UHPC鋼纖維定向排列布料機(jī)在鋼橋面鋪裝中的應(yīng)用研究

王 強(qiáng)，過(guò)震文

(上海市市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200031)

0 引言

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，UHPC)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型纖維增強(qiáng)水泥基材料，由于其具有超高的力學(xué)性能和耐久性能，在橋梁等工程中應(yīng)用越來(lái)越多[1]。鋼橋面?zhèn)鹘y(tǒng)瀝青鋪裝易產(chǎn)生鋪裝層開(kāi)裂等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者已開(kāi)始研究UHPC-鋼橋面組合結(jié)構(gòu)來(lái)解決鋼橋面板局部受力變形等問(wèn)題[2]。UHPC材料的組成、投料與攪拌方式、澆筑方式對(duì)抗壓強(qiáng)度和抗彎拉韌性有明顯影響[3]。Wille等研究了不同的試件尺寸、澆筑方法和支撐條件測(cè)得抗折強(qiáng)度結(jié)果差異可能高達(dá)200%[4]。王強(qiáng)[5]在過(guò)去的研究中已得到鋼纖維的取向排列與UHPC的抗拉韌性有直接的線性關(guān)系，且鋼纖維能很好地沿著澆筑方向排列。

混凝土布料機(jī)在建筑工程領(lǐng)域已有了廣泛應(yīng)用，有向高層布料裝置[6]，也有水平布料設(shè)備[7]，技術(shù)已相對(duì)成熟。在道路工程領(lǐng)域，水泥混凝土的布料采用滑模攤鋪機(jī)[8]，通過(guò)布料機(jī)把混凝土輸送到螺旋分料器處，由螺旋分料器分?jǐn)偟秸麄€(gè)布料工作面上，通過(guò)虛方控制板控制布料厚度。UHPC相比于普通混凝土具有黏聚性高、鋼纖維含量大等特點(diǎn)，傳統(tǒng)混凝土布料機(jī)已不再適用，需專(zhuān)用的布料設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)攤鋪[9]。

目前，剛性鋪裝研究越來(lái)越熱，但UHPC布料機(jī)與UHPC拌合物之間的協(xié)調(diào)配合還鮮少研究，布料機(jī)對(duì)拌合物均勻性的影響、對(duì)拌合物中鋼纖維重新排列到底有何影響還不清楚。鑒于此，本文通過(guò)布料機(jī)模擬現(xiàn)場(chǎng)澆筑的方法分析UHPC布料前后拌合物性狀和力學(xué)性能的差異，考察布料機(jī)在鋼橋面鋪裝中對(duì)UHPC的適應(yīng)性，并在潤(rùn)揚(yáng)大橋鋪裝試驗(yàn)段應(yīng)用，可為同類(lèi)工程提供借鑒。

1 試驗(yàn)工程

1.1 工程概況

工程試驗(yàn)段是潤(rùn)揚(yáng)大橋南汊懸索橋，主梁為帶風(fēng)嘴的扁平流線型鋼箱梁，梁高3m，箱梁全寬38.7m(含檢修道)，單幅橋面鋪裝寬15m、厚5.5cm，原鋪裝結(jié)構(gòu)為下層2.5cm環(huán)氧瀝青混凝土+上層3.0cm環(huán)氧瀝青混凝土，于2005年5月通車(chē)。由于鋼橋面板剛度小，車(chē)載作用變形較大，環(huán)氧瀝青層出現(xiàn)開(kāi)裂、坑槽、脫層等病害。試驗(yàn)段設(shè)計(jì)方案為局部栓釘+環(huán)氧黏結(jié)層+5cm配筋UHPC+5～8mm防滑層，采用UHPC剛性鋪裝層替換掉原有的柔性鋪裝，增加第三體系剛度，從而根本解決傳統(tǒng)柔性鋪裝出現(xiàn)的問(wèn)題。

1.2 應(yīng)用分析

通過(guò)應(yīng)力分析計(jì)算，在鋼橋面板第三體系中，順橋向沿U肋上方所受到的彎拉應(yīng)力為受力最不利位置，設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)橫橋向的彎拉能力。

