桥梁湿接缝用含粗骨料超高性能混凝土的性能研究

伍贤智，李信，陈露一，黄有强，张志豪，谭洪波

（1.桥梁结构健康与安全国家重点实验室，湖北 武汉 430034；2.中铁桥研科技有限公司，湖北 武汉 430030；3.武汉理工大学，湖北 武汉 430070）

桥梁湿接缝施工是预制混凝土桥面板现场施工的主要环节，其施工速度影响预制混凝土桥面板施工速度；同时在运营期间，湿接缝是预制混凝土桥面板最容易出现病害的部位之一，其质量的优劣会影响结构的整体性能和承载力，影响桥梁的使用功能，甚至引起桥梁的早期破坏[1-2]。桥梁湿接缝常见的病害诱因有：湿接缝混凝土与预制梁混凝土结合差，湿接缝混凝土收缩徐变大，湿接缝混凝土强度不足及耐久性差等[3]。

含粗骨料超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete with coarse ag-gregate，UHPC-CA），是通过在UHPC体系中掺入粗骨料配制而成，粗骨料粒径通常为5～10 mm。UHPC-CA具有高强度、高韧性和优异耐久性，由于其掺入了碎石，减少了胶凝材料用量，相比于UHPC，其弹性模量更高、收缩徐变更小、成本更低[4]，更适合作为桥梁湿接缝混凝土。但目前UHPC-CA应用于桥梁湿接缝的研究基本没有，相关工程应用报道也仅有南京五桥。因此，有必要开展桥梁湿接缝用UHPC-CA的研究，同时对比分析UHPC-CA、UHPC及当前桥梁湿接缝常用的C60高性能混凝土的各项性能，旨在研制出性能优异的桥梁湿接缝用UHPC-CA，提高桥梁的健康与安全，同时产生显著的经济和社会效益。

1 试 验

1.1 原材料

水泥：湖北娲石股份有限公司生产的P·Ⅱ52.5水泥，比表面积330 m2/kg，密度3100 kg/m3，28 d抗压、抗折强度分别为59.1、8.9 MPa，其主要化学成分见表1。

表1 水泥的主要化学成分 %

核心料：UHPC-CA的核心组份，粉末颗粒，由特殊掺合料和功能型外加剂组成，核心料预先拌合均匀，其需水量比≤75%，含水率≤1%。

粗骨料：湖北京山玄武岩碎石，粒径5～10 mm，表观密度3050 kg/m3，压碎值6.6%，针片状含量4%，含泥量0.5%。

细骨料：湖北凤阳石英砂，粒径20～80目，SiO2含量大于90%。

钢纤维：端钩型，平均长度约13 mm，平均直径约0.2 mm。

水：自来水。

1.2 配合比

UHPC-CA配合比中影响其性能的主要因素有以下几个方面：

（1）水胶比（W/B）：鉴于其用于桥梁湿接缝，强度要求并没有桥面铺装要求高，水胶比按经验选择0.20左右为宜。当水胶比过低，流动性差、成型较困难，密实度下降，对强度和耐久性均带来一定的损害；当水胶比过大时，虽然工作性良好，但其强度及耐久性能也会有一定程度的下降。

（2）核心料用量：核心料用量会影响UHPC-CA的和易性、强度以及UHPC-CA与钢纤维之间的粘结强度，核心料总掺量不超过胶凝材料的40%，具体掺量根据试验结果确定。

（3）钢纤维掺量：UHPC-CA中钢纤维掺量过低将失去增强与改善脆性的意义，钢纤维掺量过高则会使拌合物变得非常干涩，造成施工不便[5]，结合桥梁湿接缝混凝土的抗弯要求，钢纤维体积掺量以0.5%～1.0%为宜。

（4）碎石选择及掺量：碎石的硬度及弹性模量对混凝土的徐变性能影响较大，故宜优选玄武岩来配制UHPC-CA。碎石用量过大时工作性能及匀质性较差；碎石用量过少时收缩、徐变降低幅度较小，弹性模量增长不明显，且意义不大。

基于UHPC的制备原则，开展了UHPC-CA配合比设计初步试验，经试验结果反馈，确定了水胶比、水泥用量、核心料用量等参数。根据碎石用量、钢纤维体积掺量的不同，设计了不同配合比进行对比试验，如表2所示。

