超高韧性混凝土(STC)工作性能与力学性能的影响因素

曹 健,张可强

(1.苏交科集团股份有限公司,江苏 南京 211112;2.新型道路材料国家工程研究中心,江苏 南京 211112)

1 引 言

钢桥面铺装一直是一项世界性难题,我国经过近二十年的研究与发展,已基本形成以双层环氧沥青(EA)、浇注式沥青(GA)、刚柔组合式(ERS)等为代表的几大主流铺装方案[1-3]。然而各方案在实际建设及服役过程中仍然存在不同程度的不足。如EA铺装方案由于环氧类材料不可逆的热固特性,导致其整体施工难度大、造价高、后期维修养护难度大;GA铺装方案由于高沥青用量、高矿粉用量的原材组成特点,其高温稳定性一直是工程界关注与担忧的焦点;而ERS铺装方案虽然各结构层分工明确,理想状态下仅需对其铺装上层沥青混凝土层开展维修养护即可,但其铺装下层RA层采用冷拌冷铺施工工艺,对于原材料要求高、施工工艺复杂,施工质量控制难度大,且实体工程中也出现过RA层出现裂缝等病害的现象[4]。此外,大跨径桥梁整体刚度偏低、挠度大,长期外部荷载作用下U型加劲肋、纵/横隔板处易产生疲劳裂纹,影响桥梁使用寿命,而现阶段所用柔性铺装结构对桥梁主体刚度提升幅度较小,且无法实现与桥梁主体结构同寿命,上述问题已成为制约我国钢桥面铺装向更长服役寿命发展的技术瓶颈。

因此,近年来国内学者开始将目光转向水泥基刚性铺装层,其中超高韧性混凝土(STC)具有高强、高韧性、高耐久等特点,得到越来越广泛的应用[5]。采用STC铺装方案一方面可以一定程度上提升桥面系整体刚度,降低铺装层及桥面板焊缝处疲劳开裂风险;另一方面,可以将光滑的钢桥面铺装近似转换为水泥混凝土桥面铺装,降低钢桥面铺装难度;再者,STC可实现与桥梁主体结构同寿命,服役期内仅需针对铺装面层开展维修养护即可,全寿命周期经济效益显著。

然而,STC配合比组成复杂,影响因素多,各因素的变动对STC工作性能与力学性能产生不同影响,进而影响铺装层整体质量。因此,针对硅灰种类、硅灰掺量、钢纤维种类与掺加方式等对STC工作性能与力学性能的影响开展相关研究工作,对于掌握不同影响因素对其工作性能与力学性的影响规律,提高STC组合式钢桥面铺装工程质量具有重要意义。

2 原材料及试验方法

2.1 原材料

水泥:所用水泥为P·O 52.5普通硅酸盐水泥。

硅灰:所用硅灰为原状硅灰、半增密硅灰、锆质硅灰及白硅灰,不同硅灰的主要化学组分见表1。

表1 硅灰化学组分 单位:%

细骨料:采用由长沙某公司生产的10～20目石英砂,其SiO2含量大于99%。

石英粉:采用长沙某建材公司生产的325目石英粉,平均粒径为50.15 μm,密度为2.625 g/cm3。

钢纤维:所用钢纤维分别为端钩型钢纤维(Hooked steel fiber,HF)、平直型长钢纤维(Long Straight steel fiber,LF)和波浪型钢纤维(Wave-shaped steel fibe,WF),上述纤维长度均为13 mm、长径比65;平直型短钢纤维(Short Straight steel fiber,SF),长度6 mm,长径比30。

