护栏与桥面铺装混凝土的配合比设计及试验分析

姬小祥,梁　倩,侯广真(.河南交院公路工程技术有限公司,河南郑州　450000;.长安大学公路学院,陕西西安　70064)

护栏与桥面铺装混凝土的配合比设计及试验分析

姬小祥1,梁倩2,侯广真1
(1.河南交院公路工程技术有限公司,河南郑州450000;2.长安大学公路学院,陕西西安710064)

针对高速公路混凝土护栏以及桥面铺装出现的损坏问题,以郑洛高速公路改建工程为实例,通过对护栏与桥面铺装的混凝土的力学性能、耐久性等进行试验分析,对护栏与桥面铺装的混凝土配合比重新设计.结果表明,加入掺合物与纤维之后,混凝土的劈裂抗拉强度、抗裂性以及开裂抑制效果得到了明显提升,改善了护栏与桥面铺装的质量.

护栏;桥面铺装;混凝土配合比;纤维

0　引　言

高速公路桥梁混凝土护栏会受行驶车辆溅起杂质的冲磨,因此破坏较快.据河南省桥梁护栏破坏调查结果显示,50%以上的护栏都出现了剥蚀破坏,而且一般在建成通车5年内就会受到明显破坏.目前,中国对桥梁护栏以及桥面铺装的混凝土关注较少,现行的公路桥梁设计规范中针对护栏以及桥面铺装层结构等的要求内容不明确,在同类结构设计中,很多地方往往直接套用路面结构的混凝土配合比设计,选定一种工程结构中使用的水泥混凝土作为护栏结构或桥面铺装结构(或在其上面加铺沥青混凝土),往往忽略了护栏以及桥面铺装等特殊的使用环境以及受力和变形特点,导致以上部分常会出现大量的病害.

大量研究表明,在混凝土基材中掺加纤维(如钢纤维、玄武岩纤维等)是提高混凝土韧性、抑制塑性开裂并改善混凝土的抗冲击性及耐久性的最有效途径之一[1-4],但是具体的配合比设计方法,各地区尚未有统一的标准.为此,本文依托郑洛高速公路改扩建工程,开展桥梁护栏与桥面铺装混凝土配合比设计与试验分析,对混凝土的力学性能、耐久性能和外观效果等进行研究,为同类工程提供一定的参考.

1　桥梁护栏与桥面铺装的混凝土配合比设计

1.1原材料选择及性质

(1)水泥选用P.O 52.5水泥:比表面积为388m2·kg－1,安定性为0.5,抗压强度测试结果为3 d 27.9 MPa,28 d 55.4 MPa.

(2)粉煤灰选用洛阳热电厂生产的Ⅰ级粉煤灰:细度(0.045 mm筛余)为9.8%,烧失量为2.1%,活性指数为84%.

(3)粗集料为偃师碎石5～10 mm和10～20 mm连续级配的石灰岩碎石:表观密度为2 658 kg·m－3,堆积密度为1 550 kg·m－3,空隙率为41.7%.

(4)细骨料选用宜阳天然河砂:细度模数为2.61,表观密度为2 662 kgűm－3,堆积密度为1 550 kg·m－3,空隙率为41.8%.

(5)纤维采用玄武岩纤维:极限抗拉强度为3 500 MPa,弹性模量为88 Pa.

(6)减水剂采用陕西恒升聚羧酸.

各种原材料性能指标均满足相关标准要求.

1.2纤维体积掺量的确定

在基体开裂后,纤维能承担复合材料开裂时荷载所需的最小纤维体积率,或基体开裂后复合材料承载力不下降所需掺入的最小纤维体积率.纤维临界体积率是混凝土破坏的转折点,当纤维掺量小于纤维临界体积率,基体开裂后,因纤维不能承担基体开裂而转移的荷载,立即引起破坏,呈脆性破坏状态;而当纤维掺量大于纤维临界体积率时,基体开裂后,纤维能承担基体转移的荷载,使得承载能力继续提高.

由非连续纤维复合材料的纤维临界体积率公式[5-6],并根据已有的经验对纤维掺量ρfc进行确定

式中:fmu为纤维混凝土基体极限抗拉强度(MPa); ffu为纤维的极限抗拉强度(MPa);εmu为纤维混凝土基体极限抗拉应变;Ef为纤维的弹性模量.

