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      STC超高韌性混凝土配合比的研究與應(yīng)用

      2019-11-06 08:29:28
      四川水力發(fā)電 2019年5期
      關(guān)鍵詞:高韌性石英砂鋼纖維

      鐘 波

      (中國(guó)水利水電第七工程局有限公司 第一分局,四川 彭山 620860)

      1 概 述

      云龍灣大橋位于錦江云龍灣,其呈南北走向,基本與錦江正交。工程起點(diǎn)里程為K4+448.000,終點(diǎn)里程為K5+567.000,全長(zhǎng)1 119 m。主橋一跨跨越錦江水面,孔跨布置為(30+80+205+80+30)m自錨式懸索橋,全長(zhǎng)428.35 m,主跨跨度為205 m,橋?qū)?8.5 m。主梁為縱橫格構(gòu)式正交異性橋面板鋼梁,縱橋向由鋼橋面板、U肋組成,橋面板厚16 mm,U肋間距為600 mm。

      該橋?yàn)樽藻^式懸索橋,主梁為鋼梁,梁體較柔,活載作用下變形達(dá)28 cm。經(jīng)多方對(duì)比與綜合考慮,最終鋼橋面采用超高韌性混凝土組合結(jié)構(gòu)和瀝青混凝土鋪裝層的方案,鋪裝總厚度為9 cm,面層為4 cm厚SMA-13C瀝青混凝土,底層為5 cm厚超高韌性混凝土(STC)。為保證底層超高韌性混凝土與鋼橋面的結(jié)合,在橋面板上設(shè)置剪力釘并鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)。

      超高韌性混凝土(Super Toughness Concrete, STC)是一種新型超高強(qiáng)度、高韌性的水泥基復(fù)合材料。與普通混凝土相比,其顯著特點(diǎn)是強(qiáng)度更高、韌性更大、耐久性更好。利用STC材料的這些特性替代傳統(tǒng)的混凝土用于建筑結(jié)構(gòu)中,可以提高其構(gòu)件的開裂強(qiáng)度,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耐久性;用于道路和橋梁結(jié)構(gòu)中,可以增加結(jié)構(gòu)的剛度,提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命等。STC的拌和分為干拌和濕拌,首先將水泥、礦物摻合料、細(xì)集料、鋼纖維和減水劑等幾種材料拌和組成干混料,然后加水進(jìn)行濕拌。STC組分中所用的水泥、鋼纖維、減水劑等均應(yīng)符合現(xiàn)行的國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。STC層與鋼橋面之間通過焊接栓釘連接,栓釘直徑為13 mm,高度為35 mm,縱橫向標(biāo)準(zhǔn)間距為150 mm。STC層內(nèi)配置HRB400級(jí)帶肋鋼筋網(wǎng),縱、橫橋向鋼筋直徑均為10 mm且橫橋向鋼筋位于上層,所有鋼筋的凈保護(hù)層厚度均為15 mm。該項(xiàng)目超高韌性混凝土(STC)橋面鋪裝層面積為15 836 m2,其中STC的設(shè)計(jì)指標(biāo)為STC22,即STC的抗壓強(qiáng)度不小于120 MPa,抗折強(qiáng)度不小于22 MPa。

      2 STC混凝土原材料的選擇及配合比設(shè)計(jì)

      超高韌性混凝土的原材料主要為水泥、礦物摻合料、細(xì)集料、鋼纖維、減水劑和水等,這些原材料的選擇及配合比直接影響STC混凝土的性能。針對(duì)各項(xiàng)性能要求較高的超高韌性混凝土,需要注重原材料的選擇及拌和物的勻質(zhì)性,因此,需要在保證其基本性能的前提下嚴(yán)格選擇原材料并控制其配合比,以滿足其各項(xiàng)性能的特殊要求。

      作為超高性能輕型組合橋面結(jié)構(gòu)體系中超高韌性混凝土(STC)層其超高韌性混凝土的設(shè)計(jì)理論是最大密實(shí)度理論。不同于普通混凝土,超高韌性混凝土去除了大粒徑的粗骨料,所選用的最大粒徑一般為不大于2 mm的石英砂作骨料,選用優(yōu)質(zhì)硅酸鹽水泥,摻入大量超細(xì)高活性摻合料,按最緊密堆積原理確定各組成材料的比例。最大密實(shí)理論的主要原理是毫米級(jí)顆粒(骨料) 的間隙由微米級(jí)顆粒(水泥、粉煤灰、礦粉)填充;微米級(jí)顆粒的間隙由亞微米級(jí)顆粒(硅灰)填充,因此而大大提高了超高韌性混凝土的內(nèi)部密實(shí)度,減少了初始內(nèi)部缺陷,但也使混凝土組成材料的細(xì)度增大。同時(shí),由于高性能減水劑和鋼纖維的摻入,加上采用極低的水灰比,其強(qiáng)度和韌性獲得明顯提高,進(jìn)而得到其特殊的物理力學(xué)性能。

