云蒙山特大橋聚丙烯纖維混凝土力學性能指標及其相關性研究*

吳偉軍

(上海公路橋梁(集團)有限公司,上海 200433)

本文以云蒙山特大橋主橋箱梁C55聚丙烯纖維混凝土為研究對象,開展材料力學性能與機理研究,提出聚丙烯纖維混凝土施加預應力的齡期建議,根據試驗結果建立力學指標的定量關系。

1 工程概況

S317線云蒙山特大橋長581.5m,主橋跨越水庫大壩,采用預應力混凝土變截面箱梁連續剛構,跨徑95m+175m+95m,邊中跨比0.543(見圖1)。主梁采用單箱單室直腹板變截面預應力混凝土連續箱梁(見圖2),箱梁根部截面梁高11.2m,為主跨跨徑的1/15.6,跨中截面梁高5m,為主跨跨徑的1/35, 主橋箱梁采用C55聚丙烯纖維混凝土。

圖1 云蒙山特大橋效果

圖2 主橋箱梁

2 試驗概況

2.1 原材料

試驗采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥,比表面積為362m2/kg,密度為3.02g/cm3,初凝時間187min,終凝時間245min,3d抗壓強度26.8MPa,28d抗壓強度46.7MPa,3d抗折強度5.9MPa,28d抗折強度7.8MPa;細骨料為天然中砂,細度模數為2.66,表觀密度為2.620g/cm3;粗骨料為5～20mm連續級配碎石,表觀密度為2.778g/cm3;摻合料采用F類Ⅱ級粉煤灰和晉鋼S95級礦粉;水為普通自來水,符合國家標準;外加劑采用JL-7型聚羧酸高性能減水劑,減水率28%;采用的聚丙烯纖維主要性能指標為:直徑36μm,長度12mm,抗拉強度599MPa,彈性模量4 290MPa,極限伸長率30.5%,密度9.1g/cm3,熔點169℃(見圖3)。

2.2 配合比設計

混凝土配合比設計過程中,主要考慮水膠比及砂率對混凝土的影響,在用水量、聚丙烯纖維摻量不變(即均為0.8kg/m3)的情況下進行試配試驗,C55聚丙烯纖維混凝土配合比如表1所示。根據試配結果,基準配合比A1拌合物和易性最佳,且28d抗壓強度亦滿足設計要求。綜合考慮混凝土和易性、經濟型、耐久性,確定A1為最終配合比。

表1 聚丙烯纖維混凝土配合比設計

2.3 試驗方法

混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度及靜彈性模量試驗參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》,抗壓強度和劈裂抗拉強度試件尺寸為100mm×100mm×100mm,抗折強度試件尺寸為150mm×150mm×550mm,靜彈性模量試件尺寸為150mm×150mm×300mm,采用YAW-3000型壓力試驗機;動彈性模量試驗參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》,試件尺寸為100mm×100mm×400mm,采用DT-W18型混凝土動彈性模量測定儀。SEM掃描電鏡試驗是介于透射電鏡和光學顯微鏡之間的一種微觀形貌觀察手段,可直接利用樣品表面材料的物質性能進行微觀成像,采用日立-S4800型號的高分辨率冷場發射掃描式電子顯微鏡。MIP壓汞試驗通過汞進入孔中的量與不斷增長的進汞壓力間的關系可得出樣品的微觀孔結構,采用AutoPore IV 9500型壓汞儀。

3 試驗結果及分析

3.1 聚丙烯纖維混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度

C55聚丙烯纖維混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度測試結果如表2所示。由表2可知,C55聚丙烯纖維混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度隨齡期的增加而穩定增長。3d,7d抗壓強度分別達到設計強度的103.5%,114.2%;雖然混凝土軸心抗拉強度能直觀反映混凝土的抗拉性能,但試驗操作不便,且劈裂抗拉強度也可較好地反映混凝土的抗拉強度。將劈裂抗拉強度與軸心抗拉強度設計值進行對比后得出,混凝土3d,7d劈裂抗拉強度分別達到軸心抗拉強度設計值的104.0%,120.4%。滿足GB 50666—2011《混凝土結構工程施工規范》中強度不應低于設計強度的75%和該橋設計要求中強度不應低于設計強度的90%施加預應力的要求。試驗得出,混凝土28d抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度分別達到設計值的130.7%,151.5%,124.6%,力學性能表現優異。齡期28d混凝土的SEM試驗和MIP試驗結果分別如圖4,5所示。

表2 抗壓強度、劈裂抗拉強度試驗結果

圖4 28d齡期混凝土SEM微觀圖像

由圖4可看出,齡期28d混凝土中的水泥石與骨料結合緊密,組織結構完整,聚丙烯纖維與水泥漿體間的結構緊密,無微裂縫產生,可觀察到大量無定型C-S-H凝膠,活性礦物摻合料的火山灰效應大量消耗Ca(OH)2,進一步優化了混凝土的微觀結構。由圖5可見,28d齡期時,聚丙烯纖維混凝土試樣總孔隙率為4.67%。孔徑分布在20～100nm的孔隙組分較密集。根據混凝土孔徑分類,20～100nm為少害孔,MIP試驗表明,混凝土微觀結構致密,孔隙結構較好。隨著齡期增加,水化反應將進一步發展,混凝土孔隙結構也將進一步得到優化。