根據(jù)王強(qiáng)前階段的研究結(jié)果[5]，鋼纖維會(huì)沿著澆筑方向定向排列，大大增強(qiáng)了沿澆筑方向的抗拉性能。在此通過(guò)考慮將鋼纖維沿橫橋向定向排列后，著重增強(qiáng)橫橋向的抗彎拉性能。本文將論證UHPC在布料機(jī)定向澆筑后，其沿澆筑方向和垂直澆筑方向的性能差別以及對(duì)其適合在鋼橋面鋪裝中應(yīng)用進(jìn)行判定。

2 試驗(yàn)研究

2.1 原材料

水泥為海螺52.5P·Ⅱ型水泥，密度為3.17g/cm3，比表面積為386m2/kg；硅灰密度為2.1g/cm3，二氧化硅含量為93%，比表面積為28 000m2/kg；細(xì)骨料為最大粒徑1.25mm潔凈河砂；外加劑采用高性能聚羧酸粉體減水劑，減水率>30%；鋼纖維力學(xué)性能參數(shù)為：抗拉強(qiáng)度2 800MPa，彈性模量210GPa，直徑0.2mm，長(zhǎng)度13mm，密度7.9g/cm3。

2.2 制備

試驗(yàn)采用的配合比為水泥∶硅灰∶鋼纖維∶砂∶外加劑∶水=1∶0.2∶0.2∶1.2∶0.006∶0.22。按試驗(yàn)配合比將除水之外的干粉料在上海某特種干粉砂漿廠生產(chǎn)、包裝成干混料。經(jīng)過(guò)高轉(zhuǎn)速飛刀葉片分散的干混料經(jīng)檢驗(yàn)各組分均勻一致，鋼纖維被粉體充分包裹、分離。

2.3 機(jī)械模擬

根據(jù)上述分析，試制UHPC鋼纖維定向排列樣機(jī)，樣機(jī)應(yīng)滿(mǎn)足沿軌道實(shí)現(xiàn)縱、橫向行走和行走時(shí)均勻布料，如圖1所示，模擬機(jī)械的行走速度為0.2m/s。

圖1 試模方向的設(shè)置

2.4 澆筑布料

試驗(yàn)采用的攪拌機(jī)是容量為1.5m3的立軸行星式攪拌機(jī)，攪拌機(jī)的攪拌功率為45kW。將包裝好的干混料投入攪拌機(jī)內(nèi)，加水?dāng)嚢?min以上出料。

在布料區(qū)域，沿澆筑方向先設(shè)置好縱、橫2個(gè)方向的抗折試模，如圖1所示，將沿澆筑方向成型的試件編號(hào)設(shè)為“順”，橫著澆筑方向成型的試件編號(hào)設(shè)為“橫”。另外，采用GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》標(biāo)準(zhǔn)工藝澆筑1組抗折試件作為對(duì)照組，編號(hào)設(shè)為“標(biāo)”。

3 試驗(yàn)分析

3.1 拌合物性能

UHPC在經(jīng)過(guò)布料機(jī)擠壓重新布料后，不應(yīng)改變拌合物的均勻性和工作性能，為此對(duì)布料前后的拌合物狀態(tài)進(jìn)行考察。考察選取的指標(biāo)是坍落度、坍落擴(kuò)展度、擴(kuò)展時(shí)間(T500)以及是否存在泌水離析等現(xiàn)象。布料前后對(duì)比如表1所示，進(jìn)行擴(kuò)展度試驗(yàn)后的最終狀態(tài)如圖2所示。

表1 UHPC布料前后工作性對(duì)比

從表1中得到，從對(duì)比的工作性能的幾個(gè)指標(biāo)來(lái)看，UHPC經(jīng)過(guò)布料機(jī)布料前后基本不改變混凝土的工作性，混凝土黏稠性適中，流動(dòng)性較好，此種混凝土適用于較密配筋鋪裝結(jié)構(gòu)體系的自密實(shí)施工(見(jiàn)圖2)。

圖2 UHPC布料前后坍落擴(kuò)展度對(duì)比

3.2 抗折強(qiáng)度

在澆筑布料中成型的抗折試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，采用《活性粉末混凝土》[10]進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)加載速率為0.1MPa/s。

在抗折試驗(yàn)中，在混凝土基體未開(kāi)裂前，由于鋼纖維和混凝土基體共同作用，混凝土變形較小；在UHPC臨界開(kāi)裂點(diǎn)時(shí)，混凝土基體的抗拉性能降為0，此時(shí)的抗折性能主要靠鋼纖維和基體間的黏結(jié)力；隨著鋼纖維的不斷拔出，順著澆筑方向、橫著澆筑方向和標(biāo)準(zhǔn)澆筑方向分別出現(xiàn)不同的強(qiáng)化效果，其中橫著澆筑方向的強(qiáng)化時(shí)間最短，標(biāo)準(zhǔn)工藝其次，順著澆筑方向的強(qiáng)化時(shí)間最長(zhǎng)。

