清遠北江四橋STC收縮性能研究

韋勇克 楊盼杰

摘要：文章結(jié)合清遠北江四橋工程實例，通過試鋪試驗及試塊試驗，研究STC的收縮性能和力學性能。研究結(jié)果表明，STC的收縮應變受邊界條件、溫度變化及尺寸效應等因素影響，且在整個養(yǎng)生過程中強度發(fā)展和收縮性能呈現(xiàn)規(guī)律性的變化，而STC層開裂與否和施工工藝及外界環(huán)境有著密切的關系。

關鍵詞：橋梁工程;鋼-STC組合橋面板;收縮應變;溫度收縮;化學收縮;附加應力

0 引言

在我國大跨徑公路橋梁建設工程中，超高性能混凝土已經(jīng)越來越多的得到應用，其粉末狀的形態(tài)雖然賦予了其超高強度與高密實性的特點，但也導致了其收縮應變比普通混凝土大的缺陷。

目前為止，眾多學者[1]已對UHPC做了大量的收縮試驗，并總結(jié)了很多對工程實踐有價值的結(jié)論。普遍認為通過蒸汽高溫養(yǎng)護能基本消除UHPC的收縮應變，且養(yǎng)護溫度一般在50℃以上才能加速收縮應變的產(chǎn)生。雖然UHPC材料的具體配方存在差異，但研究表明，對于自由形態(tài)的UHPC試件其收縮值在600～1000με不等[2]。法國相關規(guī)范[3]認為，收縮應變的總值為自收縮與干燥收縮之和，且自收縮約占總收縮的80%以上，而干燥收縮更多的表現(xiàn)在蒸汽養(yǎng)生之后，約占10%左右。事實上，在某些情況下塑性收縮、溫度收縮及化學收縮[1]等影響因素也將很大程度影響著裂縫的開展，在工程應用中不可忽略。塑性收縮通常在UHPC養(yǎng)護早期占據(jù)主導地位，此時混凝土由于沒有形成強度，所以易產(chǎn)生早期裂紋，眾多學者均對此進行了研究，但均是在無約束條件下進行的。溫度的提高雖然會加速其收縮應變的產(chǎn)生，但也會產(chǎn)生溫度膨脹，過高的大氣溫度會導致UHPC早期養(yǎng)護時由于膨脹應變過大而產(chǎn)生開裂。黃政宇[4]等人研究了配筋條件下UHPC的收縮應變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著配筋率的增加，收縮應變減小，這表明約束條件下UHPC內(nèi)部存在附加應力。

事實上，雖然很多學者對UHPC的收縮進行了透徹的研究，但基本都集中在自由狀態(tài)下UHPC養(yǎng)護早期收縮應變的規(guī)律，且均為單一變量的研究。對于純約束條件下的UHPC收縮應變變化規(guī)律目前還沒有發(fā)現(xiàn)。在實際工程中，STC與鋼頂板基本固結(jié)，在STC養(yǎng)護過程中眾多因素會使STC產(chǎn)生較大的附加應力，STC現(xiàn)場養(yǎng)護面臨著嚴峻的考驗。雖然鋼-STC輕型組合橋面板已經(jīng)應用了20余座橋梁，但對于STC全過程養(yǎng)護期間收縮應變影響因素及其變化規(guī)律尚未給出全面的[JP]數(shù)據(jù)與系統(tǒng)的分析，所以本文有必要對此進行研究。

1 工程背景

清遠北江四橋位于清遠市區(qū)三橋和五橋之間，是清遠市市區(qū)一座城市景觀橋，該橋結(jié)構(gòu)形式為超寬幅大懸臂雙塔單索面斜拉橋，它是鋼-STC組合橋面板在單索面斜拉橋中的首次應用。

考慮到該橋STC施工時間為7～9月，該地區(qū)大氣溫度較高，天氣多變，伴有臺風，溫差較大，且STC材料為廣東長大公司研配，該公司并無STC施工經(jīng)驗，故為了模擬STC在實際施工的施工工藝，驗證該材料在大面積攤鋪過程中結(jié)構(gòu)的安全性，針對STC材料收縮性大的特點，在該公司進行了場內(nèi)試鋪試驗。作者分別對試鋪試驗和試塊試驗進行了全過程的監(jiān)控，并進行了簡單的試塊收縮試驗，記錄其收縮應變值及特定階段的材性試件力學指標，以便對其進行強度和應變雙重監(jiān)控。