表2 UHPC-CA试验配合比 kg/m3

1.3 试件制备及性能测试

试件制备：将称量好的胶凝材料、减水剂、骨料及钢纤维倒入强制式搅拌机内搅拌2 min，再倒入水搅拌4 min。搅拌完成后立即进行流动性测试，然后装模成型试件并在试模表面覆盖1层薄膜，防止水分蒸发，拆模后移到标准养护室养护。立方体抗压试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，棱柱体抗折及收缩、徐变试件尺均寸为100 mm×100 mm×400 mm，棱柱体静力受压弹性模量试件尺寸为100 mm×100 mm×300 mm。

性能测试：坍落度、扩展度参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试；抗压强度、抗折强度及静力受压弹性模量参照GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》进行测试；抗冻性、抗氯离子渗透性、收缩及徐变参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试，其中抗冻性采用快冻法，抗氯离子渗透试验采用RCM法且未掺钢纤维。

2 结果与讨论

2.1 工作性能

工作性能是影响UHPC-CA施工的关键因素。桥梁湿接缝处钢筋密集，这要求含粗骨料超高性能混凝土具有良好的流动性，但是流动性也不宜过大，否则碎石容易沉底。UHPCCA的流动性试验结果见表3。

表3 UHPC-CA的流动性

由表3可见，碎石用量从750 kg/m3增加到900 kg/m3，UHPC-CA的坍落度及扩展度逐渐减小，碎石掺量为825 kg/m3时，含粗骨料超高性能混凝土的流动性已不良。钢纤维用量从0.5%（40 kg/m3）增加到1.0%（80 kg/m3），UHPC-CA的坍落度、扩展度有所下降，但仍具有良好流动性。UCA100的流动性良好，能够满足桥梁湿接缝的施工要求。

2.2 力学性能

力学性能是决定UHPC-CA使用范围的最主要性能之一，也是其性能优于普通高性能混凝土的主要表现。UHPCCA的力学性能测试结果见表4。

表4 UHPC-CA的力学性能

由表4可知，不同碎石用量的UHPC-CA力学性能良好，抗压、抗折强度、弹性模量均相差不大，其中，UCA100的力学性能略好；钢纤维掺量从40 kg/m3增加到80 kg/m3，UHPC-CA的抗压强度和弹性模量变化不大，抗折强度略有提高，但是幅度较小。UCA100含粗骨料超高性能混凝土更适合作为湿接缝材料，其与常用UC120超高性能混凝土、C60高性能混凝土的力学性能对比见图5。

由表5可见，UCA100的3 d抗压强度高达80.9 MPa，28 d抗压强度为118.1 MPa、抗折强度达到14.9 MPa、弹性模量达到46.1 GPa，力学性能表现良好。UCA100的弹性模量高于UC120和C60，其抗压、抗折强度略低于UC120，但是远高于C60，约为其2倍，且UCA100的3 d抗压强度较C60高性能混凝土的28 d抗压强度提高12.2 MPa，早期强度发展较快，用于湿接缝中可以大幅缩短张拉龄期，有利于其它施工工序的进行，大大缩短工期。

表5 3种混凝土的力学性能对比

2.3 耐久性

混凝土的耐久性直接影响结构物的安全性和使用性能，而桥梁湿接缝原本是桥面板结构薄弱处，其耐久性对桥梁的健康与安全尤为重要。

2.3.1 抗冻性

混凝土抗冻融性可间接反映混凝土抵抗环境水浸入和抵抗冰晶压力的能力，是混凝土耐久性的一项重要指标[6]。抗冻融性也可以在一定程度上反映混凝土的匀质性和密实性，反映混凝土是否存在原始缺陷（微裂纹、局部气孔、宏观和微观的缺陷）。3种混凝土的相对动弹性模量变化见图1。

图1 3种混凝土的相对动弹性模量变化

由图1可见：C60高性能混凝土经过500次冻融循环后相对动弹性模量已经下降至69.6%，而UCA100与UC120经过700次冻融循环后相对动弹性模量基本一致，均大于90%，设计使用寿命为100年的高速铁路对混凝土抗冻性能的要求是经过200次冻融循环后相对动弹性模量≥60.0%，可见，UCA100的抗冻性较优。

经过500次冻融循环后，C60与UCA100试件表面状态见图2。

图2 经过500次冻融循环后C60与UCA100的表面状态

由图2可见，经500次冻融循环后，C60的表面发生破坏，骨料已露出；而UCA100的表面无变化，具有优异的抗冻性。这是因为：UCA100具有较高的力学性能，特别是抗拉强度，使混凝土具有较高的抵抗冻胀压力能力；UCA100的孔径非常小，外界水很难渗透到混凝土内部，而其自身的水胶比较小，混凝土内部孔隙中的自由水较少，因此在连续冻融过程中很难形成冻胀压力。

