超快硬混凝土的各種性能及其工程應(yīng)用

張友海 大塚哲雄 相澤一裕 上村豊

（電気化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社）

1 研究背景

隨著近幾年我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市機(jī)動(dòng)車擁有量迅速增加，交通供需矛盾日益突出，加劇了城市道路的擁堵程度。特別是大城市中心區(qū)小汽車無序發(fā)展、過度使用，使中心區(qū)的道路網(wǎng)經(jīng)常處于超負(fù)荷狀態(tài)，加劇了大城市交通擁堵的嚴(yán)重程度。

以北京為例，近15年來，北京的汽車保有量每年平均遞增率超過15%，個(gè)別年份甚至接近20%，而道路長(zhǎng)度和道路面積的年平均增加率僅為1.2%和3.7%，致使交通需求，特別是小汽車交通需求與市區(qū)路網(wǎng)總?cè)萘恐g的缺口日益擴(kuò)大。雖然，北京采取了機(jī)動(dòng)車的搖號(hào)和限號(hào)等措施，控制機(jī)動(dòng)車的保有量及出行率，但依然無法緩解交通擁堵現(xiàn)象。

而交通量的迅速增加導(dǎo)致交通設(shè)施的交通量提前達(dá)到甚至超過了其設(shè)計(jì)的總交通量，致使其性能快速下降，噬需盡快進(jìn)行維修或修補(bǔ)以恢復(fù)其功能。但城市交通的特點(diǎn)要求搶修工程必須實(shí)現(xiàn)快速開放交通，這對(duì)混凝土的修補(bǔ)工程提出了較高要求。

目前，國(guó)內(nèi)的城市混凝土搶修工程主要采用現(xiàn)場(chǎng)攪拌方式，隨著霧霾等環(huán)境問題的日益惡化，已有城市采取施工工地禁止現(xiàn)場(chǎng)攪拌混凝土的政策。現(xiàn)行條件下，既要滿足工程要求又能適應(yīng)政策要求是擺在工程技術(shù)人員面前的重要課題。

本文結(jié)合城市交通設(shè)施快速搶修的現(xiàn)狀，對(duì)日本的超快硬混凝土的工作性、各種強(qiáng)度性能及耐久性進(jìn)行了試驗(yàn)確認(rèn)，并對(duì)日本使用混凝土現(xiàn)場(chǎng)攪拌車的工程應(yīng)用進(jìn)行了介紹。

2 試驗(yàn)概要

2.1 使用原材料

本實(shí)驗(yàn)所用原材料如下：

水泥采用日本某公司生產(chǎn)的超快硬水泥SUPERCEMENT。該水泥由普硅水泥與快硬摻合料（SC-1）按3∶1比例復(fù)合而成。

細(xì)骨料使用姬川產(chǎn)河砂，細(xì)度模數(shù)：2.79，密度：2.62g/cm3；粗骨料使用姬川產(chǎn)卵石，細(xì)度模數(shù)：7.39，密度：2.64g/cm3。

外加劑：混凝土的工作性能通過萘系減水劑及緩凝劑予以調(diào)整。萘系減水劑的密度為1.13g/cm3，減水率>15%。

2.2 混凝土配合比

城市搶修要求混凝土必須具有早強(qiáng)性能（3h r>24MPa）[2]，因此須采用高強(qiáng)配合比。混凝土的配合比如表1所示，水灰比為0.34，坍落度設(shè)定為8±2.5cm，通過減水劑的用量予以調(diào)整。

2.3 試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)中混凝土的工作性包括坍落度及含氣量；強(qiáng)度包括抗壓、抗折以及上下層混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度；耐久性考慮到實(shí)際應(yīng)用，分別對(duì)混凝土的干燥收縮及抗凍性進(jìn)行了試驗(yàn)確認(rèn)。各種試驗(yàn)方法如下：

