超快硬混凝土的各种性能及其工程应用

张友海 大塚哲雄 相澤一裕 上村豊

（電気化学工業株式会社）

1 研究背景

随着近几年我国经济的快速发展，城市机动车拥有量迅速增加，交通供需矛盾日益突出，加剧了城市道路的拥堵程度。特别是大城市中心区小汽车无序发展、过度使用，使中心区的道路网经常处于超负荷状态，加剧了大城市交通拥堵的严重程度。

以北京为例，近15年来，北京的汽车保有量每年平均递增率超过15%，个别年份甚至接近20%，而道路长度和道路面积的年平均增加率仅为1.2%和3.7%，致使交通需求，特别是小汽车交通需求与市区路网总容量之间的缺口日益扩大。虽然，北京采取了机动车的摇号和限号等措施，控制机动车的保有量及出行率，但依然无法缓解交通拥堵现象。

而交通量的迅速增加导致交通设施的交通量提前达到甚至超过了其设计的总交通量，致使其性能快速下降，噬需尽快进行维修或修补以恢复其功能。但城市交通的特点要求抢修工程必须实现快速开放交通，这对混凝土的修补工程提出了较高要求。

目前，国内的城市混凝土抢修工程主要采用现场搅拌方式，随着雾霾等环境问题的日益恶化，已有城市采取施工工地禁止现场搅拌混凝土的政策。现行条件下，既要满足工程要求又能适应政策要求是摆在工程技术人员面前的重要课题。

本文结合城市交通设施快速抢修的现状，对日本的超快硬混凝土的工作性、各种强度性能及耐久性进行了试验确认，并对日本使用混凝土现场搅拌车的工程应用进行了介绍。

2 试验概要

2.1 使用原材料

本实验所用原材料如下：

水泥采用日本某公司生产的超快硬水泥SUPERCEMENT。该水泥由普硅水泥与快硬掺合料（SC-1）按3∶1比例复合而成。

细骨料使用姬川产河砂，细度模数：2.79，密度：2.62g/cm3；粗骨料使用姬川产卵石，细度模数：7.39，密度：2.64g/cm3。

外加剂：混凝土的工作性能通过萘系减水剂及缓凝剂予以调整。萘系减水剂的密度为1.13g/cm3，减水率>15%。

2.2 混凝土配合比

城市抢修要求混凝土必须具有早强性能（3h r>24MPa）[2]，因此须采用高强配合比。混凝土的配合比如表1所示，水灰比为0.34，坍落度设定为8±2.5cm，通过减水剂的用量予以调整。

2.3 试验项目及试验方法

本实验中混凝土的工作性包括坍落度及含气量；强度包括抗压、抗折以及上下层混凝土间的粘结强度；耐久性考虑到实际应用，分别对混凝土的干燥收缩及抗冻性进行了试验确认。各种试验方法如下：

按照JIS A 1101：2005规定的操作方法测了混凝土的坍落度。超快硬混凝土用于城市的抢修工程时，为了满足早期开放交通的需要，在满足施工要求的条件下，尽量缩短凝结时间。但过短凝结会影响现场施工。为了确认混凝土的流动性变化指导施工，本实验还分别试验确认了混凝土在初始、15min、30min及60min时的坍落度变化。

本实验分别测了混凝土3hr、6hr以及1d、7d、28d的各种强度。其中，抗压强度按照JIS A 1108：2006的规定，采用Φ10×20cm的试块进行了强度试验。抗折强度按照JIS A 1106：2006的规定，采用10cm×10cm×40cm的试块，在规定龄期进行了试验。试件脱模后，放入温度20℃、湿度为60%的恒温恒湿室养护至规定龄期后进行强度试验。

修补工程时，新混凝土与下层旧混凝土间的粘结强度是影响工程质量的原因之一。并且，考虑到实际工程的混凝土强度各异，本实验将下层混凝土的强度分别设为25、35、45、100MPa等4个强度等级，进行了粘结强度试验。此外，为了考察超快硬混凝土的作业时间对粘结强度的影响，本实验还以35MPa及45MPa的下层混凝土为对象，分别测了超快硬混凝土在初始、30min以及60min时，其与下层混凝土的粘结强度变化。下层混凝土养护至规定龄期，用钢刷将其表面打磨成粗糙并保持干燥状态，将超快硬混凝土浇筑在其表面，浇筑厚度为6cm。在龄期3d时，钻心取样（Φ10cm），取样后将上下两端用树脂粘结，龄期7d时进行了拉拔试验，并观察了其断面状态。

混凝土的抗冻性试验按照JIS A 1148 A法（水中冻融循环法）规定，使用10cm×10cm×40cm的试块。因超快硬混凝土的7d强度可以达到普通混凝土28d强度，因此试块脱模后放入水中养护至7天后进行了水中冻融试验。试验的温度范围为-18～+5℃，每次循环3～4小时。每经过30个冻融循环后，将试块取出测其动弹性模量，直至300个循环结束。