2.3.2 抗氯离子渗透性能

混凝土的抗氯离子侵蚀性直接影响混凝土的服役寿命。氯离子侵入混凝土结构内部，会引起钢筋锈蚀、结构承载力下降和耐久性降低。氯离子主要是通过混凝土内部的孔隙和微裂缝侵蚀到混凝土内部，且侵蚀方式并不单一，而是多种侵蚀方式的结合。3种混凝土的抗氯离子渗透性能见表6。

表6 3种混凝土的抗氯离子渗透性能

由表6可见，UCA100的氯离子扩散系数小于UC120，二者均显著低于C60，可见UCA100和UC120均具有较高的抗氯离子侵蚀性能。UCA100优异的抗氯离子侵蚀性能主要是因为其掺入了核心料，极大地优化了混凝土内部的孔结构，细化了孔径，使得结构密实。

2.4 体积稳定性

混凝土收缩和徐变是它作为粘弹性体的2种与时间有关的变形性质，也是钢筋混凝土和预应力混凝土的一种重要的时变特性，会导致混凝土结构的受力和变形随时间变化[7]。混凝土的收缩和徐变是影响混凝土使用寿命的重要因素，低收缩和徐变能提高混凝土结构的安全性。随着大量预应力混凝土桥梁的修建和使用，组合桥面湿接缝用混凝土的收缩和徐变性能将是影响桥梁施工和健康的关键。

2.4.1 收缩

3种混凝土长期干燥收缩对比见图3，干燥收缩测试从7 d龄期开始，7 d之前置于标准养护室养护。

图3 3种混凝土的长期干燥收缩

由图3可以看出，UCA100、UC120及C60的干燥收缩应变均随测试龄期的延长逐渐增大，且均表现为早期增长较快，后期增长较慢，其中，UCA100各龄期的干燥收缩应变均为最小，120 d时，UCA100、UC120及C60的干燥收缩应变分别为235×10-6、284×10-6、330×10-6。从长龄期干燥收缩来看，UCA100的抗收缩开裂性能优于UC120，C60的抗收缩开裂性能最差。

2.4.2 徐变

徐变是混凝土材料本身固有的特征，它是指在持续荷载作用下，混凝土应变随时间增大的现象[8-9]。组合桥梁湿接缝用混凝土徐变过大，会导致应力变化、挠度增大、预应力损失过大等，使得桥梁结构过早地失效或丧失功能，因此徐变是混凝土结构设计不可忽略的重要因素。3种混凝土徐变系数对比见图4。

图4 3种混凝土的徐变系数对比

由图4可知，3种混凝土徐变系数曲线与干燥收缩应变曲线类似，均为早期增长较快，后期增长渐缓，UCA100各龄期的徐变系数均小于UC120与C60，120 d时，UCA100、UC120及C60的徐变系数分别为0.66、0.85、0.90，约完成徐变总量的65%。

影响混凝土徐变的因素较多，内部因素主要有水泥、骨料、水胶比、灰浆率、外加剂以及掺合料；外部因素主要有加荷龄期、加荷应力、持荷时间、湿度、温度、试件尺寸以及形状及各向异性、浸泡介质和碳化等[10-11]。本试验中，外部因素基本一致，其徐变应变与徐变系数的不同来自于内部因素。内部因素即为材料性质。UCA100中掺入了碎石，弹性模量高，且胶凝材料用量小于UC120，而二者力学强度表现相当，所以，UCA100的徐变性能要明显优于UC120；C60虽然碎石掺量高、胶凝材料用量少，但是其力学强度最差，综合表现出最差的徐变性能。UCA100较低的徐变系数对于其在预应力桥梁湿接缝处的应用尤为重要。

3 结论

（1）配制的UCA100含粗骨料超高性能混凝土工作性能良好，出机坍落度为265 mm，扩展度为500 mm，易于泵送，便于施工。

（2）UCA100力学性能优异，28 d抗压、抗折强度分别高达118.1、14.9 MPa，约为桥梁湿接缝常用普通C60高性能混凝土的2倍，且其早期强度发展也较快，能缩短张拉龄期。

（3）UCA100具有较好的耐久性能，抗冻等级及抗氯离子渗透性能远优于普通C60高性能混凝土，其56 d抗氯离子渗透系数仅为0.1×10-12m2/s。

（4）UCA100具有优良的体积稳定性能。长龄期干燥收缩小于300 με，120 d徐变系数仅为0.66，均优于UC120与C60。