3種方式成型的試件抗折強(qiáng)度差異較大，橫著澆筑方向成型的試件抗折強(qiáng)度最低為20.5MPa，順著澆筑方向達(dá)到最高的32.2MPa，后者相較于前者增加了57%；而采用標(biāo)準(zhǔn)工藝成型的試件抗折強(qiáng)度處于兩者之間，為25.8MPa。本次抗折試驗(yàn)直接說(shuō)明UHPC的抗折強(qiáng)度的離散差異性很大，下面將從其斷面做進(jìn)一步分析。

3.3 斷面分析

抗折試驗(yàn)結(jié)束，將試件沿?cái)嗔衙鎻氐讐簲啵嚰嗔衙嫒鐖D3所示。試件被壓斷開(kāi)后，斷面上鋼纖維全部拔出，被拔出的鋼纖維均勻地分布在斷裂面上。直觀地看到3個(gè)試件上的鋼纖維取向角不同，按文獻(xiàn)[5]中提供的方法統(tǒng)計(jì)鋼纖維取向角的分布，如表2所示。

圖3 抗折試件斷面

為了表征鋼纖維取向角對(duì)UHPC抗折強(qiáng)度的影響，計(jì)算參與彎拉方向的鋼纖維有效握裹長(zhǎng)度。在同一配合比下，UHPC基體與鋼纖維的黏結(jié)強(qiáng)度一致，鋼纖維在彎拉方向上提供的額外承載力完全由這個(gè)方向上的有效長(zhǎng)度決定。有效長(zhǎng)度在此簡(jiǎn)化為鋼纖維取向角的余弦值，即設(shè)定如下：軸向鋼纖維對(duì)彎拉性能影響系數(shù)設(shè)定為0.93，斜向鋼纖維對(duì)彎拉性能影響系數(shù)設(shè)定為0.70，垂直鋼纖維對(duì)彎拉性能影響系數(shù)設(shè)定為0.25。

表2 鋼纖維取向角占比統(tǒng)計(jì)

3組試件鋼纖維分布均勻，只是鋼纖維取向角有所差異，將各澆筑工藝所得的鋼纖維取向角系數(shù)加權(quán)求和，計(jì)算所得順著澆筑方向、標(biāo)準(zhǔn)澆筑和橫著澆筑方向鋼纖維對(duì)彎拉方向的影響系數(shù)分別為0.88，0.68，0.46。

鋼纖維取向角系數(shù)和其對(duì)應(yīng)的抗折強(qiáng)度曲線關(guān)系如圖4所示。

圖4 鋼纖維取向角對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

類(lèi)似于抗拉強(qiáng)度的是，鋼纖維取向角系數(shù)與抗折強(qiáng)度也具有很高的線性擬合度，其R2=0.993 2。擬合的線性關(guān)系如下：

f=27.64θ+7.65

(1)

式中：f為UHPC的抗折強(qiáng)度；θ為鋼纖維的取向角系數(shù)。

式(1)說(shuō)明了要想獲得較高的抗折強(qiáng)度，鋼纖維的取向角系數(shù)應(yīng)取得最大值。由于鋼纖維取向角系數(shù)θ的存在，給工程應(yīng)用提供了思路，鋼纖維增韌主要依靠鋼纖維的排列方向，這一結(jié)果跟筆者前段研究成果[5]吻合；另一方面也說(shuō)明如果不控制鋼纖維排列方向，UHPC的抗折強(qiáng)度數(shù)值將表現(xiàn)出較大離散性(理論上7.65～35.29MPa)，這點(diǎn)給工程應(yīng)用、質(zhì)量檢驗(yàn)帶來(lái)變數(shù)。

4 工程應(yīng)用

UHPC干混料在工廠按給定的配合比全部預(yù)混完成，以袋裝形式運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)。施工時(shí)，將袋裝的UHPC干混料吊裝進(jìn)立軸行星式攪拌機(jī)，加水?dāng)嚢?min，控制用水量在±1%。由于現(xiàn)場(chǎng)只有一步加水工藝，過(guò)程操作簡(jiǎn)便，控制精準(zhǔn)，方便實(shí)施。

