高抗拉混凝土（HTC）在簡支轉(zhuǎn)連續(xù)梁體系中的檢測與應(yīng)用

劉譽璟

（中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

簡支轉(zhuǎn)連續(xù)梁施工傳統(tǒng)工藝是通過墩頂現(xiàn)澆混凝土在張拉梁片負彎矩鋼絞線完成體系轉(zhuǎn)換，由預(yù)應(yīng)力筋來抵抗墩頂負彎矩區(qū)的上緣拉應(yīng)力，阻止混凝土開裂或降低裂縫寬度。這種體系轉(zhuǎn)化過程繁瑣、施工效率低、施工時間較長。隨著科技的進步，混凝土材料及工藝技術(shù)也得到發(fā)展。國內(nèi)外研究者及機構(gòu)都在不斷研究性能更優(yōu)的混凝土。HTC 是一種新型材料，與普通混凝土相比，HTC 強度更高、耐久性更好。用HTC 來代替負彎矩區(qū)傳統(tǒng)的機械張拉應(yīng)力方法，可形成一種非預(yù)應(yīng)力簡支轉(zhuǎn)連續(xù)體系。

1 工程概況

寧波石浦高速項目黃埠大橋全長 782m，中心樁號 ZK14+013.534（K14+061），孔徑布置為12×30m+25×30m。設(shè)計角度90°，上部為預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁。主梁由預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁和現(xiàn)澆混凝土橋面鋪裝組合而成。采用多梁單獨預(yù)制，簡支安裝。黃埠大橋左右線第七聯(lián)現(xiàn)澆墩頂連續(xù)段設(shè)計采用高抗拉混凝土與非預(yù)應(yīng)力鋼筋先簡支后連續(xù)結(jié)構(gòu)體系，本文結(jié)合工地實際情況，對HTC 的工作性能、力學(xué)性能進行檢測，為工程質(zhì)量提供有力保證。

2 試驗

2.1 原材料

水泥：海螺水泥股份有限公司，P.O52.5，3d 抗折強度7.2MPa、抗壓強度38.0MPa；28d 抗折強度10.8MPa，抗壓強度60.2MPa。

硅灰：上海亨創(chuàng)化工有限公司，比表面積19530m2/kg，平均粒徑0.1～0.15um。

粉煤灰微珠:鞏義市歐尚耐材有限公司，粒徑200 目。

石英砂：佛山玉峰粉體材料有限公司，粒徑20～40 目。

鋼纖維：上海真強纖維有限公司，13mm 端勾鍍銅鋼纖維，長徑比65，直徑0.2mm。

減水劑：武漢港灣工程設(shè)計研究院，粉末狀固體減水劑，減水率35%。

機制砂：象山縣磊順碎石，規(guī)格0～4.75mm，細度模數(shù)2.80，表觀密度2.626g/cm3，亞甲藍1.2g/kg，石粉含量8.4%。

碎石：浙江寧海，規(guī)格5～10mm，表觀密度2.624g/cm3，壓碎值17.4%，含泥量0.0%，空隙率41.9%。

2.2 施工配比

考慮到高抗拉混凝土原材料成本高，制備成本過大，使高抗拉混凝土在工程中存在應(yīng)用的局限性。結(jié)合項目實地的原材料特性，通過反復(fù)試驗進一步優(yōu)化配比，最終確定使用機制砂、碎石5～10mm 替代部分石英砂以降低成本，優(yōu)化后的施工配合比見表1。

表1 施工配合比（單位：kg）

2.3 試驗方法及分析

混凝土澆筑過程中在施工現(xiàn)場取樣制作抗壓、抗折（抗彎拉）、劈裂抗拉標準試件和非標準試件，標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護7d、28d 后，參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2019）[1]的試驗方法分別測定其各項強度，檢測結(jié)果見表2。

