復(fù)雜交通荷載作用下粉煤灰混凝土碳化及強(qiáng)度研究

陸益軍 王曉妮 孫 茜（南京理工大學(xué)紫金學(xué)院）

0 引言

自19 世紀(jì)20 年代水泥材料的問(wèn)世，隨之誕生的混凝土材料已成為世界范圍內(nèi)應(yīng)用范圍最廣，消耗數(shù)量最大的土木工程材料，以其廣泛的適用性和低廉的成本成為土木工程建設(shè)中最重要的建筑材料，迄今已有近200年的歷史，在各個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮著舉足輕重的作用。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局相關(guān)數(shù)據(jù)，2018年全國(guó)水泥總產(chǎn)量達(dá)21.77 億噸，可以看出，在未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)，混凝土材料仍然會(huì)在土木工程材料消耗中占據(jù)較大的比重。

1 粉煤灰混凝土的發(fā)展

但隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度不斷加快、社會(huì)發(fā)展要求不斷提高及建筑工程建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，高強(qiáng)度混凝土的需求日益增加，這就使得更多的研究開(kāi)始關(guān)注高強(qiáng)混凝土的制備工藝。為了兼顧混凝土的強(qiáng)度和流動(dòng)性，不同種類的外加劑及摻合料開(kāi)始添加到混凝土材料中，比如粉煤灰[1-3]。同時(shí)，我們國(guó)家作為產(chǎn)煤大國(guó)，煤炭也是國(guó)家發(fā)展的重要戰(zhàn)略能源，據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，到2030 年，我國(guó)的煤炭用量可達(dá)50 億噸，而隨之排放的粉煤灰也預(yù)計(jì)達(dá)到十幾億噸。數(shù)量如此龐大的粉煤灰渣將會(huì)對(duì)環(huán)境、生態(tài)以及土地資源造成極大的威脅，而將其作為摻合料，應(yīng)用到高強(qiáng)混凝土的制備中，則會(huì)有更為廣闊的前景和發(fā)展[4]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于粉煤灰混凝土也有了廣泛的研究和應(yīng)用。CANMET 中心的Malhotra 等人開(kāi)展了基于膠凝材料的大摻量高強(qiáng)粉煤灰混凝土研究，并在某大型衛(wèi)星發(fā)射臺(tái)的基礎(chǔ)澆筑中應(yīng)用；四川的二灘電站大壩工程中使用了粉煤灰摻比52%的高性能混凝土；廣西巖灘水電站的圍堰工程采用的粉煤灰混凝土中摻量高達(dá)70%，是粉煤灰大摻量混凝土的重要應(yīng)用；南京的長(zhǎng)江二橋、上海的金茂大廈、楊浦大橋等國(guó)內(nèi)重大工程都廣泛使用了一定摻合比的高性能粉煤灰混凝土[5]。

2 混凝土碳化損傷研究

但隨著研究深入，問(wèn)題也日益凸顯。在橋梁結(jié)構(gòu)中，由于復(fù)雜的自然和荷載環(huán)境，粉煤灰混凝土的碳化問(wèn)題引起了更多的關(guān)注。樂(lè)建元等[6]基于CO2的在碳化區(qū)的擴(kuò)散情況，基于表觀擴(kuò)散系數(shù)建立了多系數(shù)碳化深度模型，并結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行預(yù)測(cè)，取得了較好的效果。阿茹罕等[7]通過(guò)加速碳化和自然碳化兩種實(shí)驗(yàn)方法，研究了不同摻合比例粉煤灰混凝土的碳化特性，發(fā)現(xiàn)通過(guò)加速碳化實(shí)驗(yàn)可以分辨不同混凝土的碳化差異性。朱建華等[8]通過(guò)對(duì)粉煤灰混凝土加入混雜碳纖維，進(jìn)一步研究了不同摻合比下的粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度、碳化速度及相對(duì)動(dòng)彈性模量等力學(xué)特性。雖然對(duì)于不同方向的粉煤灰混凝土都有了完善的研究[9-12]，但是對(duì)于營(yíng)運(yùn)過(guò)程中的大型結(jié)構(gòu)，比如橋梁等，在復(fù)雜交通荷載下的粉煤灰混凝土的強(qiáng)度及碳化深度的研究還較少。

綜上，文章基于高速公路橋梁的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步探究日常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)中粉煤灰混凝土的強(qiáng)度變化及分布趨勢(shì)。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

3.1 回彈儀儀器介紹

本次檢測(cè)試驗(yàn)所使用的儀器是由天津津維公司生產(chǎn)的一體式語(yǔ)音數(shù)顯高強(qiáng)回彈儀(HT550-V)，如圖1 所示。可以即時(shí)獲得抽檢混凝土的抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果，儀器適用標(biāo)準(zhǔn)為JGJ/T 294—2013《高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》JJG817—2011《回彈儀》檢定規(guī)程。具體儀器參數(shù)如表1 所示。

圖1

表1 高強(qiáng)回彈儀儀器參數(shù)

3.2 工程案例概況

本次檢測(cè)橋梁全長(zhǎng)158m，梁式橋，上部結(jié)構(gòu)為板梁，下部采用樁柱式墩，跨徑組合為7×16m，設(shè)計(jì)荷載：公路Ⅰ級(jí)，結(jié)構(gòu)中使用的混凝土材料為大摻量高強(qiáng)粉煤灰混凝土。橋梁平面結(jié)構(gòu)如圖2 所示。本次專項(xiàng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)為主橋內(nèi)部混凝土碳化深度及強(qiáng)度檢測(cè)。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