按照J(rèn)IS A 1101：2005規(guī)定的操作方法測(cè)了混凝土的坍落度。超快硬混凝土用于城市的搶修工程時(shí)，為了滿足早期開放交通的需要，在滿足施工要求的條件下，盡量縮短凝結(jié)時(shí)間。但過短凝結(jié)會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)施工。為了確認(rèn)混凝土的流動(dòng)性變化指導(dǎo)施工，本實(shí)驗(yàn)還分別試驗(yàn)確認(rèn)了混凝土在初始、15min、30min及60min時(shí)的坍落度變化。

本實(shí)驗(yàn)分別測(cè)了混凝土3hr、6hr以及1d、7d、28d的各種強(qiáng)度。其中，抗壓強(qiáng)度按照J(rèn)IS A 1108：2006的規(guī)定，采用Φ10×20cm的試塊進(jìn)行了強(qiáng)度試驗(yàn)。抗折強(qiáng)度按照J(rèn)IS A 1106：2006的規(guī)定，采用10cm×10cm×40cm的試塊，在規(guī)定齡期進(jìn)行了試驗(yàn)。試件脫模后，放入溫度20℃、濕度為60%的恒溫恒濕室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)。

修補(bǔ)工程時(shí)，新混凝土與下層舊混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度是影響工程質(zhì)量的原因之一。并且，考慮到實(shí)際工程的混凝土強(qiáng)度各異，本實(shí)驗(yàn)將下層混凝土的強(qiáng)度分別設(shè)為25、35、45、100MPa等4個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，進(jìn)行了粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)。此外，為了考察超快硬混凝土的作業(yè)時(shí)間對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響，本實(shí)驗(yàn)還以35MPa及45MPa的下層混凝土為對(duì)象，分別測(cè)了超快硬混凝土在初始、30min以及60min時(shí)，其與下層混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度變化。下層混凝土養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，用鋼刷將其表面打磨成粗糙并保持干燥狀態(tài)，將超快硬混凝土澆筑在其表面，澆筑厚度為6cm。在齡期3d時(shí)，鉆心取樣（Φ10cm），取樣后將上下兩端用樹脂粘結(jié)，齡期7d時(shí)進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)，并觀察了其斷面狀態(tài)。

混凝土的抗凍性試驗(yàn)按照J(rèn)IS A 1148 A法（水中凍融循環(huán)法）規(guī)定，使用10cm×10cm×40cm的試塊。因超快硬混凝土的7d強(qiáng)度可以達(dá)到普通混凝土28d強(qiáng)度，因此試塊脫模后放入水中養(yǎng)護(hù)至7天后進(jìn)行了水中凍融試驗(yàn)。試驗(yàn)的溫度范圍為-18～+5℃，每次循環(huán)3～4小時(shí)。每經(jīng)過30個(gè)凍融循環(huán)后，將試塊取出測(cè)其動(dòng)彈性模量，直至300個(gè)循環(huán)結(jié)束。

收縮是混凝土的固有性質(zhì)之一，也會(huì)影響新舊混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度。因此本實(shí)驗(yàn)還按照J(rèn)IS A 6202:1997（單軸約束試驗(yàn)方法），采用10cm×10cm×40cm的試塊，對(duì)混凝土的早期收縮進(jìn)行了觀測(cè)。試塊脫模后，測(cè)其基長(zhǎng)后放入溫度為20℃、濕度為60%的恒溫恒濕室進(jìn)行了觀測(cè)。

表1

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 工作性能

由于搶修工程中對(duì)施工時(shí)間要求比較嚴(yán)格，一般都是在夜晚10點(diǎn)之后封路，翌日凌晨6點(diǎn)前開放交通。因此，對(duì)混凝土的凝結(jié)時(shí)間要求特別嚴(yán)格。但超快硬混凝土用于城市的搶修工程時(shí)，還必須滿足施工要求，具有一定的現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)間。為了確認(rèn)混凝土的流動(dòng)性變化指導(dǎo)施工，本實(shí)驗(yàn)還分別試驗(yàn)確認(rèn)了混凝土的初始、15min、30min及60min的坍落度變化。

