铺装层超高性能混凝土密配钢筋的通过性研究

2022-03-01杨洪磊郑渝班鹏辉朱涛林玮

江苏建材 2022年1期

杨洪磊，郑渝，班鹏辉，朱涛，林玮

（1.中交路桥华南工程有限公司，广东中山 528403；2.江苏苏博特新材料股份有限公司高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏南京 211103）

0 前言

超高性能混凝土（UHPC）是指兼具超高抗渗性能和力学性能的纤维增强水泥基复合材料。UHPC具有较高的抗弯拉强度及应变硬化特性，在钢桥面薄层铺装中展现出独特的结构应用优势[1-4]。通过钢桥面的UHPC薄层铺装，增加结构刚度，并协助钢桥面承受弯拉疲劳荷载，可大大提升钢桥面及其铺装层的服役性能及寿命。

超高性能轻型组合桥面结构技术规程指出[5]，密配筋对于钢桥面UHPC铺装层开裂前抗拉强度具有显著效果，钢筋间距有可能仅有33 mm。但是，由于UHPC的制备技术特点[6-9]，包括极低的水胶比、大量微细胶材粉体、以及高体积掺量的钢纤维等，导致UHPC拌合物粘聚性高、流动缓慢，密配筋通过性亟需考察与解决。

UHPC拌合物对密配筋的通过性，直接影响实际铺装工程施工的效率与质量。针对特定性能要求的UHPC拌合物的密配筋通过性开展针对性实验研究，通过实验设计，考察了钢筋间距、UHPC拌合物流动性、以及振动等对密配筋通过性及密实填充效果的影响，为类似工程的UHPC拌合物流动性调控及相应施工工艺选择提供参考。

1 原材料、配合比与实验方法

1.1 原材料与配合比

本研究UHPC原材料系由江苏苏博特新材料股份有限公司提供的超高性能混凝土预混料SBT-UDC(II)产品，其包含核心干混料、液料与微细钢纤维三个组分，加入自来水拌合后使用。其中核心干混料为依据最紧密堆积原则的各种胶材与洗骨料的精细配伍；液料为具有大减水、降粘与减缩作用的功能性液体外加剂；微细钢纤维为直径0.18～0.22 mm、长度12～14 mm的微细镀铜钢纤维，单丝抗拉强度≥2 500 MPa。

本研究使用的基准实验配合比如表1所示，水胶比为0.16，胶砂比为1∶1，钢纤维体积掺量为3.5%。

表1 UHPC基准实验配合比单位：kg/m3

1.2 试验方法

本研究UHPC基本性能测试依据《超高性能混凝土基本性能与试验方法》（T/CBMF 37—2018）进行，包括抗压强度、抗折强度及坍落扩展度等。

UHPC拌合物的流动性通过在基准实验配合比基础上，适当增减液料用量调整。

为考察UHPC拌合物的钢筋间距通过性，分别采用J环扩展度试验方法、不同孔径方孔筛筛余及模拟构件钻芯取样的方式开展研究。

其中J环扩展度试验方法遵照《自密实混凝土应用技术规程》（JGJ/T 283—2012）进行。

采用满足《试验筛技术要求和检验第2部分金属穿孔板试验筛》（GB/T 6003.2—2012）要求的，筛孔边长分别为31.5 mm、37.5 mm、53 mm、63 mm，以及筛盘直径30 cm的方孔筛，量取5 L的UHPC拌合物，1 min内经自重作用通过方孔筛，并计算其通过率。

采用Φ10的HRB400螺纹钢筋制作间距为35 mm间距钢筋网片，置于相应模具中，采用垫块使网片距离底模15 mm，浇筑UHPC拌合物，并标准养护后钻芯取样，观测内部密实情况。钢筋布置及试件尺寸情况如图1所示。

图1 UHPC密配筋通过性试验的试件尺寸与钢筋配置

所有测试与成型工作均在拌合1 h内完成。

2 实验结果与讨论

2.1 强度及流动扩展度

通过调整液料的用量，分别得到三种不同坍落扩展度的UHPC拌合物，其流动性能、力学性能等基本情况见表2。

表2 实验UHPC基本性能

从表2中可以看出，随着液料掺量的递增，UHPC拌合物U1、U2、U3的流动性逐步提高，分别控制在650 mm、750 mm与850 mm坍落扩展度水平。同时，在拌合1 h内，各UHPC拌合物的流动性能基本保持不变。表2还显示出，随着UHPC拌合物流动性的增加，其含气量略有下降，但基本保持在同一水平。随着含气量的降低，标准养护28 d的UHPC抗压试件强度也随着增长，但由于含气量的变化不大，其抗压强度也在同一水平。UHPC的抗折强度主要受到纤维掺量与“基体-纤维”粘结强度的影响，因此，在纤维掺量相同与基体强度相当的情况下，拌合物U1、U2、U3 28 d的UHPC抗折试件强度均约为29 MPa。