减水剂:采用减水剂为上海某厂家生产的聚羧酸高效减水剂,固含量20%,减水率35%。

水:自来水。

2.2 试验方法

(1)配合比设计。

参照最大密实度理论开展STC配合比设计。

(2)性能检测。

STC工作性能参照GB/T 2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》,以流动度进行表征。

STC抗压强度和抗折强度测试方法参照GB/T 17671-2021《水泥胶砂强度检验方法》开展。

3 影响因素分析

3.1 基准配合比

参照最大密实度理论开展STC配合比设计,基准配合比见表2。

表2 超高韧性混凝土基准配合比

基准配合比工作性能与力学性能见表3。

3.2 硅灰种类对STC性能的影响

在基准配合比基础上,分别以20%的原状硅灰、半增密硅灰、锆质硅灰及白硅灰等量替代水泥,掺入不同种类硅灰后STC工作性能及力学性能试验结果见图1、图2。

图1 不同种类硅灰STC工作性能

图2 不同种类硅灰STC力学性能

由图1试验结果可以看出,整体而言,硅灰的加入一定程度上降低了STC的流动度,主要是硅灰比表面积较水泥大,等量替代水泥后浆体中自由水减少。其中,锆质硅灰对于STC工作性能影响最小,其次为白硅灰,而原状硅灰与半增密硅灰虽然成分相同,由于但半增密硅灰的堆积密度远大于原状硅灰,导致其在浆体中较难分散,进而对STC流动度影响较大。

此外,由STC力学性能试验结果可以看出,虽然白硅灰对于浆体流动度的不利影响大于锆质硅灰,但由于白硅灰中SiO2含量高于锆质硅灰,参与火山灰反应的无定型二氧化硅含量高,可提高STC浆体密实度,对STC力学性能贡献率高于锆质硅灰,因此在相同掺量下其力学性能更好。

3.3 硅灰掺量对STC性能的影响

不同硅灰在不同掺量下STC流动度和力学性能试验结果见图3～图5。

图3 不同硅灰掺量下STC流动度

图4 不同硅灰掺量下STC抗压强度

图5 不同硅灰掺量下STC抗折强度

由上述试验结果可以看出,当掺量低于20%时,STC工作性能随硅灰掺量的增加影响较小,当掺量超过20%时,其工作性能开始出现明显劣化,尤其以半增密硅灰最为显著。

对于力学性能而言,在所试验掺量范围内,锆质硅灰与白硅灰其最佳掺量为20%左右,当其掺量超过20%时,STC力学性能开始出现下降趋势;而原状硅灰与半增密硅灰,其最佳掺量在15%以内。一方面,过高的硅灰掺量,使STC整体需水量增大,在不改变用水量的情况下,STC工作性能降低,影响硬化浆体密实度;另一方面,相关研究表明,常温养生条件下,硅灰的火山灰活性较低,参与火山灰反应的硅灰数量有限,而本研究中采用硅灰等量替代水泥,导致水泥的用量相对降低,最终造成过高硅灰产量下,STC的工作性能出现下降趋势。因此,综合考虑工作性能与力学性能,建议掺加锆质硅灰或白硅灰,且其掺量宜控制在20%以内。

3.4 纤维掺杂方式对STC性能的影响

(1)单掺纤维。

基于基准配合比,分别设定钢纤维体积掺量为0、1%、2%及3%。不同纤维掺量下STC工作性能及力学性能试验结果见图6～图8。

图6 不同纤维掺量下STC流动度

从图6中可以看出,三种纤维的掺入均使得STC的流动性明显降低,在相同体积掺量下,不同类型钢纤维对STC浆体流动性降低幅度由大到小依次为端钩型、波纹、平直型。此外,钢纤维掺量在2%以内时,STC流动度随钢纤维掺量的增加降低幅度较小,当掺量超级过2%时,STC流动度随钢纤维掺量的增加降低速度加快。

从图7、图8可以发现,随着钢纤维体积掺量的增加,STC的抗压强度与抗折强度均逐渐增大,但增幅逐渐减小。由于钢纤维与STC基体间的黏结锚固效应,在STC受力破坏的过程中外力将纤维从基体中拔出甚至拉断需要损耗部分能量,延缓了STC内部裂纹的扩展,改善了其受力特性,从而提高了STC的力学性能。低掺量下随着掺量的增加单位体积内钢纤维的数量增多,纤维间距减小,参与受力的钢纤维数量增多,故随着纤维掺量的增加,STC力学性能显著增加;但过高掺量的纤维易在STC中发生“团聚现象”,影响STC的匀质性并降低纤维与STC基体间的粘结界面强度,进而抵消部分改善效果,表现为力学性能增长变缓[6],甚至随着掺量的继续增加,其力学性能可能出现降低现象。

