橋梁濕接縫用含粗骨料超高性能混凝土的性能研究

伍賢智，李信，陳露一，黃有強，張志豪，譚洪波

（1.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室，湖北 武漢 430034；2.中鐵橋研科技有限公司，湖北 武漢 430030；3.武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

橋梁濕接縫施工是預制混凝土橋面板現場施工的主要環節，其施工速度影響預制混凝土橋面板施工速度；同時在運營期間，濕接縫是預制混凝土橋面板最容易出現病害的部位之一，其質量的優劣會影響結構的整體性能和承載力，影響橋梁的使用功能，甚至引起橋梁的早期破壞[1-2]。橋梁濕接縫常見的病害誘因有：濕接縫混凝土與預制梁混凝土結合差，濕接縫混凝土收縮徐變大，濕接縫混凝土強度不足及耐久性差等[3]。

含粗骨料超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete with coarse ag-gregate，UHPC-CA），是通過在UHPC體系中摻入粗骨料配制而成，粗骨料粒徑通常為5～10 mm。UHPC-CA具有高強度、高韌性和優異耐久性，由于其摻入了碎石，減少了膠凝材料用量，相比于UHPC，其彈性模量更高、收縮徐變更小、成本更低[4]，更適合作為橋梁濕接縫混凝土。但目前UHPC-CA應用于橋梁濕接縫的研究基本沒有，相關工程應用報道也僅有南京五橋。因此，有必要開展橋梁濕接縫用UHPC-CA的研究，同時對比分析UHPC-CA、UHPC及當前橋梁濕接縫常用的C60高性能混凝土的各項性能，旨在研制出性能優異的橋梁濕接縫用UHPC-CA，提高橋梁的健康與安全，同時產生顯著的經濟和社會效益。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：湖北媧石股份有限公司生產的P·Ⅱ52.5水泥，比表面積330 m2/kg，密度3100 kg/m3，28 d抗壓、抗折強度分別為59.1、8.9 MPa，其主要化學成分見表1。

表1 水泥的主要化學成分 %

核心料：UHPC-CA的核心組份，粉末顆粒，由特殊摻合料和功能型外加劑組成，核心料預先拌合均勻，其需水量比≤75%，含水率≤1%。

粗骨料：湖北京山玄武巖碎石，粒徑5～10 mm，表觀密度3050 kg/m3，壓碎值6.6%，針片狀含量4%，含泥量0.5%。

細骨料：湖北鳳陽石英砂，粒徑20～80目，SiO2含量大于90%。

鋼纖維：端鉤型，平均長度約13 mm，平均直徑約0.2 mm。

水：自來水。

1.2 配合比

UHPC-CA配合比中影響其性能的主要因素有以下幾個方面：

（1）水膠比（W/B）：鑒于其用于橋梁濕接縫，強度要求并沒有橋面鋪裝要求高，水膠比按經驗選擇0.20左右為宜。當水膠比過低，流動性差、成型較困難，密實度下降，對強度和耐久性均帶來一定的損害；當水膠比過大時，雖然工作性良好，但其強度及耐久性能也會有一定程度的下降。

（2）核心料用量：核心料用量會影響UHPC-CA的和易性、強度以及UHPC-CA與鋼纖維之間的粘結強度，核心料總摻量不超過膠凝材料的40%，具體摻量根據試驗結果確定。

（3）鋼纖維摻量：UHPC-CA中鋼纖維摻量過低將失去增強與改善脆性的意義，鋼纖維摻量過高則會使拌合物變得非常干澀，造成施工不便[5]，結合橋梁濕接縫混凝土的抗彎要求，鋼纖維體積摻量以0.5%～1.0%為宜。

（4）碎石選擇及摻量：碎石的硬度及彈性模量對混凝土的徐變性能影響較大，故宜優選玄武巖來配制UHPC-CA。碎石用量過大時工作性能及勻質性較差；碎石用量過少時收縮、徐變降低幅度較小，彈性模量增長不明顯，且意義不大。

基于UHPC的制備原則，開展了UHPC-CA配合比設計初步試驗，經試驗結果反饋，確定了水膠比、水泥用量、核心料用量等參數。根據碎石用量、鋼纖維體積摻量的不同，設計了不同配合比進行對比試驗，如表2所示。