開(kāi)展橋梁混凝土碳化及強(qiáng)度檢測(cè)，其目的是對(duì)全橋整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及安全性做出評(píng)估，為下一步的橋梁養(yǎng)護(hù)和維修提供建議。為了更為全面地評(píng)估橋梁整體結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)將橋梁按照墩臺(tái)數(shù)量編號(hào)，從0 至7，同時(shí)按照橋跨數(shù)量分為七個(gè)主要檢測(cè)區(qū)域，在每一橋跨內(nèi)選擇三塊底板進(jìn)行檢測(cè)，每一塊板設(shè)置十個(gè)測(cè)區(qū)，根據(jù)規(guī)范要求，每一測(cè)區(qū)取16 組回彈值，并根據(jù)回彈計(jì)算公式(1)計(jì)算平均值。

其中，Rn是平均回彈值，精確至小數(shù)點(diǎn)后1 位；Ri是第i 個(gè)測(cè)點(diǎn)的回彈值。

由圖3 可以看出，所有測(cè)區(qū)的回彈值在30 至60 之間波動(dòng)，主要集中于45 至55。根據(jù)不同測(cè)區(qū)和不同測(cè)點(diǎn)的回彈值，可以進(jìn)一步獲得每一測(cè)區(qū)的回彈平均值，同時(shí)測(cè)量每一測(cè)區(qū)的碳化深度，經(jīng)過(guò)換算為混凝土強(qiáng)度，在根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算公式得到最終推定強(qiáng)度值，0#臺(tái)至1#墩1#板的強(qiáng)度計(jì)算值如表2 所示，最終1#板的強(qiáng)度推定值約為44.7MPa，符合設(shè)計(jì)中C40 混凝土的強(qiáng)度要求。

圖4 展示了第1 跨中由外側(cè)倒內(nèi)側(cè)3 塊底板的強(qiáng)度值及碳化深度的變化，可以看出，外側(cè)底板的強(qiáng)度值要低于內(nèi)側(cè)底板強(qiáng)度，同時(shí)外側(cè)板的碳化深度高于內(nèi)側(cè)底板，這表明外側(cè)底板的損傷程度要嚴(yán)重于內(nèi)側(cè)底板，這是因?yàn)橥鈧?cè)車道一般為大型貨車行駛車道，承受較大的交通荷載，所以存在更為嚴(yán)重的損傷。通過(guò)進(jìn)一步對(duì)比圖中的強(qiáng)度最小值和碳化深度，第1 跨的中間底板可能存在最為嚴(yán)重的損傷，由此我們可以推斷在通過(guò)該大橋時(shí)，有更多的車輛選擇從中間車道通行，中間車道存在更為復(fù)雜的交通荷載，這一推斷也通過(guò)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中的另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)——混凝土保護(hù)層厚度及裂縫深度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證，中間車道混凝土存在較深的橫縱向裂縫，表明其破損情況更為嚴(yán)重一些。

圖2 橋梁平面圖

圖3 0# 臺(tái)- 1# 墩1# 板10 個(gè)測(cè)區(qū)16 組回彈值變化圖

表2 0# 臺(tái)-1# 墩1# 板強(qiáng)度計(jì)算

為了評(píng)估全橋整體安全狀況，在對(duì)單一橋跨情況分析之后，進(jìn)一步分析了沿通行方向，不同橋跨的強(qiáng)度和碳化深度的變化趨勢(shì)，如圖5 所示。通過(guò)對(duì)比圖5(a)中的強(qiáng)度值和強(qiáng)度最小值，第2 和第6 跨的混凝土強(qiáng)度較高，其它橋跨的強(qiáng)度大致相等；同時(shí)在圖5(b)中，第2和6 跨的碳化深度也較淺，由此可以看出第2 跨和第6跨的整體結(jié)構(gòu)情況要優(yōu)于其他橋跨。

4 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)專項(xiàng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)可以看出，粉煤灰混凝土能夠較好地適應(yīng)復(fù)雜交通荷載環(huán)境。綜合橋梁所有橋跨區(qū)域來(lái)看，在正常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，粉煤灰混凝土大部分區(qū)域整體強(qiáng)度仍能夠滿足初始設(shè)計(jì)要求的C40 混凝土強(qiáng)度，部分區(qū)域略低于40MPa，但最低的推定強(qiáng)度值仍能夠達(dá)到37MPa 以上，能夠在可控的養(yǎng)護(hù)維修后滿足日常運(yùn)營(yíng)需求。開(kāi)展基于復(fù)雜交通荷載下的粉煤灰混凝土碳化損傷的研究，可以進(jìn)一步探索大摻量粉煤灰混凝土在橋梁等大型結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的損傷演化規(guī)律。通過(guò)從板、跨、橋多層次分析橋梁結(jié)構(gòu)中粉煤灰混凝土的強(qiáng)度及碳化變化規(guī)律，可以為橋梁整體結(jié)構(gòu)安全的評(píng)估提供有益的參考。

圖4

圖5

可以看出，粉煤灰混凝土在建筑、交通、水利等多個(gè)領(lǐng)域擁有廣闊的發(fā)展前景，加大對(duì)粉煤灰混凝土在復(fù)雜荷載如疲勞荷載、復(fù)雜環(huán)境如凍融腐蝕環(huán)境等多方面的研究也十分必要。未來(lái)，在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，也需要基于現(xiàn)有的數(shù)值模擬方法進(jìn)一步探索不同荷載、不同環(huán)境等多種條件下的損傷演化模型，對(duì)指導(dǎo)工程實(shí)際具有十分深遠(yuǎn)的意義。