2.2 J环扩展度实验

采用J环扩展度实验方法，对UHPC拌合物U1、U2、U3的测试结果如表3所示。

表3 实验UHPC的J环扩展度实验结果

J环扩展度实验方法所测得的间隙通过性指标（PA）为拌合物坍落扩展度与J环坍落扩展度的差值。从表3中可以看出，在钢纤维体积掺量3.5%时，尽管拌合物U1、U2和U3的坍落扩展度处于不同水平，但其PA值均小于等于25 mm，达到间隙通过性最高的PA2等级，并在数值上没有显著差异，即J环并未对这三种UHPC拌合物的流动形成明显的阻碍。

去粗骨料化是UHPC的传统制备理念之一，因此，本研究的UHPC拌合物实际上是极低水胶比的大流态高钢纤维掺量水泥基砂浆体系。表3的结果表明，在UHPC拌合物具有较高流态的情况下，均匀分散在浆体内部的高掺量的短微细镀铜钢纤维，并未在J环两站腿的间隙（间距58.9 mm）处形成滞留、搭接或团聚，从而未进一步阻挡UHPC拌合物的流动。

2.3 方孔筛通过率实验

不同流动性的UHPC拌合物对于不同边长筛孔的方孔筛的通过率实验结果如表4和图2所示。由表4可以看出，拌合物的方孔筛通过率随着流动性的增大而增加；同时，随着方孔筛边长的增加，拌合物的通过率也相应增加。值得注意的是，当方孔筛筛孔边长变为31.5 mm时，流动性最小的U1拌合物的通过率仅为14.2，大部分拌合物无法顺利通过筛孔，流动性最大的U3拌合物的通过率也不超过50%；当方孔筛筛孔边长为53 mm时，所有拌合物的通过率均高于85%，其中流动性最大的U3拌合物的通过率达到了92.2%。

表4 UHPC拌合物的方孔筛通过率实验结果

另一方面，从图2可以看出，当筛孔边长分别为31.5 mm、37.5 mm和53 mm时，流动性与通过率线性相关的斜率分别为0.176、0.208和0.034。这说明，当筛孔边长为53 mm时，本方法对于不同流动性的UHPC拌合物的间隙通过性区分度较差。这也印证了J环扩展度实验未能较好地区别不同流动性UHPC拌合物间隙通过性的实验结果。而当筛孔边长为37.5 mm时，区分度最好；当筛孔边长进一步缩小至31.5 mm时，线性相关斜率相较37.5 mm筛孔边长时略有下降，这意味着进一步缩小筛孔边长，将导致该方法的区分度下降。

图2 UHPC拌合物对于方孔筛的通过率

2.4 钢筋网片模拟浇筑试验

表5显示了钢筋网片模拟浇筑试验的基本情况。由表5可知，一次布料浇筑后，不同流动性的UHPC拌合物在钢筋网片上的堆料高度随着拌合物流动性的降低而增加。这也反映出UHPC拌合物的钢筋间隙通过性能随着流动性的减少而减少。其中，流动扩展度为650 mm的UHPC拌合物U1的堆料高度达到43 mm，流动扩展度为755 mm的UHPC拌合物U2的堆料高度达到21 mm，而流动扩展度为845 mm的UHPC拌合物U3的堆料高度仅为16 mm。如以试件制作高度60 mm计算，分别有28.3%的U1拌合物、48.3%的U2拌合物、63.3%的U3拌合物通过密配筋钢筋网片，进入钢筋网片下层的模具空间。该计算结果与表4中37.5 mm方孔筛的UHPC拌合物通过率测试结果最为接近。同时，为密实成型，采用手持式平板振动器振动UHPC拌合表面致其密实填充整个模具，由于流动性的不同及堆料高度的不同，流动性最大的拌合物U3仅需8 s，而流动性最小的拌合物U1需要30 s。这也说明，即便在振动的作用下，较小流动性的UHPC拌合物的密配筋通过依然困难。