2 場內(nèi)試鋪試驗

試驗段寬11m，長14.7m，為了模擬實橋鋼板懸臂的結(jié)構(gòu)形式，試驗段中心位置有一段寬4.5m，長12m的脫空鋼板，其余部分為混凝土地面，且在試驗段四周共埋入傳感器以便監(jiān)測收縮應變。

2.1 強度

在試鋪試驗時，與試驗段同批澆筑材性試件，與試驗段保持同樣的養(yǎng)生條件，分別在自然養(yǎng)生和蒸汽養(yǎng)生結(jié)束后對其進行力學性能試驗，以便對其進行強度監(jiān)控。可以得出蒸汽養(yǎng)生提高了STC的力學性能，且當STC進行了足夠時間的自然養(yǎng)生時，抗折強度為蒸汽養(yǎng)生后強度的84.9%，可見，蒸汽養(yǎng)生對強度的提高更多表現(xiàn)為時間的縮短，具體見表1。

圖1（a）為自然養(yǎng)生階段，可以看出應變隨溫度呈規(guī)律性的變化，其中在12h左右前后應變與溫度的關系出現(xiàn)了相反的變化。在此之前，升溫時應變減小，降溫則應變增加，這是因為測量起始點為STC保濕膜鋪裝完畢，此時STC基本呈完全塑性，自由無約束，溫度的升降很容易使其熱脹冷縮;當在12h左右時，應變曲線出現(xiàn)一段平臺，這是因為STC發(fā)生了急劇的水化反應，產(chǎn)生的收縮應變與升溫造成的膨脹持平，隨著水化加劇，表面發(fā)燙，STC逐漸變硬，溫度不斷上升，應變增幅在2h內(nèi)達50～75με;此后STC基本成型，與地面形成牢固的粘結(jié)，溫度降低后，由于與地面的固結(jié)作用反而使STC承受拉應力，故應變隨后減小，收縮應變局部變化與溫度的升降保持相同的規(guī)律，但總體保持增加趨勢，說明水化反應依然在緩慢進行?？梢钥闯?5h和50h左右出現(xiàn)溫度峰值，此時均為白天正午左右，此后溫度驟降，這是由于晴天時暴雨驟降，導致溫度起伏過大，由于未蓋保溫膜，STC溫度極易受外界環(huán)境影響，導致STC應變隨晝夜及天氣變化出現(xiàn)急變，增降幅可達100με，且STC在鋪保濕膜前未灑水，后期缺乏灑水降溫處理，導致STC溫度收縮、塑性收縮變化大，STC鋪在混凝土地面，近似剛性連接，所以可以推測約束拉應力較大，有開裂可能。

圖1（b）為蒸汽養(yǎng)生階段，在蒸汽養(yǎng)生初期，由于一開始未蓋保溫棉，夜間一直伴有間歇性陣雨，所以STC溫度后溫度上升較慢。在溫度達到60℃以前，應變增長緩慢，10h內(nèi)增長約50με，這是由于升溫可以促進水化反應，但升溫又會增大溫度膨脹，且STC吸濕膨脹，蒸汽養(yǎng)生初期溫度相對較低，水化速率不高，所以宏觀表現(xiàn)收縮應變增長緩慢，甚至出現(xiàn)減小趨勢;當溫度超過60℃，水化加快，當參考溫度線上升至100℃左右時，水化速率明顯增大，這是由于增加了蒸汽量，升溫的同時必然促進水化，此階段主要為化學收縮與自收縮，但至蒸汽養(yǎng)生約70h后結(jié)束，應變依然保持增長趨勢，說明STC并未充分水化。但蒸汽養(yǎng)生收縮應變占總應變約75%，蒸汽養(yǎng)生消除了大部分收縮。

圖1（c）所示為自然降溫階段，降溫過程采用自然降溫，降溫速率先快后慢，STC在大氣環(huán)境中內(nèi)部溫度最終維持在45℃左右。在溫度降至60℃以前，STC應變依然增長，這是因為蒸汽養(yǎng)生期間水化并不充分，溫度為60℃以上可明顯促進水化，且由于STC邊界翹起，約束減小，降溫促使STC進一步收縮，但此后基本穩(wěn)定，并受晝夜溫度變化進行微變。事實上，由于近似剛接的邊界條件，使后期受晝夜溫差影響較小，但干燥收縮和溫度相互關聯(lián)，所以宏觀上收縮變化依然與溫度有關。最終，由于蒸汽養(yǎng)生溫度的差異，各測點收縮應變穩(wěn)定，但分布在300～550με之間。

2.3 病害

事實上，在自然養(yǎng)生階段結(jié)束后STC表面出現(xiàn)多條明顯的裂紋，并在蒸汽養(yǎng)生完畢后發(fā)現(xiàn)STC表面出現(xiàn)眾多鼓包，且STC邊界出現(xiàn)翹起現(xiàn)象。

