選擇從中間車道通行，中間車道存在更為復雜的交通荷載，這一推斷也通過檢測實驗中的另一項實驗——混凝土保護層厚度及裂縫深度檢測實驗中得到驗證，中間車道混凝土存在較深的橫縱向裂縫，表明其破損情況更為嚴重一些。

圖2 橋梁平面圖

圖3 0# 臺- 1# 墩1# 板10 個測區16 組回彈值變化圖

表2 0# 臺-1# 墩1# 板強度計算

為了評估全橋整體安全狀況，在對單一橋跨情況分析之后，進一步分析了沿通行方向，不同橋跨的強度和碳化深度的變化趨勢，如圖5 所示。通過對比圖5(a)中的強度值和強度最小值，第2 和第6 跨的混凝土強度較高，其它橋跨的強度大致相等；同時在圖5(b)中，第2和6 跨的碳化深度也較淺，由此可以看出第2 跨和第6跨的整體結構情況要優于其他橋跨。

4 結論

通過現場專項檢測實驗可以看出，粉煤灰混凝土能夠較好地適應復雜交通荷載環境。綜合橋梁所有橋跨區域來看，在正常運營過程中，粉煤灰混凝土大部分區域整體強度仍能夠滿足初始設計要求的C40 混凝土強度，部分區域略低于40MPa，但最低的推定強度值仍能夠達到37MPa 以上，能夠在可控的養護維修后滿足日常運營需求。開展基于復雜交通荷載下的粉煤灰混凝土碳化損傷的研究，可以進一步探索大摻量粉煤灰混凝土在橋梁等大型結構應用中的損傷演化規律。通過從板、跨、橋多層次分析橋梁結構中粉煤灰混凝土的強度及碳化變化規律，可以為橋梁整體結構安全的評估提供有益的參考。

圖4

圖5

可以看出，粉煤灰混凝土在建筑、交通、水利等多個領域擁有廣闊的發展前景，加大對粉煤灰混凝土在復雜荷載如疲勞荷載、復雜環境如凍融腐蝕環境等多方面的研究也十分必要。未來，在開展實驗的同時，也需要基于現有的數值模擬方法進一步探索不同荷載、不同環境等多種條件下的損傷演化模型，對指導工程實際具有十分深遠的意義。