其坍落度結(jié)果如圖1所示。初始坍落度為7.5cm。與之相比，60min后混凝土坍落度為7cm，幾乎無損失，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

3.2 強(qiáng)度

1）抗壓強(qiáng)度

對(duì)于搶修混凝土來說，不僅要求快硬，而且還要早強(qiáng)。因?yàn)榛炷帘仨氝_(dá)到一定的力學(xué)強(qiáng)度，才能滿足工程設(shè)計(jì)要求，達(dá)到快速搶修、早期開放交通的目的。

超快硬混凝土的抗壓強(qiáng)度如圖2所示。其加水后3hr的抗壓強(qiáng)度超過30MPa，完全可以滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)快速搶修、早期開放交通的目的。

圖1 混凝土坍落度

環(huán)境溫度是影響混凝土強(qiáng)度發(fā)展的因素之一，尤其低溫環(huán)境下，混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)延遲。因此，本研究還在低溫環(huán)境下混凝土的強(qiáng)度發(fā)展進(jìn)行了試驗(yàn)確認(rèn)。將所需材料在溫度為5℃、濕度為60%的恒溫恒濕室內(nèi)放置24小時(shí)后，進(jìn)行攪拌、成型，并在該環(huán)境中空氣養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后進(jìn)行了強(qiáng)度試驗(yàn)。

2）抗折強(qiáng)度

圖2 混凝土抗壓強(qiáng)度

圖3 混凝土抗折強(qiáng)度

隨著交通負(fù)荷的日益增重，水泥混凝土路面板出現(xiàn)斷裂損壞較為普遍。排除路基不均勻沉降、車輛超載等因素的影響，這種損壞是受到剪切作用力而出現(xiàn)斷裂[3]。如果混凝土路面的抗折強(qiáng)度降低5%，其使用壽命會(huì)降低48%，會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大面積破損，造成極大的資源浪費(fèi)和損失[4]。因此，現(xiàn)行的公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范（JTGF30-2003）對(duì)路面混凝土的抗折強(qiáng)度做了詳細(xì)規(guī)定（表2）[5]。

超快硬混凝土的抗折試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。1d抗折強(qiáng)度達(dá)到4.5MPa，28d可達(dá)到7MPa。抗折強(qiáng)度可滿足表2中重交通設(shè)計(jì)要求。

3）粘結(jié)強(qiáng)度

增大截面法加固構(gòu)件中，新混凝土的自由收縮受到老混凝土的約束，會(huì)在新混凝土內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而在新老混凝土粘結(jié)面上出現(xiàn)剪應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力大于新混凝土自身的抗拉強(qiáng)度或新老混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生開裂，影響到新老混凝土的粘結(jié)性能，從而造成加固結(jié)構(gòu)的性能下降[6]。

因此，本研究對(duì)超快硬混凝土與下層混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。并且，考慮到實(shí)際工程的混凝土強(qiáng)度各異，本實(shí)驗(yàn)將下層混凝土的強(qiáng)度分別設(shè)為25、35、45和100MPa等4個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，進(jìn)行了粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)。下層混凝土的強(qiáng)度實(shí)測(cè)值如表3所示。

超快硬混凝土與各強(qiáng)度等級(jí)混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度結(jié)果如圖4所示。隨著下層混凝土強(qiáng)度的增加，上下層混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度隨之增大。尤其下層混凝土強(qiáng)度在100MPa時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到了3MPa以上。

根據(jù)上述基本安全要求，10 kV配電網(wǎng)不停電作業(yè)發(fā)展出多種作業(yè)方式。按照所使用的絕緣工具進(jìn)行劃分，可分為絕緣桿作業(yè)法和絕緣手套作業(yè)法。其中絕緣桿作業(yè)法屬于地電位作業(yè)，作業(yè)過程中作業(yè)人員保持人體與大地(或桿塔)同一電位，通過絕緣桿、絕緣抱桿、絕緣三齒耙等絕緣工具接觸帶電體進(jìn)行檢修操作。這時(shí)人體與帶電體的關(guān)系是：大地(桿塔)人→絕緣工具→帶電體。如圖1所示。