在自然養(yǎng)生階段，出現(xiàn)了大暴雨，STC溫度急劇下降，隨后雨過天晴氣溫又逐漸回升;又因為STC剛試鋪完成后沒有及時灑水降溫，當天大氣溫度較高，導致STC在沒有成形前溫度變化過大，且塑性收縮過大。最終導致自然養(yǎng)生階段結(jié)束后表面出現(xiàn)多條明顯的裂紋。根據(jù)材性試驗可知，此時STC抗壓強度約100MPa，抗折強度約25MPa，故一般不會結(jié)構(gòu)性開裂。隨后又進行約70h的蒸汽養(yǎng)生，發(fā)現(xiàn)之前自然養(yǎng)生產(chǎn)生的裂紋基本消除，所以可以斷定自然養(yǎng)生產(chǎn)生的裂紋為表面裂紋，且進一步說明蒸汽養(yǎng)生可以使STC充分水化熱，有愈合細小裂紋的作用。蒸汽養(yǎng)生結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)STC邊界翹起，并發(fā)現(xiàn)STC表面有大量鼓包，可見蒸養(yǎng)期間，STC內(nèi)部拉應力較大，且STC材料攪拌或攤鋪不均勻，并導致局部水化不充分。

3 場內(nèi)試塊試驗

在試鋪結(jié)束后，隨后又進行了100mm×100mm×400mm試件室內(nèi)試驗，試件共分為A、B、C三組試件。其中A組試件自然養(yǎng)護24h，在標養(yǎng)箱蒸養(yǎng)48h;B組試件自然養(yǎng)生12h（此時水化熱劇烈），在標養(yǎng)箱蒸養(yǎng)48h;C組試件為按照實橋STC的配筋率配置了兩層鋼筋，自然養(yǎng)生12h（此時水化熱劇烈），在標養(yǎng)箱蒸養(yǎng)48h，并全過程測其收縮應變。由于現(xiàn)場試驗條件的限制，整個試驗依然采用傳感器的測量方式，并非采用《普通混泥土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GBT50082-2009）[5]中規(guī)定的試驗方法。

3.1 強度

在澆筑收縮試塊的同時，分別同期、同條件下養(yǎng)護A、B兩組材性試件，其中A組試塊自然養(yǎng)生24h后蒸汽養(yǎng)生48h，B組試塊自然養(yǎng)生12h后蒸汽養(yǎng)生48h。為進行強度監(jiān)控，在A、B兩組試塊自然養(yǎng)生和蒸汽養(yǎng)生完畢后分別進行材性試驗。此外，C組為配筋構(gòu)件，因此沒有澆筑材性試件。

從表2與表3可知：自然養(yǎng)生24h與自然養(yǎng)護12h后蒸汽養(yǎng)生，其蒸汽養(yǎng)生后的抗壓強度和抗折強度基本相同，但B試塊自然養(yǎng)生12h時，測得抗壓強度為23MPa，而A試塊自然養(yǎng)生24h時，測得抗壓強度均值為71MPa，為B試塊強度的3.1倍，表明試塊在自然養(yǎng)生12h后進行了劇烈的水化熱，強度增長加快。

3.2 收縮應變

圖2為A試塊全過程及局部應變-時長-溫度曲線，由圖2可知，在蒸汽養(yǎng)生階段溫度陡升至95℃以上，隨后平穩(wěn)，應變在升溫階段也快速增加，在溫度平穩(wěn)后，應變增速逐漸變緩，但在升溫初期，應變出現(xiàn)局部減小，這是因為蒸汽養(yǎng)生開始時，主要為溫度膨脹，但當溫度升至約60℃時，化學收縮和自收縮占據(jù)主導地位，應變開始增加，蒸汽養(yǎng)生結(jié)束時應變?yōu)?00με;降溫階段，溫度收縮加劇，收縮應變劇增，由于室內(nèi)溫度約穩(wěn)定于25℃，所以應變最終穩(wěn)定在710με左右。且在12h左右時，水化劇烈，應變和溫度同步上升，急劇水化產(chǎn)生約100με，但在此之后，自然養(yǎng)生階段應變變化規(guī)律均與溫度變化相反，這與試鋪時自然養(yǎng)生期間規(guī)律不相同，這是因為試塊完全自由，受溫度收縮影響更大，但試鋪周圍近似固結(jié)，受STC與地面相互作用更大。