      2.1 原材料的選擇

      (1)材料組成:超高韌性混凝土由一定比例的水泥、礦物摻合料、細(xì)集料、鋼纖維、核心料和水組成[1]。

      (2)水泥:水泥應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥》(GB 175-2007)的規(guī)定,一般選用P.O42.5級(jí)以上的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥,且應(yīng)保證其與外加劑的適應(yīng)性。在為同一工程提供超高韌性混凝土?xí)r,所用水泥應(yīng)為同一廠家、同一品種、同一標(biāo)號(hào),以保證超高韌性混凝土拌和物的均質(zhì)性。

      (3)細(xì)集料:一般選用石英砂,主要起填充作用。石英砂是由石英石經(jīng)破碎加工而成的顆粒,石英砂的質(zhì)地堅(jiān)硬、耐磨、價(jià)格低廉且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,是一種制作UHPC很好的細(xì)集料,其主要礦物成分是SiO2。用于制備UHPC的石英砂的平均粒徑通常為0.315~0.63 mm,且其性能指標(biāo)符合表1中的規(guī)定。

      表1 石英砂和石英粉技術(shù)指標(biāo)表 /%

      (4)鋼纖維:鋼纖維是影響STC抗彎拉強(qiáng)度和韌性的主要因素?;炷恋睦瓚?yīng)力主要是通過基體與鋼纖維的粘結(jié)作用傳遞,因此,基體與鋼纖維粘結(jié)力的大小直接影響到STC抗拉強(qiáng)度的大小。而影響其粘結(jié)力的因素包括基體的配比、鋼纖維的形狀、鋼纖維的長(zhǎng)徑比、鋼纖維的剛度等。該工程采用鍍銅高強(qiáng)度鋼纖維,其性能指標(biāo)符合表2中的規(guī)定。

      表2 鋼纖維性能指標(biāo)表

      注:(1)50根試樣的長(zhǎng)度平均值應(yīng)在12~14 mm或6~8 mm范圍內(nèi)。(2)50根試樣的直徑平均值應(yīng)在0.18~0.22 mm或0.12~0.16 mm范圍內(nèi)。

      (5)減水劑:減水劑應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土外加劑》(GB 8076-2008)和現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB 50119-2013)的規(guī)定,宜選用高性能減水劑,減水劑的減水率宜大于30%。

      (6)水:應(yīng)符合《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ63-2006)的規(guī)定。

      2.2 配合比設(shè)計(jì)

      (1)STC配合比的設(shè)計(jì)目標(biāo)。為了使STC的力學(xué)性能達(dá)到最佳,筆者結(jié)合云龍灣大橋施工的實(shí)際情況,對(duì)STC的配合比進(jìn)行了研究。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)配比,對(duì)本次研究擬訂了兩個(gè)試驗(yàn)思路:①用水量對(duì)STC性能的影響,既固定水泥、石英砂、核心料、鋼纖維用量,改變用水量進(jìn)行STC配合比試驗(yàn),最終確定最佳用水量;②石英砂用量對(duì)STC性能的影響,既固定水泥、核心料、鋼纖維、用水量,改變石英砂用量進(jìn)行STC配合比試驗(yàn),最終確定石英砂的最佳用量。

      (2)基準(zhǔn)配合比的選定。按照經(jīng)驗(yàn)配比,STC的水膠比宜為0.16~0.25。該試驗(yàn)采用以下配合比進(jìn)行試配:

      表3 STC基準(zhǔn)配合比表 /kg

      (3)試驗(yàn)方法。

      ①試驗(yàn)用原材料取自工地現(xiàn)場(chǎng),STC的拌和方法采用60 L強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌和。