图7 不同纤维掺量下STC抗压强度

图8 不同纤维掺量下STC抗折强度

此外,不同种类钢纤维对STC力学性能的改善效果与工作性能正好相反,端钩形改善效果最好,其次是波浪形钢纤维,最后是平直型钢纤维。端钩形钢纤维及波浪形钢纤维由于其特殊的外形,其与STC基体间的锚固强度高于平直型钢纤维,在纤维拔出过程中将消耗更多的能量,故相应的STC力学性能优于平直型钢纤维增强组。综合考虑工作性能与力学性能,钢纤维增强STC的最佳体积掺量不宜超过2%。

(2)混杂纤维。

在纤维总体积掺量为2%的基础上,分别调整平直型长钢纤维与平直型短钢纤维的相对掺量。不同混杂纤维组合形式下STC工作性能及力学性能试验结果见图9、图10。

图9 不同纤维混掺组合下STC流动度

从图9可以看出,与基准组相比,掺入2%平直型长钢纤维后,STC流动度明显降低,而随着平直型短钢纤维逐渐取代平直型长钢纤维,STC流动度呈先增大后急剧减小的趋势,当平直型长钢纤维与平直型短钢纤维掺加比例为1∶1时,钢纤维增强型STC流动度最好,表明适量的平直型短钢纤维取代平直型长钢纤维,可以一定程度上削弱纤维单掺对STC工作性能的不利影响。相关研究表明,钢纤维单掺时,由于“边壁效应”,钢纤维在混凝土中流动过程中时将发生旋转,最终取趋向于垂直于流动方向,从而对混凝土的流动产生较大的阻力,进而降低STC的流动度;当采用混掺模式时,纤维的流动模式将发生改变,初始状态下乱向分布的长/短纤维可以视为彼此的“边壁”,一定程度上制约彼此的旋转,降低垂直于基体流动方形的纤维数量,从而减小流动阻力[7,8]。

对于力学性能而言,所试验组别中,纤维的掺入均能不同程度提高STC的抗压强度与抗折强度,其中对抗折强度的影响程度高于抗压强度,当平直型长钢纤维与平直型短钢纤维掺加比例为1.5∶0.5时,纤维增强型STC力学性能最佳,综合考虑工作性能与力学性能,建议采用1.5%平直型长钢纤维与0.5%平直型短钢纤维混掺。

4 结 论

(1)硅灰的加入一定程度上降低STC工作性能,但锆质硅灰与白硅灰对STC工作性能影响相对较小,且由于白硅灰中SiO2含量高于其他硅灰,可发挥火山灰效应的无定型二氧化硅含量高,对STC力学性能的改善效果高于其他硅灰,故在相同掺量下其力学性能更好。

(2)当掺量低于20%时,STC工作性能随硅灰掺量的增加影响较小,当掺量超过20%时,其工作性能开始出现明显劣化,尤其以半增密硅灰最为显著。对于工作性能而言,在所试验掺量范围内,锆质硅灰与白硅灰其最佳掺量为20%左右,而原状硅灰与半增密硅灰,其最佳掺量在15%以内。综合考虑工作性能与力学性能,建议掺加锆质硅灰或白硅灰,且其掺量宜控制在20%以内。

(3)纤维的加入对STC的工作性能有不利影响, 且端钩型钢纤维降低幅度最大, 其次为波浪形钢纤维,平直型钢纤维影响最小,对STC力学性能的改善效果则与工作性能相反,综合考虑工作性能与力学性能,钢纤维增强STC的最佳体积掺量不宜超过2%。

(4)平直型长钢纤维与平直型短钢纤维混掺时,对STC工作性能的不利影响较弱,且随着平直型短钢纤维逐步取代平直型长钢纤维,纤维增强型STC工作性能与力学性能均呈现出先增大后减小的趋势,综合考虑STC工作性能与力学性能,建议采用1.5%平直型长钢纤维与0.5%平直型短钢纤维混掺。