桥梁湿接缝早强混凝土配比设计与力学功效分析研究

陈鹏

（江西省宜春公路建设集团有限公司，江西宜春 336000）

0 引言

在高速公路改扩建工程中，新旧桥梁的高效拼接是改扩建工程的难点，而湿接缝的质量时常成为影响整桥质量的关键技术点。而要保证湿接缝的浇筑质量，需要提高浇筑湿接缝混凝土的早期强度和耐久性。以广西柳南高速公路拓宽改扩建工程为例，开展桥梁湿接缝早强混凝土配比设计与力学功效分析研究，可为同类湿接缝浇筑工程应用提供技术参考。

1 湿接缝早强混凝土的配比设计

1.1 复配水泥

水泥是混凝土混合料的主要凝胶材料，混凝土可依据其不同的用途或性能需求，在混合料中加进其他相关材料进行混合。本实验引入硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥构成混合料，因为两种混合料均具有良好的水化功效，从而利于在短时间内开放交通。本实验也引入了膨胀剂和硅灰，以利于提高混合料的抗收缩功效。

硅灰是硅铁合金与硅金属冶制过程中，附带生成的二氧化硅晶体。硅灰成核效应良好，吸附水分和凝胶材料。在硅酸盐水泥中，硅灰与C-S-H胶凝反应，能够增强后期混凝土的强度和体系的持久性。根据实验，本研究确定硅灰掺量取5%。

1.2 骨料级配

骨料选择连续级配的砾碎石，粒度范围取5～16mm，细骨料粒度范围取0.05～2mm。中砂与细砂按3∶1比例混合，使两种砂混合后均能符合细度模数和级配需求。砂料筛分结果见表1。

表1 砂料筛分结果

细骨料级配确定后，砂率亦是配制混凝土时应考虑的问题。根据高强度混凝土使用技术规范中的建议，砂率应在35%～42%。依据工程应用比例和课题组的实验反馈，将砂率确定为40%。

1.3 金属纤维

适量加入金属纤维能够明显增强混合料强度、持久性和延展性。通常湿接缝混凝土位于新旧混凝土的过渡界面，对其整体力学功效影响很大。并且依据纤维间隔距离理论，适当掺入金属纤维后，混凝土混合料功效显著提高。本文使用镀铜超细金属纤维（SF）。表2为纤维主要物理参数。

1.4 膨胀剂

工程混凝土需要膨胀功效，多通过掺加膨胀剂来实现，膨胀剂对混凝土硬化收缩有补偿作用。在湿接缝结构中，收缩裂缝不但会影响混凝土的外观，还会影响湿接缝结构的整体持久性。本实验考虑使用氧化钙膨胀剂，一是可以控制材料本身的早期收缩，二是可以增强结构的抗渗透性，并且增强硬化期混凝土的抗干扰性能。实验膨胀剂的含量取10%，按限制膨胀率检测法，测定膨胀剂抗收缩功效。

1.5 外加剂

本实验研究选用高效早强聚羧酸作为外加减水剂。减水剂的应用须通过适配决定，不得随意引入。本研究选用的减水剂，厂家建议用量是0.5%～2%。其剂量试验结果见表3。

表3 减水剂适配结果

2 高低幅振动对早强混凝土力学强度的影响

2.1 程控振动台扰动实验

借助程控振动台，通过振幅和频率调节来模拟扰动。振幅决定实验设定参数的准确性，本研究采用采集仪和移位计对振动台的振幅给予校准。振幅校准后，根据硫铝酸盐水泥（CSA）和金属纤维（SF）的不同剂量，分为三组：CSA对照组（0%SF，5%CSA），SF对照组（1%SF，0%CSA）和空白组（0%SF，0%CSA）来开展不同振幅不同频率的振动。

2.2 高幅振动对早强混凝土力学强度的影响

如经常发生重型车辆过载，当这些车辆通过桥梁时，其会引发更大的振幅。为了模拟混凝土受高幅振动的影响，采用高振幅（5mm）和不同频率（2Hz、5Hz、8Hz），向混凝土试样施加振动。

（1）抗压强度损失率，空白组与SF组

在高振幅（5mm）振动下，受扰前后空白组混凝土比较，短期1d抗压强度损失率在扰动前后分别是9.98%、11.58%和11.98%，随着频率的增加呈现一定的上升趋势。伴随龄期的增加，强度损失率没发生降低，28d达16.52%。

与SF组相比，当混凝土以不同频率振动时，1d抗压强度损失率为3.33%、4.66%和4.99%，28d抗压强度损失率为10.12%，比空白组低。掺入金属纤维使混凝土有良好的抗干扰能力，类似于空白组。频率的增加会扩大混凝土的内部伤损，但是金属纤维提升了基材之间分离需要的振动能量。外部振动所施加的能量，保持混凝土内部相对稳定，内部扩展裂缝较少，因此表现出比空白组更优的抗扰动性能。