      ②配合比試配量按18 L進(jìn)行試拌。

      ③試驗(yàn)方法及步驟:

      a.按計(jì)算稱量水泥、粉料、石英砂并進(jìn)行干混攪拌,邊攪拌,邊將稱好的鋼纖維均勻篩入攪拌缸,鋼纖維完全加入后再繼續(xù)攪拌60 s,直至攪拌均勻;

      b.將按計(jì)量稱量的水加入干混料中,攪拌3~4 min成砂漿;

      c.待STC流化后繼續(xù)攪拌2 min,最終成型;

      d.測(cè)量STC坍落度(或擴(kuò)展度)并記錄;

      e.將所配得的STC混凝土入模,采用高頻振動(dòng)器振搗密實(shí),制得一組100 mm×100 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)抗壓試塊和一組100 mm×100 mm×400 mm的抗折試件,蓋膜養(yǎng)護(hù)至終凝;

      f.終凝后拆模進(jìn)行高溫蒸汽養(yǎng)護(hù),采用80 ℃~90 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)(72±1)h,或?yàn)?0 ℃及以上蒸汽養(yǎng)護(hù)(48±1)h;

      g.養(yǎng)護(hù)3 d后再進(jìn)行抗壓抗折試驗(yàn)并做好記錄。

      (4)試配采用的調(diào)整方法。按以上配合比進(jìn)行試拌,檢查拌和物性能,試拌符合要求后得出基準(zhǔn)配合比,若坍落度、粘聚性、保水性不能滿足要求時(shí),則需在保證水灰比不變的情況下調(diào)整用水量或減水劑,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試配后,得出基準(zhǔn)配合比。

      在基準(zhǔn)配合比基礎(chǔ)上:①用水量分別增減15 kg/m3變動(dòng)得到三種配合比,用其進(jìn)行STC強(qiáng)度試驗(yàn);②石英砂用量分別增減80 kg/m3變動(dòng)得到三種配合比,用其進(jìn)行STC強(qiáng)度試驗(yàn)。試件留置:試配方量為每次18 L,每種配合比留件1組。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4、5[2,3]。

      (5)試驗(yàn)總結(jié)。

      ①根據(jù)表4中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出用水量對(duì)STC性能的影響:相對(duì)于基準(zhǔn)配比,上調(diào)用水量至215 kg/m3的配比抗壓和抗折強(qiáng)度減小,塌落度和擴(kuò)展度增大;下調(diào)用水量至185 kg/m3的配比其抗壓和抗折強(qiáng)度增大,塌落度和擴(kuò)展度減小。

      表4 配合比調(diào)整用水量試驗(yàn)參數(shù)表

      表5 配合比調(diào)整用砂量試驗(yàn)參數(shù)表

      在一定范圍內(nèi),減少用水量可以使STC的力學(xué)性能增加,但會(huì)使其塌落度和擴(kuò)展度減小而無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求,從而使實(shí)際施工的難度增大。綜合上述兩個(gè)因素可以得出STC配比的最佳用水量為200 kg/m3。

      ②根據(jù)表5中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出石英砂用量對(duì)STC性能的影響:相對(duì)于基準(zhǔn)配比,上調(diào)石英砂用量至960 kg/m3的配比其抗壓和抗折強(qiáng)度有少許減小,塌落度和擴(kuò)展度減小;下調(diào)用水量至800 kg/m3的配比其抗壓和抗折強(qiáng)度增大,塌落度和擴(kuò)展度增大。

      在一定范圍內(nèi)增加石英砂用量,對(duì)STC的力學(xué)性能影響不大,但會(huì)使其塌落度和擴(kuò)展度減小,從而使實(shí)際施工的難度增大。綜合上述兩個(gè)因素可以得出STC配比中的最佳石英砂用量為880 kg/m3。

      (6)配合比的確定。根據(jù)試驗(yàn)得出的STC強(qiáng)度與其對(duì)應(yīng)的用水量和石英砂用量的關(guān)系,結(jié)合云龍灣大橋的設(shè)計(jì)要求及施工環(huán)境確定的最終配合比見表6[4,5]。

      表6 STC最終配合比表 /kg

      3 結(jié) 語(yǔ)

      STC混凝土配合比確定后,云龍灣大橋經(jīng)過2個(gè)月時(shí)間的施工,STC混凝土經(jīng)歷原材料的控制、拌和、現(xiàn)場(chǎng)攤鋪、蒸養(yǎng)等工序后,經(jīng)檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求,真正發(fā)揮了其強(qiáng)度更高、韌性更大、耐久性更好的顯著特點(diǎn)。

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