表2 UHPC-CA試驗配合比 kg/m3

1.3 試件制備及性能測試

試件制備：將稱量好的膠凝材料、減水劑、骨料及鋼纖維倒入強制式攪拌機內攪拌2 min，再倒入水攪拌4 min。攪拌完成后立即進行流動性測試，然后裝模成型試件并在試模表面覆蓋1層薄膜，防止水分蒸發，拆模后移到標準養護室養護。立方體抗壓試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，棱柱體抗折及收縮、徐變試件尺均寸為100 mm×100 mm×400 mm，棱柱體靜力受壓彈性模量試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm。

性能測試：坍落度、擴展度參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測試；抗壓強度、抗折強度及靜力受壓彈性模量參照GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》進行測試；抗凍性、抗氯離子滲透性、收縮及徐變參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行測試，其中抗凍性采用快凍法，抗氯離子滲透試驗采用RCM法且未摻鋼纖維。

2 結果與討論

2.1 工作性能

工作性能是影響UHPC-CA施工的關鍵因素。橋梁濕接縫處鋼筋密集，這要求含粗骨料超高性能混凝土具有良好的流動性，但是流動性也不宜過大，否則碎石容易沉底。UHPCCA的流動性試驗結果見表3。

表3 UHPC-CA的流動性

由表3可見，碎石用量從750 kg/m3增加到900 kg/m3，UHPC-CA的坍落度及擴展度逐漸減小，碎石摻量為825 kg/m3時，含粗骨料超高性能混凝土的流動性已不良。鋼纖維用量從0.5%（40 kg/m3）增加到1.0%（80 kg/m3），UHPC-CA的坍落度、擴展度有所下降，但仍具有良好流動性。UCA100的流動性良好，能夠滿足橋梁濕接縫的施工要求。

2.2 力學性能

力學性能是決定UHPC-CA使用范圍的最主要性能之一，也是其性能優于普通高性能混凝土的主要表現。UHPCCA的力學性能測試結果見表4。

表4 UHPC-CA的力學性能

由表4可知，不同碎石用量的UHPC-CA力學性能良好，抗壓、抗折強度、彈性模量均相差不大，其中，UCA100的力學性能略好；鋼纖維摻量從40 kg/m3增加到80 kg/m3，UHPC-CA的抗壓強度和彈性模量變化不大，抗折強度略有提高，但是幅度較小。UCA100含粗骨料超高性能混凝土更適合作為濕接縫材料，其與常用UC120超高性能混凝土、C60高性能混凝土的力學性能對比見圖5。

由表5可見，UCA100的3 d抗壓強度高達80.9 MPa，28 d抗壓強度為118.1 MPa、抗折強度達到14.9 MPa、彈性模量達到46.1 GPa，力學性能表現良好。UCA100的彈性模量高于UC120和C60，其抗壓、抗折強度略低于UC120，但是遠高于C60，約為其2倍，且UCA100的3 d抗壓強度較C60高性能混凝土的28 d抗壓強度提高12.2 MPa，早期強度發展較快，用于濕接縫中可以大幅縮短張拉齡期，有利于其它施工工序的進行，大大縮短工期。

表5 3種混凝土的力學性能對比

2.3 耐久性

混凝土的耐久性直接影響結構物的安全性和使用性能，而橋梁濕接縫原本是橋面板結構薄弱處，其耐久性對橋梁的健康與安全尤為重要。

2.3.1 抗凍性

混凝土抗凍融性可間接反映混凝土抵抗環境水浸入和抵抗冰晶壓力的能力，是混凝土耐久性的一項重要指標[6]。抗凍融性也可以在一定程度上反映混凝土的勻質性和密實性，反映混凝土是否存在原始缺陷（微裂紋、局部氣孔、宏觀和微觀的缺陷）。3種混凝土的相對動彈性模量變化見圖1。

圖1 3種混凝土的相對動彈性模量變化

由圖1可見：C60高性能混凝土經過500次凍融循環后相對動彈性模量已經下降至69.6%，而UCA100與UC120經過700次凍融循環后相對動彈性模量基本一致，均大于90%，設計使用壽命為100年的高速鐵路對混凝土抗凍性能的要求是經過200次凍融循環后相對動彈性模量≥60.0%，可見，UCA100的抗凍性較優。

經過500次凍融循環后，C60與UCA100試件表面狀態見圖2。

圖2 經過500次凍融循環后C60與UCA100的表面狀態

由圖2可見，經500次凍融循環后，C60的表面發生破壞，骨料已露出；而UCA100的表面無變化，具有優異的抗凍性。這是因為：UCA100具有較高的力學性能，特別是抗拉強度，使混凝土具有較高的抵抗凍脹壓力能力；UCA100的孔徑非常小，外界水很難滲透到混凝土內部，而其自身的水膠比較小，混凝土內部孔隙中的自由水較少，因此在連續凍融過程中很難形成凍脹壓力。