与CSA组相比，因为CSA的掺进，缩短了混凝土的凝结时间，经过扰动后，CSA组混凝土进一步缩短凝结时间，大幅缩短了CSA组混凝土的扰动期，进而降低了扰动效应，表明抗压强度1d损失率在4.67%、6.73%和7.10%，抗压强度3d损失率在7.45%、8.8%和10.34%，长时期损失率没有显著增长。

两个对照组的抗压强度损失率都比空白组低，表明CSA和金属纤维的引入有利于混凝土的抗扰功效。

（2）抗折强度损失率，空白组和SF对照组

5mm高幅振动，不同程度地降低了空白组混凝土的强度，并且伴随频率的提升，其降低的程度更大。也就是说，高幅振动对混凝土造成了一定的内部破坏，早期强度受到扰动后强度大幅降低，但后期的水化反应会对内部间隙有一定地修复作用，进而减少强度损失率。金属纤维的掺入，形成桥架作用和分散振动能量的作用，混凝土的抗扰性能在一定程度上得到提高。

2.3 低幅振动对早强混凝土力学强度的影响

实验利用振动台模拟了不同交通条件下混凝土抗压强度试样受车辆振动的情况，并通过强度实验研究了混凝土的扰动状态。

（1）抗压强度损失率，空白组与SF组

空白组（0%SF，0%CSA）试样比较无扰动时，低振幅（3mm）和低频（2Hz）振动引发部分混凝土抗压强度降低。与没有扰动的SF对照组相比，在低频（2Hz）和低振幅（3mm）振动下混凝土抗压强度损失率无显著变化。伴随频率的增加，混凝土的抗压强度损失率并不随之增加，但在抗压强度上却有所加强，不过其中的28d强度变化不大。

空白组的短期抗压强度随着低幅振动出现降低，而纤维组的抗压强度随着频率的增加出现一定提升，纤维有利于混凝土的抗干扰性能。但在低频率振动下，CSA对照组混凝土的抗压强度并没有显著降低趋势。这由于CSA的引入缩短了扰动期，使混凝土很快进入终凝状况。当混凝土最终凝固时，内部已经构成一定的强度，输入的能量不能破坏材料的黏结能力，因此终凝后混凝土的扰动必须考虑。

低振幅振动对于抗压强度的影响较小，但它可以增强混凝土的密实度。当混凝土浇筑成型后，因为粗骨料的沉降，通常会出现不同程度的分层状况。分层导致粗集料下部的水分聚集。伴随时间的推移，水分蒸发构成孔隙，从而导致混凝土密实度降低。在凝结反应的过程中，小幅振动作用会挤出混凝土粗集料中所含水分，减少混凝土料分层，增强其密实度。另一方面，水泥颗粒表面半渗透膜会因水化中的振动而遭受破坏，使水化得以充分开展。膜的破裂和伸展使凝胶包裹的水泥颗粒逐步靠近，并建立更多的接触点，颗粒间的孔隙逐步减少为毛细孔，然后被凝胶填充，使水泥浆尽快硬化，表现出更高的强度。

掺入金属纤维可明显提高混凝土的抗折强度，但是混凝土受扰后纤维是否会因振动产生沉底或分布不均而减弱金属纤维的加固作用，目前尚不清楚。因此，在实验中拟制备一个10cm×10cm×40cm的抗折试样，将此情况通过模拟扰动实验开展探索。

（2）抗折强度损失率，空白组和SF对照组

低幅（3mm）振动，空白组1d混凝土抗折强度其损失率最高，1d最高损失率大于18%，3d最高损失率则在8%左右。

添加金属纤维后，SF混凝土的内部更致密，有害间隙更少。当金属纤维混凝土受到扰动时，应力传播路径是自水泥基体至纤维水泥基体界面，再到高弹塑模量的纤维，这意味着振动能量由纤维和水泥基体共享，进而分散了振动对混凝土的影响。因此，低振幅振动对SF组强度没有明显影响。但CSA组的凝结时间缩短较快，扰动期变短，影响不大。这表明，在早期振动过程中，因为空白组混凝土中缺乏金属纤维桥接作用，集料受振后会有一定程度的下沉，砂浆会在集料间流出，使混凝土表面出现大量浮浆，而试样下部的集料会堆积，不够致密，强度会降低。CSA组和掺纤组的抗弯折强度损失率为负，表明抗弯强度有所提高。

3 结语

本研究对湿接缝早强混凝土的配比设计及力学功效进行了研究。研究发现，扰动可以降低混凝土的凝结和硬化时间。低振幅振动对混凝土的机械强度影响不大，而频率不同的振动则无显著影响。在高振幅振动下，普通混凝土的抗压强度和抗折强度损失率增加，长时期强度损失率继续提升。添加少量（5%）硫铝酸盐水泥或1%的金属纤维可提高混凝土的抗干扰性能。