車橋耦合振動對鋼纖維-水泥石界面黏結性能的影響

王育清，梅迎軍，王 宇，聶 凱

(1.保利長大工程有限公司，廣東 510620；2.重慶交通大學 交通土建工程材料國家地方聯合工程實驗室，重慶 400074)

隨著國家經濟快速發展，交通量不斷增加，公路橋梁所經受的交通量不斷加大，橋梁長時間處于超負荷狀態.在環境和荷載的雙重作用下，橋梁梁體及橋面鋪裝容易產生裂縫，使得橋梁在修建不久后出現不同程度的破壞[1-2].鋼纖維混凝土是由水泥、粗細集料和隨機分布的短鋼纖維組合而成，具備優良的力學性能及抗裂性能[3]，鋼纖維與水泥石黏結界面是鋼纖維混凝土中最薄弱環節[4-6]，對鋼纖維的抗裂效果有顯著影響.研究發現：車橋耦合振動作用降低了混凝土的力學性能和耐久性，使橋梁修補后易出現再次開裂[7-8]，鋼纖維混凝土中纖維與水泥石界面黏結性能是發揮其抗裂性能的關鍵因素[9-10].

為此，本文對鋼纖維混凝土從澆筑到凝結硬化的各階段進行車橋耦合振動模擬，研究不同時間段微振動對鋼纖維-水泥石界面黏結強度的影響規律，并對其機理進行分析，研究成果對掌握車橋耦合振動下鋼纖維混凝土的抗裂性能研究具有借鑒意義.

1 原材料、試驗方法和方案

1.1 原材料選擇

試驗選用重慶拉法基P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥，砂采用細度模數為2.83的黃砂，碎石采用5～20 mm連續級配的碎石.鋼纖維由湖北武漢新途工程材料科技有限公司生產，抗拉強度大于980 MPa，混凝土力學性能試驗中鋼纖維采用長度30 mm、直徑0.51 mm的變截形多錨固段鋼纖維，單根鋼纖維拉拔試驗中的鋼纖維采用長度50 mm、直徑0.96 mm的變截形多錨固段鋼纖維，聚合物采用丁二烯/苯乙烯共聚物水溶乳液，乳液含固量為52%，減水劑采用聚羧酸高效減水劑.

1.2 試驗配合比

混凝土配合比為水泥∶水∶砂∶碎石=470∶147∶800∶1081，砂率為44%，減水劑含量0.98%.摻入體積摻量0.6%的鋼纖維，水泥質量6%的聚合物乳液，鋼纖維和聚合物乳液均使用外摻法.混凝土坍落度控制在(100±20) mm，單位用水量扣除聚合物乳液中48%的含水量.混凝土的初凝時間為300 min，終凝時間為470 min.

1.3 力學試驗

1) 抗壓強度試驗.混凝土參照《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS 13—2009)的方法拌和成型與測試，試驗采用的試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，標準條件下養護至28 d齡期進行試驗.

2) 抗折強度試驗.試驗采用的試塊尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，標準條件下養護至28 d齡期進行試驗.

1.4 振動拉拔試驗

1.4.1 振動參數設計

根據中小跨徑橋梁在行車荷載作用下產生的振動頻率和振幅特征，選取振動頻率為2 Hz、振幅為4 mm(下文以2 Hz-4 mm表示)，以及頻率為3 Hz、振幅為4 mm(下文以3 Hz-4 mm表示)，振動方式為振動60 s、暫停60 s，能較好地模擬輕、中交通引起的車橋耦合振動狀態[9-10].采用振動臺模擬車橋耦合振動，設計初凝前、初凝—終凝、終凝后各振動1 h及持續振動4種工況，具體振動方案見表1.

表1 振動方案

1.4.2 試樣制備

試樣的尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，成型試樣前安裝好加工的夾具，并按照《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS 13—2009)的要求成型試件.試樣制備過程中，采用自制模具固定鋼纖維，使鋼纖維在模擬振動過程中位置不發生改變.1個試樣中設置5根鋼纖維，有效避免混凝土強度差異對鋼纖維與水泥石界面黏結強度造成影響.

為精確控制鋼纖維埋置深度，將條形鋼板安裝在螺桿上形成一個整體，鋼纖維由薄板的孔中插入到混凝土中，夾具中條形鋼板表面與試件頂部的距離為6 mm，控制鋼纖維外露長度來表征插入混凝土中鋼纖維長度.同時，將外露的鋼纖維用夾子夾住，防止在振動過程中引起鋼纖維的上下浮動，影響鋼纖維埋入深度.

混凝土試樣成型至終凝后1 h，按照表1設定的方案進行振動模擬，之后標準養護至齡期分別為3，28 d時進行拉拔測試.為防止養生過程中鋼纖維出現銹蝕，試樣養生前用塑料薄膜將鋼纖維進行裹覆，拉拔試驗前將塑料薄膜拆除.

圖1 單根鋼纖維拉拔測試

表2 鋼纖維混凝土28 d抗壓、抗折強度

1.4.3 單根鋼纖維拉拔測試

采用自制的鋼纖維拉拔夾具固定測試試樣，采用萬能試驗機進行單根鋼纖維拉拔試驗，測試中保持鋼纖維軸向與拉拔方向一致(圖1)，加載速率為0.5 mm/min，直至纖維全部拉出.測試完1根鋼纖維拉拔試驗后，調整試件在夾具中的位置，使得下一根鋼纖維軸向與拉拔方向一致，以此類推，直至5根鋼纖維全部拉拔完成.