對(duì)其斷面觀察結(jié)果顯示，下層混凝土強(qiáng)度45MPa以下時(shí)，斷裂面出現(xiàn)在下層混凝土。當(dāng)下層混凝土的強(qiáng)度在100MPa時(shí)，斷裂面出現(xiàn)在上下層混凝土的界面上。

換言之，下層混凝土的強(qiáng)度低于超快硬混凝土?xí)r，進(jìn)行拉拔試驗(yàn)時(shí)，其斷裂面出現(xiàn)在較弱的下層混凝土。反之，則其斷裂面出現(xiàn)在上下層混凝土的界面上。從這個(gè)結(jié)果可以得出，下層混凝土的狀態(tài)直接影響了新舊混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度。

此外，超快硬混凝土的作業(yè)時(shí)間對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響結(jié)果如圖5所示。隨著作業(yè)時(shí)間的推遲，混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度未發(fā)生明顯變化。舊混凝土表面的濕潤(rùn)狀態(tài)會(huì)影響新舊混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度[7]。而本研究中，下層混凝土因?yàn)樘幱诟稍餇顟B(tài)，并且圖1的坍落度結(jié)果顯示，60min內(nèi)超快硬混凝土的坍落度損失較小。因此，可以推測(cè)新舊混凝土的結(jié)合面濕潤(rùn)程度基本相同，所以其粘結(jié)強(qiáng)度也未發(fā)生明顯變化。

表2 水泥混凝土路面抗折強(qiáng)度要求

圖4 混凝土粘結(jié)強(qiáng)度

圖5 混凝土粘結(jié)強(qiáng)度

表3 下層混凝土強(qiáng)度（M Pa）

3.3 耐久性

1）干燥收縮

大量混凝土修補(bǔ)工程實(shí)踐表明，新老混凝土的修復(fù)常常會(huì)出現(xiàn)修補(bǔ)的新混凝土開裂或在新老混凝土的粘結(jié)界面出現(xiàn)裂縫的現(xiàn)象，這是因?yàn)槔匣炷两?jīng)過長(zhǎng)期使用，其收縮基本趨于穩(wěn)定，而新補(bǔ)混凝土的干燥收縮大，使修補(bǔ)粘結(jié)界面層成為最薄弱環(huán)節(jié)[8]。

圖6 干燥收縮

圖7 抗凍性

超快硬混凝土的干燥收縮試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。混凝土在早期出現(xiàn)微膨脹后進(jìn)入收縮，截止至28d齡期，其收縮低于150×10-6。這是因?yàn)镾UPER CEMENT在煅燒過程中添加了定量石膏，而石膏在凝結(jié)硬化時(shí)會(huì)發(fā)生體積微膨脹。石膏在凝結(jié)硬化初期會(huì)發(fā)生微膨脹，補(bǔ)償了部分收縮，所以，超快硬混凝土的收縮值較小。

較小的收縮值不僅能大大降低混凝土的開裂危險(xiǎn)性，還能大幅提高其耐久性。而上層混凝土的收縮較小也是得到上述較高粘結(jié)強(qiáng)度的保證。

2）抗凍性

超快硬混凝土的凍融試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。該混凝土未摻加引氣劑，其實(shí)測(cè)含氣量為2.3%。雖然未摻加引氣劑，超快硬混凝土經(jīng)過凍融300循環(huán)后，其相對(duì)動(dòng)彈性模量保持在90%以上，顯示了良好的抗凍性。

圖8 混凝土現(xiàn)場(chǎng)攪拌車

超快硬混凝土的水灰比為0.34，混凝土內(nèi)部的細(xì)孔量隨著水灰比的降低而減少。當(dāng)混凝土的水灰比在0.35以下時(shí)，對(duì)其抗凍性影響較大的半徑在0.01～0.2μm范圍的細(xì)孔量低于0.02m l/g[9]，所以該混凝土即使未摻加引氣劑，其抗凍性也可以得到保證。