对于C30和C50混凝土而言,混凝土基体的极限抗拉强度fmu分别为2.01 MPa和2.64 MPa,混凝土基体的极限抗拉应变εmu＝100×10－6,改建工程中采用玄武岩纤维,C30和C50混凝土的玄武岩纤维的临界体积率分别为0.06%和0.08%.综合考虑造价等因素,选择在护栏用纤维混凝土中的玄武岩纤维掺量为1 kg·m－3,在桥面铺装层中的掺量为2 kg·m－3.

1.3配合比设计方案

由于护栏混凝土的设计强度等级为C30,因此设计时除最大限度的利用现场原材料之外,水胶比采用0.40,矿物掺合料替代水泥的比率为20%～ 35%,砂率为42%,外加剂的掺量根据新拌混凝土的状态为胶凝材料用量的0.8%～1.2%,通过试拌和调整,最终各标段护栏纤维混凝土配合比如表1所示.

表1　护栏混凝土配合比kg·m－3

对于桥面铺装层的施工,由于采用C50混凝土,因此对材料的要求比较高.原材料的存储要注意防止材料的污染,尽量使用封闭式材料存储仓;对于粒形不合格的原材料不得使用,另外对于粒形合格但比较脏的原材料要清洗之后方可使用.

桥面铺装层纤维混凝土的设计强度等级为C50,水胶比采用0.30,由于对混凝土早龄期强度有一定的要求,因此矿物掺合料替代水泥的比率为15%～20%,砂率为42%,外加剂的掺量根据新拌混凝土的状态为胶凝材料用量的0.8%～1.2%,通过试拌和调整,最终各标段桥面铺装纤维混凝土配合比如表2所示.

表2　桥面铺装层纤维混凝土配合比kg·m－3

2　试验工况的确定

试验以郑洛高速公路改建工程中的7标为依托,除采用现场施工配合比外,为了研究掺合料以及纤维对混凝土性能改善方面所起的作用,又制定了另外两种对比配比,分别为施工配比中剔除纤维和剔除掺合料.护栏施工配合比标记为H,普通混凝土(含粉煤灰)配合比标记为H1,普通混凝土(不含粉煤灰)的配合比标记为H2,其他成分不变;桥面铺装层三种对应的配合比标记分别为P、P1及P 2,试验配合比如表3所示.采用相关的试验方法对护栏和桥面铺装层的混凝土的力学性能、耐久性能及混凝土的外观效果分别进行试验与分析.

表3　试验工况配合比kg·m－3

3　试验结果与分析

3.1力学性能结果与分析

混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度是最常用、最基本的混凝土力学性能指标,而掺入纤维后,混凝土抗压与抗拉强度都会有明显的提高.针对郑洛高速公路改建工程中的7标桥面铺装层的纤维混凝土配合比,对纤维混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度进行了试验,试验结果如图1所示.

图1　纤维混凝土强度

由图1可知,混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度基本上呈现出随龄期的增长而增大的变化趋势.抗压强度和劈裂抗拉强度的增长在前期较快,随龄期的增长,后期的强度增长速度变慢.护栏和桥面铺装的纤维混凝土抗压强度比未添加纤维的混凝土的在龄期为28 d时分别大了11.8%、15.2%;混凝土的劈裂抗拉强度在龄期为28 d时大分别大了11.3%、13.7%,说明纤维混凝土抗压与抗拉强度都有了明显的提高.而部分工况的抗压强度和劈裂抗拉强度在后期变小了,说明并非所有的混凝土强度都会随着龄期增大而一直增长.在后期,混凝土内的化学作用可能会导致混凝土的强度减小,在配合比设计的时候应注意此种状况的发生.

3.2耐久性能结果与分析

分别采用饱和混凝土电导率法(NEL法)、非稳态氯离子快速迁移试验法(RCM法)和库仑电量法对混凝土的耐久性进行测试与分析,结果如图2所示.

