桥梁伸缩缝过渡区混凝土性能优化研究

姚新宇　黄俞云　韩志盈

摘要：文章根据桥梁伸缩缝结构受力特点，以C50混凝土配合比为基准，通过试验研究双掺EVA-HPMC对硫铝酸盐水泥混凝土力学性能、耐久性、收缩性等性能的影响。研究表明：EVA与硫铝酸盐水泥具有良好的适应性，随着掺量的增加，混凝土弯拉强度、粘结强度、耐久性等指标均有明显提升，HPMC的复合掺入进一步改善上述指标并对混凝土早期塑性开裂改善明显。同时，通过EVA-HPMC掺量变化对混凝土性能的改善趋势，提出了EVA经济掺量为4%的建议，并建立了EVA-HPMC改性硫铝酸盐水泥混凝土拉拔粘结强度与劈裂抗拉强度的幂函数相关关系。

关键词：醋酸乙烯酯-乙烯共聚物;HPMC;硫铝酸盐水泥;桥梁伸缩缝;力学性能;耐久性

0 引言

车辆行驶经过桥梁伸缩缝往往有较为明显的跳车现象。由于新建道路通车后，实际车辆轴载大于设计轴载，实际交通量与增速往往也大于预测值，导致车辆对桥梁伸缩缝的冲击作用更加明显。车辆轮胎对桥梁伸缩缝装置的巨大冲击力可导致伸缩缝过渡区混凝土损坏、脱落、松动，同时在雨季由冲击荷载引起的动水压力，更会加速桥梁伸缩缝病害的发展，大大缩短伸缩缝使用寿命[1]。

桥梁伸缩缝过渡区混凝土主要承受来自车辆轮压的动载，当车辆行驶至伸缩缝时，所产生的轮压荷载由锚固系统传导至过渡区混凝土，过渡区混凝土因荷载产生压缩变形。当车轮行驶通过过渡区混凝土后，则会有一个应力释放过程，而轮压越大，拉应力就会越大[2]。此外由于桥梁伸缩缝由梁板、联动机构、锚固钢筋及过渡区混凝土等多构件构成（如下页图1所示），施工中难以实现摊铺平顺，不平整问题十分常见。而车辆行驶通过则会造成振动形成冲击力，且所产生的振动属于高频振动，在反复振动荷载下，混凝土更易剥离、疲劳破坏[3-5]。因此从桥梁伸缩缝混凝土受力特点及病害成因综合分析，为了延长桥梁伸缩缝使用寿命，有必要在满足经济性的条件下，提升混凝土抗拉强度、新旧混凝土界面粘结强度、体积稳定性（收缩）等指标，并实现快速开放交通、提升通行效率的目的。

近年来国内外学者对聚合物改性水泥材料均做了大量研究，大部分研究主要集中在聚合物种类比选与掺量的确定上，且多数采用普通硅酸盐水泥进行改性并验证混凝土与砂浆的相关指标性能[6-14]，但对特种水泥聚合物改性及复合掺入HPMC改善混凝土性能方面的研究较少。本研究旨在研究EVA与HPMC掺入下对特种水泥混凝土性能的改善，应用于桥梁伸缩缝病害修复，并建立复合改性特种混凝土关键力学指标间的相关关系，为混凝土构造物病害快速修复高性能材料的开发与工程应用提供试验基础与依据。

1 试验与方法

1.1 原材料

原材料采用广西云燕特种水泥建材有限公司生产的R.SAC 42.5低碱度硫铝酸盐水泥，国内某公司生产的醋酸乙烯酯-乙烯共聚（EVA）可再分散胶粉（主要技术指标见表1），上海臣启化工科技有限公司生产的羟丙基HPMC（主要技术指标见表2）。减水剂采用聚羧酸高性能减水剂（粉剂），细料选用钦州砂场（Ⅱ区）细度模数为2.97的细料，粗集料选用吴圩胜兴石场生产的碎石，粒径分档为4.75～9.5 mm、9.5～19 mm，水采用实验室用自来水。

1.2 试验配比与试验方法

配合比设计参照《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011），预先确定水灰比、砂率及碎石用量，再根据研究计划掺入不同剂量的EVA及HPMC。基准配合比见表3，EVA-HPMC掺量见表4。

1.3 混凝土的制备

采用强制搅拌机拌和混凝土，将砂、碎石加入干拌30 s，随后加入水泥、减水剂（粉剂）、EVA、HPMC、EVA助剂干拌90 s，最后加入水搅拌2 min。搅拌后测试混凝土坍落度并入模，成型试件采用振实台振动密实成型，24 h后拆模，而后根據研究需要选择实验条件进行养护与试验。

1.4 试验方法

根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30-2005）测定混凝土抗压强度、弯拉强度、劈裂强度、弹性模量，收缩性指标。根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082-2009）测定混凝土塑性开裂、疲劳寿命等性能指标。直接拉拔粘结试验参考《道桥用防水涂料》（JC/T975-2005）。

2 力学性能分析

2.1 强度分析

分别将不同掺量EVA及HPMC的混凝土进行抗压、弯拉强度试验，其28 d强度如图2所示。

由图2可知，双掺EVA与HPMC时，对混凝土抗压强度也没有改善，且随着EVA掺量增加而有一定的降低趋势，掺量范围内抗压强度最大降低幅度为5.84%。但弯拉强度随着EVA与HPMC的掺入有着较明显的提高。在单掺0%～5%EVA条件下，弯拉强度分别提高0%、1.96%、1.96%、7.84%、15.69%、17.65%。在0.05% HPMC掺量下，随着0%～5%EVA的掺入，弯拉强度分别提高0%、1.96%、3.92%、7.84%、15.69%、21.57%。在0.1% HPMC掺量下，随着1%～5% EVA的掺入，弯拉强度分别提高0、1.96%、7.84%、9.8%、19.61%、23.53%。同时，由图2可以看出，随着EVA与HPMC的掺入，尤其当EVA掺量>3%时，硫铝酸盐混凝土的折压比明显提高。