4 工程應(yīng)用

4.1 施工機(jī)械

在日本，為了降低超快硬混凝土在搬運(yùn)途中鑄罐的危險(xiǎn)性，一般在現(xiàn)場(chǎng)使用現(xiàn)場(chǎng)攪拌車攪拌。現(xiàn)場(chǎng)攪拌車如圖8所示，目前日本大約有40臺(tái)活躍在各工地。現(xiàn)場(chǎng)攪拌車上設(shè)有多個(gè)料倉(cāng)，可分別裝載粗細(xì)骨料、水泥、水及外加劑等。

現(xiàn)場(chǎng)攪拌車的基本參數(shù)如表4所示。材料計(jì)量一般采用體積法，近年采用質(zhì)量法稱量的攪拌車業(yè)已問世。使用體積法時(shí)，工程應(yīng)用前需進(jìn)行各材料的堆積密度試驗(yàn)。各材料稱量完畢后通過傳輸帶運(yùn)至攪拌設(shè)備前加水后攪拌，從加水開始到攪拌完畢基本需要15s。折疊式的攪拌設(shè)備采用單軸螺旋式攪拌葉片，設(shè)置在車輛后方。攪拌能力根據(jù)車輛規(guī)模及膠凝材料用量，每小時(shí)可在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)10m3～50m3混凝土[10]。

表4 現(xiàn)場(chǎng)攪拌車基本參數(shù)

一般現(xiàn)場(chǎng)攪拌車的料倉(cāng)可載10噸材料。大規(guī)模施工時(shí)，需用卡車將各材料運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，通過吊臂等機(jī)械往料倉(cāng)內(nèi)續(xù)料保證其連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.2 工程應(yīng)用

從上世紀(jì)80年代末期開始，使用現(xiàn)場(chǎng)攪拌車生產(chǎn)超快硬混凝土主要應(yīng)用于東京等大城市的城市道路及高速公路搶修、鋪裝等。截止目前，實(shí)際工程應(yīng)用超過數(shù)萬m3。

結(jié)語

本研究對(duì)日本的超快硬混凝土進(jìn)行了性能確認(rèn)，得到結(jié)果如下：

（1）該混凝土的坍落度損失較小，可滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求；

（2）早期強(qiáng)度高且低溫環(huán)境下其強(qiáng)度發(fā)展良好，能滿足城市交通設(shè)施的快速搶修實(shí)現(xiàn)早期開放交通的需求；

抗折強(qiáng)度可滿足重交通道路的要求；根據(jù)下層混凝土的狀態(tài)，可獲得較高的粘結(jié)強(qiáng)度；

（3）該混凝土的干燥收縮小，并且抗凍性好，可適應(yīng)不同環(huán)境的要求。

從上世紀(jì)80年代末期開始，日本使用具有自動(dòng)稱量系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)攪拌車生產(chǎn)超快硬混凝土，主要應(yīng)用于東京等大城市的城市道路及高速公路搶修、鋪裝等。截止目前，實(shí)際工程應(yīng)用超過數(shù)萬m3。

[1] 中國(guó)人大網(wǎng)：『北京市大氣污染防治條例』引用

[3] 羅軍：淺談路面混凝土抗折強(qiáng)度的影響因素，廣東建材，2003（11）

[4] 傅智：水泥混凝土道路未來重要研究方向，中國(guó)公路學(xué)報(bào)，1994（01）。

[5] 公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范（JTGF30-2003）引用。

[6] 陳鋒：在新老混凝土約束下的修補(bǔ)混凝土收縮性能試驗(yàn)研究，武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（09）。

[7] 劉艷萌：新舊混凝土粘結(jié)技術(shù)研究，重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006。

[8] 郝娟，余紅發(fā)，白康，韓麗娟，周鵬，曹文濤：混雜纖維對(duì)大摻量礦物摻合料混凝土干燥收縮的影響，材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，Vol.26，2008。