表2 混凝土抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度統(tǒng)計表

2.4 抗壓試驗分析

抗壓強度是反映混凝土承載能力的一個重要指標，是混凝土配制中重點考慮的因素。在標準養(yǎng)護條件下，高抗拉混凝土試件28d 抗壓強度滿足配合比設(shè)計要求。這是由于高抗拉混凝土膠凝材料較多，使混凝土結(jié)構(gòu)密實。同時鋼纖維的摻入使混凝土基體形成環(huán)箍效應(yīng)，約束混凝土基體收縮所產(chǎn)生的的微紋并阻止其發(fā)展，均勻分布的鋼纖維搭接環(huán)箍效應(yīng)可以阻止混凝土基體的橫向膨脹發(fā)展，從而提高試件強度[2]。

2.5 抗折試驗分析

抗折試驗是單位面積承受彎矩時的極限折斷應(yīng)力。在標準養(yǎng)護條件下，高抗拉混凝土28d 抗折強度其抗拉強度明顯提高，這實際上是由于HTC 混凝土膠凝材料中活性摻合料較多、超細粉增多，改善了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增強了混凝土中骨料與水泥漿界面的過渡區(qū)，同時鋼纖維的摻入增加了混凝土的粘結(jié)錨固性能，降低了混凝土脆性，增大了混凝土的塑性斷裂能力[3-4]。

2.6 抗拉試驗分析

抗拉強度對于抗開裂性有重要意義。在《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標準》規(guī)范中，混凝土抗拉強度采用啞鈴試件進行試驗，由于夾具應(yīng)力集中，在夾具附近或變截面處破壞，試驗成功率不高，同時數(shù)據(jù)離散比較大，使試驗結(jié)果不準確。結(jié)合工地試驗室情況，采用立方體劈裂抗拉試驗來測定。在標準養(yǎng)護條件下，高抗拉混凝土標準試件28d 劈裂抗拉強度為10.53MPa，與普通混凝土相比其強度明顯提高，原因是高抗拉混凝土膠凝材料多、水膠比小，凝膠體增多，孔隙、裂縫或局部缺陷機率減少，內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變，混凝土密實度提高，混凝土強度也隨著增高。同時由于鋼纖維的加入，在劈裂抗拉試驗時出現(xiàn)邊壁效應(yīng)約束作用增加，抗拉性能得到改善，脆性降低。

3 試驗結(jié)果分析

由表2 可知，高抗拉混凝土具有優(yōu)異的力學(xué)性能，采用標準試件成型的試樣28d 抗折、抗壓、劈裂抗拉強度可分別達到12.14MPa、102.5MPa、10.53MPa，其力學(xué)性能遠優(yōu)于普通混凝土，此得益于硅灰與超細粉煤灰的密實填充作用，使所制的高抗拉混凝土基體結(jié)構(gòu)密實，加之硅灰的引入提高了漿體粘度以防鋼纖維下沉，從而利于鋼纖維在基體中的均勻分布，鋼纖維的錯向均勻搭接，形成了緊箍整體，大幅提高了HTC 的抗折、抗壓、劈裂抗拉、強度，非標準小試件抗折、抗壓、劈裂抗拉強度大于標準試件的強度，與普通混凝土的性質(zhì)是一致的，一是由于混凝土“環(huán)箍效應(yīng)”尺寸越小，約束力越小，二是由于大尺寸試件內(nèi)部空隙、裂隙等缺陷較多，使強度降低。

混凝土的脆性初始開裂常發(fā)生于膠材-集料界面過渡區(qū)，膠材-集料界面過渡區(qū)作為混凝土結(jié)構(gòu)中的最薄弱區(qū)域，過渡區(qū)結(jié)合好壞直接影響混凝土性能，由表2 中數(shù)據(jù)可知，HTC 非標準試件28d 抗折強度（也即抗彎拉強度）、劈裂抗拉強度分別達13.03MPa、12.39MPa，間接可說明HTC 膠材與集料結(jié)合較為緊密，混凝土在承受外界拉應(yīng)力情況下，膠材-集料界面過渡區(qū)處產(chǎn)生微裂紋數(shù)量將明顯降低，加之鋼纖維在基體的錯向搭接均勻分布，可進一步阻止微裂縫的擴展，從而明顯改善高抗拉混凝土的抗拉性能。