圖5 28d齡期混凝土孔徑含量分布曲線

從微觀試驗結果可看出,混凝土中水泥石與骨料結合緊密,組織結構完整,孔隙率較低且孔徑分布較好,因此C55聚丙烯纖維混凝土表現出優異的力學性能。

3.2 聚丙烯纖維混凝土動、靜彈性模量

實際工程中,混凝土強度與彈性模量增長并不同步,常出現混凝土強度達到預應力張拉的要求,而彈性模量卻因達不到要求而無法進行張拉的情況。因此,本文通過彈性模量試驗,結合規范要求,分析了彈性模量對聚丙烯纖維混凝土預應力張拉時間的影響,提出了能滿足實際施工要求的張拉時間。C55聚丙烯纖維混凝土動、靜彈性模量測試結果如表3所示。由表3可知,聚丙烯纖維混凝土的動、靜彈性模量在早期都呈現快速增長趨勢,5d動彈性模量為28d的87.7%,5d靜彈性模量為28d的83.2%,滿足施工要求中彈性模量達到混凝土28d彈性模量的80%允許施加預應力的要求。JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》規定:在收縮和徐變初期的混凝土上施加預應力時,會導致預應力損失較大,使混凝土產生微裂縫,進而導致構件的抗裂性能降低,并建議“對混凝土施加預應力應至少具備5～7d的齡期”。由于聚丙烯纖維混凝土的早期抗裂性能優異,同時根據混凝土抗壓強度與劈裂抗拉強度的試驗結果,聚丙烯纖維混凝土的預應力施加可考慮在齡期5d時進行。

表3 動、靜彈性模量試驗結果

3.3 抗壓強度與劈裂抗拉強度及靜彈性模量的相關性

聚丙烯纖維混凝土抗壓強度fcu與劈裂抗拉強度fts關系曲線如圖6所示,聚丙烯纖維混凝土抗壓強度fcu與靜彈性模量Ec關系曲線如圖7所示,聚丙烯纖維混凝土抗壓強度fcu與抗折強度ft關系曲線如圖8所示。由圖6～8可知,聚丙烯纖維混凝土劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度、靜彈性模量與立方體抗壓強度、抗折強度與立方體抗壓強度都具有良好的線性正相關關系。抗壓強度不僅是反映混凝土質量的綜合指標且檢測易于操作,在實際工程中,預先建立混凝土抗壓強度與劈裂抗拉強度及靜彈性模量相關關系,通過混凝土的抗壓強度檢測結果可間接得到混凝土的劈裂抗拉強度和靜彈性模量,從而掌握混凝土的抗拉性能及變化規律,同時還能及時了解混凝土結構的剛度變化情況。

圖7 抗壓強度與靜彈性模量關系曲線

圖8 抗壓強度與抗折強度關系曲線

3.4 動、靜彈性模量的相關性

聚丙烯纖維混凝土動彈性模量Ed與靜彈性模量Ec關系曲線如圖9所示。由圖9可知,同一齡期時,聚丙烯纖維混凝土的動彈性模量大于靜彈性模量。一方面是因為混凝土試件在測量動、靜彈性模量時的應力-應變條件不同,另一方面混凝土試件中的微小裂縫對動彈性模量的測定影響較小。聚丙烯纖維混凝土的動、靜彈性模量具有良好的二次多項式正相關關系。工程中為獲取結構靜彈性模量,需對結構鉆芯取樣,但會對結構物造成損傷,所以在實際工程中應盡量避免。而動彈性模量則可通過無損檢測方法獲取,操作簡便、測量連續且避免了結構損傷。因此,可通過二者的相關關系,基于混凝土動彈性模量實測值間接掌握混凝土靜彈性模量的發展規律,從而為工程施工提供技術依據。

4 結語

1)聚丙烯纖維混凝土3d,7d抗壓強度分別達到設計強度的103.5%,114.2%,3d,7d的劈裂抗拉強度分別達到軸心抗拉設計強度的104.0%,120.4%,均滿足施加預應力要求。28d抗壓、抗折強度與劈裂抗拉強度性能十分優異,微觀試驗結果與力學性能測試結果一致。

2)聚丙烯纖維混凝土5d動彈性模量為28d的87.7%,5d靜彈性模量為28d的83.2%。考慮到聚丙烯纖維混凝土的抗裂性能優異,對混凝土施加預應力可考慮在齡期5d時進行。

3)聚丙烯纖維混凝土力學性能指標間具有良好相關性。其中,聚丙烯纖維混凝土劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度、靜彈性模量與立方體抗壓強度、抗折強度與立方體抗壓強度都具有良好的線性正相關關系,混凝土的動、靜彈性模量具有良好的二次多項式正相關關系。