UHPC鋼纖維定向排列布料機(jī)經(jīng)試制成功后，制作成成品用于潤(rùn)揚(yáng)大橋鋼橋面鋪裝維修工程。布料機(jī)通過(guò)2根大梁橫跨橋面兩端，布料機(jī)料斗容量為2m3，布料機(jī)下有導(dǎo)軌能在大梁上沿橫向行走。施工時(shí)，料斗內(nèi)存放足夠的UHPC拌合物，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，將布料機(jī)料斗的行進(jìn)速度設(shè)定為0.2m/s，布料時(shí)注意均勻連續(xù)，布料后UHPC基本能流平整個(gè)工作面，保證前后兩段接縫處澆筑密實(shí)。由于UHPC用水量極低，干燥蒸發(fā)很快，布料過(guò)程要注意增濕補(bǔ)水，防止混凝土出現(xiàn)起殼、假凝等澆筑不實(shí)現(xiàn)象。布料完畢后再用整平機(jī)輔助振實(shí)，并立即灑水覆膜養(yǎng)護(hù)。

潤(rùn)揚(yáng)大橋的剛性鋪裝是密配筋體系，這在前期模擬試驗(yàn)時(shí)未使用配筋結(jié)構(gòu)，而混凝土抗折試件使用的是《活性粉末混凝土》的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，還未建立鋼-UHPC在鋼纖維取向排列下的力學(xué)性能比較；另外，由于鋼筋的分隔作用，薄層結(jié)構(gòu)下，鋼筋對(duì)鋼纖維的排列取向造成的干涉影響到底有多大還需后續(xù)進(jìn)一步研究。

5 結(jié)語(yǔ)

UHPC具有極高的力學(xué)性能，通過(guò)減小結(jié)構(gòu)斷面尺寸，降低結(jié)構(gòu)自重，提高結(jié)構(gòu)的綜合使用性能。在鋼橋面鋪裝領(lǐng)域，UHPC的抗彎拉韌性相較于普通混凝土有了大幅度提升，可有效增強(qiáng)橋面板剛度，降低鋪裝層的應(yīng)力幅，延長(zhǎng)鋪裝層的使用壽命。但由于鋼纖維在拌合物中隨機(jī)分布特性，導(dǎo)致UHPC在抗彎拉韌性方面會(huì)表現(xiàn)不足。對(duì)此本文設(shè)置了一個(gè)模擬試驗(yàn)，模擬拌合物在一定澆筑速度下，鋼纖維隨澆筑方向的二次排列取向，研究其帶來(lái)的力學(xué)性能變化，結(jié)論如下。

1)UHPC鋼纖維定向排列布料機(jī)不改變UHPC拌合物性能，在布料速度為0.2m/s下，能很好地使鋼纖維沿澆筑方向排列，鋼纖維定向取向率達(dá)85%。

2)UHPC因鋼纖維取向率的不同，抗折強(qiáng)度離散差異較大，本項(xiàng)目中沿澆筑方向成型得到的抗折試件強(qiáng)度最高達(dá)32.2MPa，而橫著澆筑方向成型得到的抗折試件強(qiáng)度只有20.5MPa。

3)UHPC彎拉韌性與鋼纖維取向角呈線性關(guān)系，由鋼纖維拉伸方向有效握裹長(zhǎng)度決定。工程應(yīng)用中，如何控制鋼纖維定向排列是增韌關(guān)鍵。

4)經(jīng)潤(rùn)揚(yáng)大橋鋼橋面鋪裝維修工程的試點(diǎn)應(yīng)用，證實(shí)本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的UHPC鋼纖維定向排列布料機(jī)適用于鋼橋面剛性鋪裝工程，可推廣使用。

筆者還將在以下方向做進(jìn)一步研究。

1)建立澆筑速度與鋼纖維取向排列程度的關(guān)系。文中已證實(shí)一定的澆筑速度能影響鋼纖維的取向排列，但隨著澆筑速度的不同，鋼纖維取向排列到底呈現(xiàn)何種方式還不甚清楚。

2)鋼-UHPC組合結(jié)構(gòu)中鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)對(duì)鋼纖維的重新排列有何影響還不清楚，這就需建立構(gòu)件模型及組合結(jié)構(gòu)的對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。