如圖3所示，在蒸汽養(yǎng)生階段，初期溫度上升較快，應變增長規(guī)律與A試塊相同，但C試塊由于受鋼筋約束，收縮應變峰值比B試塊低100με左右。在蒸汽養(yǎng)生初期，B試塊應變曲線出現(xiàn)一段平臺，C試塊應變曲線出現(xiàn)局部下降，溫度達到60℃左右后曲線開始上升，這主要是因為蒸汽養(yǎng)生初期溫度不高，此時的收縮應變?yōu)樗磻c溫度膨脹以及吸濕膨脹多重作用的結(jié)果，B試件無鋼筋約束，水化反應產(chǎn)生的收縮與升溫和吸濕產(chǎn)生的膨脹剛好持平，但C試件由于鋼筋的約束，水化反應產(chǎn)生的宏觀收縮減小，綜合表現(xiàn)為收縮應變減小。蒸汽養(yǎng)生結(jié)束，B試件收縮應變?yōu)?60με，C試件為565με;自然降溫階段，受溫度收縮影響，B、C試件應變均發(fā)生徒增，隨后溫度穩(wěn)定，B、C試件應變隨之穩(wěn)定，分別為750με和630με;B、C自然養(yǎng)生階段和蒸汽養(yǎng)生階段分別占總收縮應變的14.0%、7.9%和74.0%、81.7%，結(jié)合A試件可知，提前蒸汽養(yǎng)生會增大蒸汽養(yǎng)生收縮的占比，且配筋的存在更需要蒸汽養(yǎng)生。

3.3 收縮應變差

如圖4所示，由于試件B、C除了有無配筋外，其它條件都相同，B試件為完全自由，各種收縮作用下不產(chǎn)生附加內(nèi)力，但C試件由于鋼筋的存在，存在附加內(nèi)力，所以可以通過全過程養(yǎng)生下B試件所對應的應變減去C試件所對應的應變所得的應變差值即為約束應變。由于σ=E·ε，所以如果知道養(yǎng)生階段任意時刻的彈性模量，就能較為精確的估算出各時刻對應的附加應力，圖4中最大應變約為140με，若不考慮鋼筋對彈模的影響，彈性模量按照《廣東省高性能混凝土應用技術規(guī)范》（DBJ/T15-130-2017）[6]取E為50.2GPa，則σ=E·ε=50.2×140/1000=7MPa，所以保守認為由收縮產(chǎn)生的附加應力≤7MPa。

4 結(jié) 語

本文以清遠北江四橋STC試鋪試驗為研究背景，對STC的場內(nèi)試鋪試驗全過程養(yǎng)護的應變及強度發(fā)展進行了分析，并進一步對三組試塊試驗進行應變及強度發(fā)展的對比分析，得出以下主要結(jié)論：

（1）在STC澆筑完成后自然養(yǎng)生期間，在10h左右會發(fā)生急劇水化反應，維持時間為2h左右。在此階段STC逐漸成型，且材料強度急劇增加，但此特征會根據(jù)環(huán)境因素提前或推遲進行。

（2）試鋪段自然養(yǎng)生階段STC出現(xiàn)了表面裂縫，STC在多變天氣下容易產(chǎn)生較大的溫度收縮及塑性收縮，所以在養(yǎng)護前期，STC鋪完后表面要噴灑水汽并根據(jù)天氣及時在保濕膜上灑水降溫，盡可能的保持STC溫度不變或緩慢降溫。

（3）由蒸汽養(yǎng)生后STC翹起可知，較大的地面剛性約束，使STC內(nèi)部產(chǎn)生過大的附加內(nèi)力。此外，由于施工工藝導致的STC的不均勻攤鋪，會使蒸汽養(yǎng)生階段水化不均勻，產(chǎn)生鼓包。

（4）由試塊試驗可知鋼筋的存在會減小STC的收縮應變，且提前蒸汽養(yǎng)生會增加收縮應變。根據(jù)有無配筋試塊的收縮差值得出，最終應變差值約140，不考慮鋼筋對彈模的貢獻時得出應力為7MPa。

參考文獻：

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[3]AFGC/SETRA2013.UltraHighPerformanceFibreReinforcedConcreteRecommendation[C].Paris：AFGCandSETRAWorkingGroup，2013.

[4]黃政宇，胡功球.熱養(yǎng)護過程中超高性能混凝土的收縮性能研究[J].材料導報，2016，30（4）：115-120.

[5]GB/T50082-2009，普通混泥土長期性能和耐久性能試驗方法標準[S].

[6]DBJ/T15-130-2017，高性能混凝土應用技術規(guī)范[S].