2.2 拉伸粘结性能

由于影响拉拔粘结强度的因素还与旧混凝土界面的粗糙度、洁净程度等因素有关[15]，采用固定的旧混凝土界面参数（见表5）进行混凝土直接拉拔粘结试验，同时参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30-2005）进行混凝土劈裂抗拉实验。如图3所示，当 EVA掺量为5%，HPMC掺量为0.1%时，劈裂抗拉强度与拉拔粘结强度值最大，分别较基准混凝土提高63.4%、337.8%，并且HPMC的加入使得掺入EVA的混凝土拉拔粘结强度与劈裂抗拉强度都有所增加，在相同5% EVA掺量条件下，掺入0.05%HPMC、0.1%HPMC比没掺入HPMC其拉拔粘结强度分别提高了4.4%、10.61%，劈裂抗拉强度分别提高5.9%、15.9%，但是单掺HPMC对混凝土拉拔粘结强度与劈裂抗拉强度均无影响。由图3可以看出，当掺量>4%时，其拉拔粘结强度与劈裂抗拉强度增加幅度有所放缓，因此EVA掺量4%可作为经济掺量参考。

直接拉拔粘结试验存在试验设备、夹具、粘结接触面条件等因素变异性大的问题，造成测量数据离散性较大，因此可寻找相近试验进行替代与预测。采用固定的旧混凝土界面参数（见表5），对比直接拉拔粘结强度与劈裂抗拉强度，两者可获得良好的相关关系，最终可通过劈裂抗拉强度试验对改性硫铝酸盐混凝土拉拔粘结强度进行预测。综合试验数据，由图4所示改性硫铝酸盐混凝土劈裂强度与拉拔粘结强度的关系曲线，两指标关系函数见式（1）。式（1）反映了EVA与HPMC对硫铝酸盐混凝土粘结性能及劈裂抗拉强度的改性趋势。

3 耐久性分析

3.1收缩性

混凝土塑性开裂是评价混凝土长期服役能力的重要指标，参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082-2009），测定不同EVA与HPMC掺量下混凝土的早期塑性开裂总面积，试验条件采用固定风速，测定风速为8 m/s，室内恒定温度为25 ℃，裂缝宽度采用混凝土裂缝测试仪测试，测定24 h早期塑性开裂总面积。不同EVA与HPMC掺量下的混凝土早期塑性开裂及干缩情况如图5所示。

由图5可知，塑性开裂总面积随着EVA的掺入而降低，而HPMC的掺入可以非常明显地减少塑性开裂总面积。当HPMC掺量为0.1%，EVA掺量达到5%时，不会出现塑性开裂。HPMC的掺入对混凝土塑性开裂总面积的改善更为明显，在0% EVA掺量下，掺入0.1% HPMC其塑性总开裂面积仅为基准的56.2%;在3% EVA掺量下，掺入0.1% HPMC其塑性总开裂面积仅为掺入0%HPMC的20.3%，因此HPMC的掺入能防止混凝土因养护不规范造成的早期塑性开裂。此外混凝土的干缩值随着EVA及HPMC掺量的增大而明显减少。由图5可看出，当EVA掺量>2%时，混凝土干缩值随着EVA掺量的增加下降幅度加大，且在相同EVA掺量下，HPMC的掺入能够对混凝土28 d干缩值有进一步改善。因此，双掺EVA-HPMC对混凝土的体积稳定性及抗开裂性能具有良好的改善，应用于桥梁伸缩缝过渡区可大大降低抵抗动载以及雨天动载引起的动水压力对混凝土造成的损害。

3.2 模量与疲劳性能

采用固定应力水平条件，应力设定为基准配合比混凝土弯拉破坏压值的0.7，固定荷载频率采用10 Hz。如图6所示，随着EVA及HPMC掺量的增加其累积荷载次数随之增加，弯拉弹性模量随之降低。当EVA掺量>3%时，其疲劳寿命次数随着EVA掺量的增加而增长较快;当HPMC掺量为0.1%，EVA掺量为5%时，其累积疲劳次数相比基准混凝土提高2.8倍，模量降低9.5%。同时，试验数据表明，EVA-HPMC的双掺比单掺EVA累计疲劳次数进一步增加，但对动弹性模量影响不明显，单掺HPMC则其掺量对动弹性模量与累积荷载次数均无明显影响。因此，由EVA-HPMC复合改性的硫铝酸盐混凝土在疲劳寿命与协调变形适应上具有更大优势，在桥梁伸缩缝、错台修补以及适应动载的结构补强领域具有广阔的应用空间。

4 结语

（1）混凝土弯拉强度、粘结强度、劈裂抗拉强度、累积疲劳荷载次数随着EVA掺量的增加而提高。其中EVA掺量为2%～4%时上述指标开始快速增长，掺量>4%时，上述指标增长速率放缓。因此4% EVA掺量可作为经济掺量参考标准。

（2）HPMC与EVA双掺会对弯拉强度、粘结强度、劈裂抗拉强度、累积疲劳荷载次数、早期塑性开裂及28 d干缩值有进一步改善，但0～0.1%范围内单掺HPMC除对混凝土早期塑性开裂及28 d干缩值有改善外，对强度指标无明显影响。

（3）EVA-HPMC复合改性硫铝酸盐混凝土的拉拔粘结强度与劈裂抗拉强度具有良好相关性，可根据劈裂抗拉强度间接评价改性混凝土的粘结性能。

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