根據拉拔試樣測試得到的鋼纖維最大拉拔荷載，按照公式(1)計算鋼纖維-水泥石的界面黏結強度：

(1)

式中：ffu為鋼纖維與基體間的界面黏結強度，MPa；Ffu為鋼纖維拔出時的最大荷載，N；uf為鋼纖維橫截面周長，mm；lfe為鋼纖維的埋入長度，mm.

2 試驗結果處理與分析

2.1 試驗數據分析

鋼纖維混凝土28 d齡期的抗壓、抗折強度見表2.

試件標準養護3，28 d后進行單根鋼纖維拉拔試驗，測得2 Hz-4 mm，3 Hz-4 mm振動模擬下的3，28 d的界面黏結強度和最大峰值荷載對應的位移，見表3、表4.不同頻率與振幅作用下鋼纖維從水泥基體中拔出界面黏結強度和最大峰值荷載對應位移的變化呈現相同的規律性.

表3 2 Hz-4 mm鋼纖維從水泥石基體中拔出特征參數

表4 3 Hz-4 mm鋼纖維從水泥石基體中拔出特征參數

由表3、表4可得不同時間段振動作用對鋼纖維-水泥石界面黏結強度造成的損失，由測試結果得知：

1) 輕、中交通量振動作用在混凝土初凝前，3 d的界面黏結強度分別提高了13.6%，5.2%.交通量越小，對早期界面黏結強度的提高效果越好，但隨著齡期的增長，界面黏結強度增強效果逐漸減弱，但仍高于未振組.

2) 與振動作用在混凝土初凝前的界面黏結強度相比，當振動作用在初凝—終凝階段，界面黏結強度顯著降低.輕、中等交通量的3 d界面黏結強度分別降低了16%，16.8%.振動作用在終凝后1 h，也降低了鋼纖維-水泥石的早期界面黏結強度，但隨著養生齡期的增加，界面黏結強度得到一定的提升.

3) 當凝結期各階段受持續振動作用時，在輕、中等交通量的情況下，3 d的界面黏結強度分別損失了18.4%，21.2%.表明，在凝結期持續振動對鋼纖維-水泥石的界面黏結強度降低影響最大，且交通量越大影響越明顯.

2.2 機理分析

1) 初凝前，混凝土中水泥處于水化的誘導前期，隨著水化反應生成的水化產物覆蓋水泥顆粒表面，使得水化進程暫時靜止，且在界面區形成滲透膜.而此時輕微振動會破壞在水泥表面形成的滲透膜，使得礦物離子下沉，水泥顆粒與水接觸，重新促進水泥的水化，界面區的水化產物增多，增加鋼纖維與界面區的化學黏結力，因此在初凝期振動可使得界面黏結強度增強.

2) 初凝—終凝，此階段水泥水化加速進行，形成水化凝膠結構，此時凝膠結構較少，在振動的影響下，很容易達到屈服強度而遭受破壞，產生永久性裂縫.而鋼纖維-水泥石界面區作為混凝土中最薄弱區域，受振動影響，界面區的水化凝膠結構容易遭受破壞，使得界面區疏松，減小了鋼纖維與水泥基體的化學黏結力，降低了鋼纖維-水泥石界面區黏結強度.

3) 終凝后1 h，隨著水化的進行，界面區已生成大量的水化凝膠結構，鋼纖維-水泥石的界面區具有一定的強度，輕交通量的振動參數對界面區的水化凝膠結構破壞較小，鋼纖維與水泥基體的化學黏結力損失較小，界面黏結強度損失較??；而中等交通量產生的慣性力較大，容易破壞界面區的結構，降低鋼纖維與水泥基體的化學黏結力.

4) 不中斷交通的持續振動下，由振動引起的慣性力破壞了界面區生成的水化凝膠結構，且隨著振動的持續，界面區的裂縫變大，水化產物無法填充，形成永久裂縫，破壞了界面區的結構，降低了鋼纖維-水泥石化學黏結力，使得鋼纖維與水泥基體的界面黏結強度降低.因此，持續振動對鋼纖維-水泥石的界面性能產生了最不利的影響.

3 結論

本文對不同交通量的車橋耦合振動參數，在凝結期各階段進行振動模擬，采用單根鋼纖維拉拔試驗，得到了不同振動時間段經輕、中交通量振動作用前后鋼纖維-水泥石界面黏結強度變化規律，并分析了振動對鋼纖維-水泥石界面黏結性能的影響機理.主要的研究結論如下：

1) 振動發生在初凝之前，輕交通量的振動提高了鋼纖維-水泥石的早期界面黏結性能；振動發生在初凝—終凝期間，顯著降低了鋼纖維-水泥石的早期界面黏結性能，危害最大；終凝后振動也降低了鋼纖維-水泥石的界面黏結性能，危害次之.

2) 凝結期各階段持續振動，對鋼纖維-水泥石的界面黏結性能產生了最不利的影響，且交通量越大，界面黏結性能降低越顯著.隨著凝結期的增加，振動對早期鋼纖維-水泥石的界面黏結性能的不利影響減弱.

3) 修補施工后，建議在初凝—終凝期間關閉交通，終凝后限制交通流量為輕交通標準，有利于鋼纖維-水泥石界面黏結性能的發展，提高鋼纖維混凝土的抗裂性能.