收缩是混凝土的固有性质之一，也会影响新旧混凝土的粘结强度。因此本实验还按照JIS A 6202:1997（单轴约束试验方法），采用10cm×10cm×40cm的试块，对混凝土的早期收缩进行了观测。试块脱模后，测其基长后放入温度为20℃、湿度为60%的恒温恒湿室进行了观测。

表1

3 试验结果

3.1 工作性能

由于抢修工程中对施工时间要求比较严格，一般都是在夜晚10点之后封路，翌日凌晨6点前开放交通。因此，对混凝土的凝结时间要求特别严格。但超快硬混凝土用于城市的抢修工程时，还必须满足施工要求，具有一定的现场操作时间。为了确认混凝土的流动性变化指导施工，本实验还分别试验确认了混凝土的初始、15min、30min及60min的坍落度变化。

其坍落度结果如图1所示。初始坍落度为7.5cm。与之相比，60min后混凝土坍落度为7cm，几乎无损失，可以满足现场施工要求。

3.2 强度

1）抗压强度

对于抢修混凝土来说，不仅要求快硬，而且还要早强。因为混凝土必须达到一定的力学强度，才能满足工程设计要求，达到快速抢修、早期开放交通的目的。

超快硬混凝土的抗压强度如图2所示。其加水后3hr的抗压强度超过30MPa，完全可以满足设计要求，实现快速抢修、早期开放交通的目的。

图1 混凝土坍落度

环境温度是影响混凝土强度发展的因素之一，尤其低温环境下，混凝土的强度增长会出现延迟。因此，本研究还在低温环境下混凝土的强度发展进行了试验确认。将所需材料在温度为5℃、湿度为60%的恒温恒湿室内放置24小时后，进行搅拌、成型，并在该环境中空气养护至规定龄期后进行了强度试验。

2）抗折强度

图2 混凝土抗压强度

图3 混凝土抗折强度

随着交通负荷的日益增重，水泥混凝土路面板出现断裂损坏较为普遍。排除路基不均匀沉降、车辆超载等因素的影响，这种损坏是受到剪切作用力而出现断裂[3]。如果混凝土路面的抗折强度降低5%，其使用寿命会降低48%，会在较短时间内产生大面积破损，造成极大的资源浪费和损失[4]。因此，现行的公路水泥混凝土路面施工技术规范（JTGF30-2003）对路面混凝土的抗折强度做了详细规定（表2）[5]。

超快硬混凝土的抗折试验结果如图3所示。1d抗折强度达到4.5MPa，28d可达到7MPa。抗折强度可满足表2中重交通设计要求。

3）粘结强度

增大截面法加固构件中，新混凝土的自由收缩受到老混凝土的约束，会在新混凝土内产生拉应力，从而在新老混凝土粘结面上出现剪应力。当拉应力大于新混凝土自身的抗拉强度或新老混凝土的粘结强度时，就会产生开裂，影响到新老混凝土的粘结性能，从而造成加固结构的性能下降[6]。

因此，本研究对超快硬混凝土与下层混凝土的粘结强度进行了实验。并且，考虑到实际工程的混凝土强度各异，本实验将下层混凝土的强度分别设为25、35、45和100MPa等4个强度等级，进行了粘结强度试验。下层混凝土的强度实测值如表3所示。

超快硬混凝土与各强度等级混凝土的粘结强度结果如图4所示。随着下层混凝土强度的增加，上下层混凝土间的粘结强度随之增大。尤其下层混凝土强度在100MPa时，粘结强度达到了3MPa以上。

根据上述基本安全要求，10 kV配电网不停电作业发展出多种作业方式。按照所使用的绝缘工具进行划分，可分为绝缘杆作业法和绝缘手套作业法。其中绝缘杆作业法属于地电位作业，作业过程中作业人员保持人体与大地(或杆塔)同一电位，通过绝缘杆、绝缘抱杆、绝缘三齿耙等绝缘工具接触带电体进行检修操作。这时人体与带电体的关系是：大地(杆塔)人→绝缘工具→带电体。如图1所示。

对其断面观察结果显示，下层混凝土强度45MPa以下时，断裂面出现在下层混凝土。当下层混凝土的强度在100MPa时，断裂面出现在上下层混凝土的界面上。

换言之，下层混凝土的强度低于超快硬混凝土时，进行拉拔试验时，其断裂面出现在较弱的下层混凝土。反之，则其断裂面出现在上下层混凝土的界面上。从这个结果可以得出，下层混凝土的状态直接影响了新旧混凝土间的粘结强度。

此外，超快硬混凝土的作业时间对粘结强度的影响结果如图5所示。随着作业时间的推迟，混凝土间的粘结强度未发生明显变化。旧混凝土表面的湿润状态会影响新旧混凝土的粘结强度[7]。而本研究中，下层混凝土因为处于干燥状态，并且图1的坍落度结果显示，60min内超快硬混凝土的坍落度损失较小。因此，可以推测新旧混凝土的结合面湿润程度基本相同，所以其粘结强度也未发生明显变化。