从图2中可以看出,在混凝土中加入纤维后,混凝土的长期耐久性得到了显著提高,且这种提高的程度会随着龄期的不断增长而日益明显;纤维在混凝土的早期抗开裂过程中起到了明显的作用,因而在混凝土中加入纤维后无论是混凝土的氯离子渗透系数还是混凝土的电通量都出现了明显的下降;但在高强度混凝土中,纤维的掺量要合理把握,否则就可能起到相反的效果,导致耐久性的降低.

混凝土在除冰盐和冻融循环(简称盐冻)作用下,会发生表面剥蚀、骨料裸露的现象,进而会导致钢筋锈蚀.表3是采用单面冻融法进行护栏纤维混凝土结构盐冻试验的结果.从表中数据可知,掺加纤维的混凝土与未掺加纤维的混凝土相比,其剥蚀量显著减小,质量损失减小了215.89 g·m－2,减小幅度为27%,表明纤维显著改善了混凝土的抗盐冻性能;而矿物掺合料对混凝土抗盐冻性能也有一定的改善,但效果并不明显.

图2　纤维混凝土氯离子渗透性能

表3　护栏纤维混凝土盐冻试验结果

3.3混凝土外观效果

采用了推荐配合比的纤维混凝土的现场情况如图3、4所示.从图中可以看出,护栏和桥面板的外观表面平整,质量缺陷明显减少,特别是冷缝问题得到了较好的解决,整体完整,边角完好,无破损.

4　结　语

本文依托郑洛高速公路改扩建工程实例,针对两种特殊部位(护栏和桥面铺装)的混凝土,在现有原材料及设备条件下,对其配合比进行优化设计,并进行了试验分析.得出的主要结论如下.

图3　护栏外观

图4　桥面板外观

(1)在混凝土中加入掺合料和纤维后,混凝土的劈裂抗拉强度和抗压性能得到了显著提高,但对于混凝土中玄武岩纤维的掺量要合理把握,以避免过高或过低的掺量对混凝土性能产生不利影响.

(2)在混凝土中加入玄武岩纤维后,混凝土的氯离子渗透系数和混凝土的电通量出现了明显的下降,说明玄武岩纤维对混凝土的早期抗开裂起到了较好的控制作用.

(3)纤维混凝土的剥蚀量显著减小,质量损失减小幅度达27%,表明纤维显著改善了混凝土的抗盐冻性能,而矿物掺合料对混凝土抗盐冻性改善效果不明显.

[1]裴辉,王庆伟,时克俭.高性能混凝土在高架桥护栏中的应用[J].筑路机械与施工机械化,2011,20(10):199-200.

[2]王宏畅,李国芬.南京长江四桥浇注式沥青混凝土配合比设计研究[J].公路,2012(8):50-54.

[3]钱亮,陈晓芳,田晓霞.桥面铺装LC40轻集料混凝土配合比试验研究[J].商品混凝土,2009(10):31-34.

[4]单俊鸿,周明凯,李北星.微膨胀聚丙烯纤维混凝土在桥面铺装中的应用[J].公路,2005(5):143-145.

[5]封基良.纤维沥青混合料增强机理及其性能研究[D].南京:东南大学,2006.

[6]王东阳,陈淑贤.桥面铺装混凝土早期裂缝控制[J].长安大学学报:自然科学版,2006,26(3):21-25.

[责任编辑:杜敏浩]

Design and Experimental Analysis of Mixture Proportion for Bridge Guardrail and Deck Pavement

JI Xiaoxiang1,LIAN Qian2,HOU Guangzhen1
(1.Henan Institute of Highway Engineering Technology Co.Ltd.,Zhengzhou 450000,Henan,China; 2.School of Highway,Changƴan University,Xiƴan 710064,Shaanxi,China)

Aimed at the damages on guardrail and deck pavement of expressway,Zhengzhou Luoyang Expressway renovation project was chosen to run the tests on mechanical performance and durability of the concrete,and the mix proportion was redesign.The results showed that the splitting tensile strength,crack resistance and crack inhibiting effect were notably improved by adding admixture and fiber into the concrete,and the quality of guardrail and deck pavement was better.

guardrail;deck pavement;mix proportion of concrete;fiber

U443.3

B

1000-033X(2015)01-0083-04

2014-10-20