2.3.2 抗氯離子滲透性能

混凝土的抗氯離子侵蝕性直接影響混凝土的服役壽命。氯離子侵入混凝土結構內部，會引起鋼筋銹蝕、結構承載力下降和耐久性降低。氯離子主要是通過混凝土內部的孔隙和微裂縫侵蝕到混凝土內部，且侵蝕方式并不單一，而是多種侵蝕方式的結合。3種混凝土的抗氯離子滲透性能見表6。

表6 3種混凝土的抗氯離子滲透性能

由表6可見，UCA100的氯離子擴散系數小于UC120，二者均顯著低于C60，可見UCA100和UC120均具有較高的抗氯離子侵蝕性能。UCA100優異的抗氯離子侵蝕性能主要是因為其摻入了核心料，極大地優化了混凝土內部的孔結構，細化了孔徑，使得結構密實。

2.4 體積穩定性

混凝土收縮和徐變是它作為粘彈性體的2種與時間有關的變形性質，也是鋼筋混凝土和預應力混凝土的一種重要的時變特性，會導致混凝土結構的受力和變形隨時間變化[7]。混凝土的收縮和徐變是影響混凝土使用壽命的重要因素，低收縮和徐變能提高混凝土結構的安全性。隨著大量預應力混凝土橋梁的修建和使用，組合橋面濕接縫用混凝土的收縮和徐變性能將是影響橋梁施工和健康的關鍵。

2.4.1 收縮

3種混凝土長期干燥收縮對比見圖3，干燥收縮測試從7 d齡期開始，7 d之前置于標準養護室養護。

圖3 3種混凝土的長期干燥收縮

由圖3可以看出，UCA100、UC120及C60的干燥收縮應變均隨測試齡期的延長逐漸增大，且均表現為早期增長較快，后期增長較慢，其中，UCA100各齡期的干燥收縮應變均為最小，120 d時，UCA100、UC120及C60的干燥收縮應變分別為235×10-6、284×10-6、330×10-6。從長齡期干燥收縮來看，UCA100的抗收縮開裂性能優于UC120，C60的抗收縮開裂性能最差。

2.4.2 徐變

徐變是混凝土材料本身固有的特征，它是指在持續荷載作用下，混凝土應變隨時間增大的現象[8-9]。組合橋梁濕接縫用混凝土徐變過大，會導致應力變化、撓度增大、預應力損失過大等，使得橋梁結構過早地失效或喪失功能，因此徐變是混凝土結構設計不可忽略的重要因素。3種混凝土徐變系數對比見圖4。

圖4 3種混凝土的徐變系數對比

由圖4可知，3種混凝土徐變系數曲線與干燥收縮應變曲線類似，均為早期增長較快，后期增長漸緩，UCA100各齡期的徐變系數均小于UC120與C60，120 d時，UCA100、UC120及C60的徐變系數分別為0.66、0.85、0.90，約完成徐變總量的65%。

影響混凝土徐變的因素較多，內部因素主要有水泥、骨料、水膠比、灰漿率、外加劑以及摻合料；外部因素主要有加荷齡期、加荷應力、持荷時間、濕度、溫度、試件尺寸以及形狀及各向異性、浸泡介質和碳化等[10-11]。本試驗中，外部因素基本一致，其徐變應變與徐變系數的不同來自于內部因素。內部因素即為材料性質。UCA100中摻入了碎石，彈性模量高，且膠凝材料用量小于UC120，而二者力學強度表現相當，所以，UCA100的徐變性能要明顯優于UC120；C60雖然碎石摻量高、膠凝材料用量少，但是其力學強度最差，綜合表現出最差的徐變性能。UCA100較低的徐變系數對于其在預應力橋梁濕接縫處的應用尤為重要。

3 結論

（1）配制的UCA100含粗骨料超高性能混凝土工作性能良好，出機坍落度為265 mm，擴展度為500 mm，易于泵送，便于施工。

（2）UCA100力學性能優異，28 d抗壓、抗折強度分別高達118.1、14.9 MPa，約為橋梁濕接縫常用普通C60高性能混凝土的2倍，且其早期強度發展也較快，能縮短張拉齡期。

（3）UCA100具有較好的耐久性能，抗凍等級及抗氯離子滲透性能遠優于普通C60高性能混凝土，其56 d抗氯離子滲透系數僅為0.1×10-12m2/s。

（4）UCA100具有優良的體積穩定性能。長齡期干燥收縮小于300 με，120 d徐變系數僅為0.66，均優于UC120與C60。