表2 水泥混凝土路面抗折强度要求

图4 混凝土粘结强度

图5 混凝土粘结强度

表3 下层混凝土强度（M Pa）

3.3 耐久性

1）干燥收缩

大量混凝土修补工程实践表明，新老混凝土的修复常常会出现修补的新混凝土开裂或在新老混凝土的粘结界面出现裂缝的现象，这是因为老混凝土经过长期使用，其收缩基本趋于稳定，而新补混凝土的干燥收缩大，使修补粘结界面层成为最薄弱环节[8]。

图6 干燥收缩

图7 抗冻性

超快硬混凝土的干燥收缩试验结果如图6所示。混凝土在早期出现微膨胀后进入收缩，截止至28d龄期，其收缩低于150×10-6。这是因为SUPER CEMENT在煅烧过程中添加了定量石膏，而石膏在凝结硬化时会发生体积微膨胀。石膏在凝结硬化初期会发生微膨胀，补偿了部分收缩，所以，超快硬混凝土的收缩值较小。

较小的收缩值不仅能大大降低混凝土的开裂危险性，还能大幅提高其耐久性。而上层混凝土的收缩较小也是得到上述较高粘结强度的保证。

2）抗冻性

超快硬混凝土的冻融试验结果如图7所示。该混凝土未掺加引气剂，其实测含气量为2.3%。虽然未掺加引气剂，超快硬混凝土经过冻融300循环后，其相对动弹性模量保持在90%以上，显示了良好的抗冻性。

图8 混凝土现场搅拌车

超快硬混凝土的水灰比为0.34，混凝土内部的细孔量随着水灰比的降低而减少。当混凝土的水灰比在0.35以下时，对其抗冻性影响较大的半径在0.01～0.2μm范围的细孔量低于0.02m l/g[9]，所以该混凝土即使未掺加引气剂，其抗冻性也可以得到保证。

4 工程应用

4.1 施工机械

在日本，为了降低超快硬混凝土在搬运途中铸罐的危险性，一般在现场使用现场搅拌车搅拌。现场搅拌车如图8所示，目前日本大约有40台活跃在各工地。现场搅拌车上设有多个料仓，可分别装载粗细骨料、水泥、水及外加剂等。

现场搅拌车的基本参数如表4所示。材料计量一般采用体积法，近年采用质量法称量的搅拌车业已问世。使用体积法时，工程应用前需进行各材料的堆积密度试验。各材料称量完毕后通过传输带运至搅拌设备前加水后搅拌，从加水开始到搅拌完毕基本需要15s。折叠式的搅拌设备采用单轴螺旋式搅拌叶片，设置在车辆后方。搅拌能力根据车辆规模及胶凝材料用量，每小时可在现场生产10m3～50m3混凝土[10]。

表4 现场搅拌车基本参数

一般现场搅拌车的料仓可载10吨材料。大规模施工时，需用卡车将各材料运至现场，通过吊臂等机械往料仓内续料保证其连续运转。

4.2 工程应用

从上世纪80年代末期开始，使用现场搅拌车生产超快硬混凝土主要应用于东京等大城市的城市道路及高速公路抢修、铺装等。截止目前，实际工程应用超过数万m3。

结语

本研究对日本的超快硬混凝土进行了性能确认，得到结果如下：

（1）该混凝土的坍落度损失较小，可满足现场施工要求；

（2）早期强度高且低温环境下其强度发展良好，能满足城市交通设施的快速抢修实现早期开放交通的需求；

抗折强度可满足重交通道路的要求；根据下层混凝土的状态，可获得较高的粘结强度；

（3）该混凝土的干燥收缩小，并且抗冻性好，可适应不同环境的要求。

从上世纪80年代末期开始，日本使用具有自动称量系统的现场搅拌车生产超快硬混凝土，主要应用于东京等大城市的城市道路及高速公路抢修、铺装等。截止目前，实际工程应用超过数万m3。

[1] 中国人大网：『北京市大气污染防治条例』引用

[3] 罗军：浅谈路面混凝土抗折强度的影响因素，广东建材，2003（11）

[4] 傅智：水泥混凝土道路未来重要研究方向，中国公路学报，1994（01）。

[5] 公路水泥混凝土路面施工技术规范（JTGF30-2003）引用。

[6] 陈锋：在新老混凝土约束下的修补混凝土收缩性能试验研究，武汉理工大学学报，2011（09）。

[7] 刘艳萌：新旧混凝土粘结技术研究，重庆大学硕士学位论文，2006。

[8] 郝娟，余红发，白康，韩丽娟，周鹏，曹文涛：混杂纤维对大掺量矿物掺合料混凝土干燥收缩的影响，材料科学与工程学报，Vol.26，2008。