綜上所述可知，HTC 以其優(yōu)異的粘結(jié)性能和力學(xué)性能將具有更為廣闊的工程應(yīng)用市場。

4 質(zhì)量控制

4.1 膠凝材料

混凝土的膠凝材料用量大小直接影響混凝土的工作性和力學(xué)性[5]，HTC膠凝材料用量比普通混凝土高很多，其性能與普通混凝土的也有所不同。在配合比設(shè)計階段研究，膠凝材料過少試件無法成型，隨著膠凝材料的增加，其工作性能逐漸變好，但膠凝材料過多，成本增加，其力學(xué)性能未有明顯優(yōu)勢。在配比設(shè)計研究階段確定最佳膠凝材料用量為1200～1400kg/m3。硅灰摻量不宜大于總膠凝材料的20%，摻量過大漿體膠粘不利于施工，其工作性能逐漸變差，強度略有下降。粉煤灰摻量不宜大于總膠凝材料的15%，隨著粉煤灰微細顆粒的增加，工作性能越來越好，過大力學(xué)性能降低較多。

4.2 集料

集料在高抗拉混凝土中起骨架作用，集料的品質(zhì)、顆粒形狀、級配對拌合物的流動性及強度有較大的影響。集料較大的緊密堆積密度更有利于發(fā)揮最緊密堆積的原理，有利于鋼纖維的均勻分布。在設(shè)計階段采用機制砂和石英砂組成的混合砂進行研究，摻入5～10mm的粗骨料使混凝土形成骨架作用，還可以減少混凝土的收縮，降低基體中膨脹組分的加入量進一步降低成本。

4.3 纖維

纖維對混凝土具有增強，增韌和阻裂效應(yīng)，鋼纖維的摻入降低了HTC的脆性，使HTC材料具有超高力學(xué)性能。均勻分布的鋼纖維是混凝土形成環(huán)箍效應(yīng)，約束微裂紋的產(chǎn)生，改善HTC力學(xué)性能，但隨著鋼纖維的摻入拌合物流動性逐漸變差，其原因是由于鋼纖維穿插在拌合物之間形成團聚，不均勻分布使拌合水無法釋放，漿體流動性下降。通過增加拌合物的拌合時間，使拌和水充分釋放，同時可以提高鋼纖維均勻布置。

4.4 成型溫濕度

溫濕度環(huán)境是影響膠凝材料水化反應(yīng)程度和速度的重要因素，與普通混凝土相比，高抗拉混凝土中含有更多的活性摻合料，采用熱養(yǎng)可以加快高抗拉混凝土中膠凝材料的水化反應(yīng)速度并促進水化反應(yīng)進程，使高抗拉混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密。在配比設(shè)計研究階段采用不同的養(yǎng)護方式，抗折抗壓強度增長不同，最佳養(yǎng)護方式為60℃熱水養(yǎng)護＞20℃水養(yǎng)＞標準養(yǎng)護。溫度越低，力學(xué)性能發(fā)展越慢。

5 結(jié)束語

本項目使用機制砂、碎石5～10mm替代部分石英砂配制的HTC，其性能和強度都能夠滿足設(shè)計和施工要求，合理的采用地材配制HTC，有效降低了成本。將HTC應(yīng)用于非預(yù)應(yīng)力簡支轉(zhuǎn)連續(xù)梁連體系中，相比傳統(tǒng)的橋梁施工工藝可以減少施工工序，提高施工效率。

目前針對HTC的研究不多，缺少相關(guān)規(guī)范標準和經(jīng)驗，為保證混凝土的科學(xué)性與先進性，在總結(jié)現(xiàn)有試驗技術(shù)的基礎(chǔ)上，對成熟的研究結(jié)果進一步分析論證，吸收類似先進研究成果，完善相關(guān)規(guī)范標準，為工程質(zhì)量提供有力保證。

隨著科技的進步和發(fā)展，HTC定能夠在經(jīng)濟、性能等方面突破傳統(tǒng)混凝土的制約，將其性能充分發(fā)揮。