新型轻质桥面混凝土的研究与应用

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摘 要： 为减轻桥梁自重， 提高桥梁的承载能力， 延长桥梁使用寿命， 文中根据旧桥改造的需要， 提出桥面混凝土材料的设计思想， 利用轻集料为主要原料研制出LC30～LC50 新型轻质桥面混凝土， 对其容重、工作性能、力学性能、干缩性能和抗渗性能进行了研究。研究开发出的新型轻质桥面混凝土在湖北宜昌远安—当阳一级公路等重点工程得到成功应用。本项研究为我国大量的旧桥改造提供了一条新的技术途径和方法。

关键词： 轻集料； 轻质混凝土；旧桥改造；桥面混凝土

长期以来， 旧桥面改造主要使用容重为2500kg/ m3 左右的普通密度混凝土， 由于旧桥的承载能力已有所下降， 使用自重较大的普通混凝土势必会影响桥梁的通行能力和使用寿命， 有时为了提高行车舒适性和增加路面美观， 还往往在桥面加铺厚度为4cm 左右的沥青面层， 这将使桥面自重增加， 从而降低桥梁的承载能力和减少使用年限。轻质桥面混凝土是由轻集料、水泥等原料配制而成的容重小于1950kg/ m3 的混凝土。相比普通密度混凝土， 它能够在保持较高强度的前提下自重降低20 %～25 % ， 并且具有较高的耐久性， 显然这种材料在旧桥改造工程无疑具有十分广阔的应用前景。然而， 我国对于轻质混凝土的相关研究比较落后， 尤其是轻质混凝土强度较低、工作性较差、收缩大等应用技术难题还没有得到较好的解决， 因此开展高性能轻质混凝土的研究， 并将其应用于旧桥改造工程具有十分重要的意义。

1 　原材料及实验方法

1.1 　原材料

水泥： 堡垒牌4215 级普通硅酸盐水泥， 比表面积360m2/ kg。

粉煤灰： Ⅱ级粉煤灰， 比表面积为380m2/ kg ， 需水量比95 %。

硅灰： 密度212g/ cm3 ， 平均粒径为0118μm ， 比表面积20000m2/ kg。

轻集料： 800 级高强碎石形页岩陶粒， 吸水率4.2 % ， 筒压强度618MPa 。

外加剂： 高效保塑减水剂A。

细集料： 中粗河砂， 细度模数为217～218 ， 含泥量小于1 %。

纤维： 分别采用钢纤维、聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维三种纤维， 它们的物理力学性能见表1。

1.2 　实验方法

(1) 混凝土收缩实验方法

实验中每组混凝土成型3 个100mm ×100mm × 300mm的试样， 试件两端预埋可拆卸式铜探头。成型1d 后拆模并将试样置于(20 ±3) ℃，相对湿度为(60 ± 5) %的养护室中养护。采用外径千分尺分别测定试件在1、3、7、14 、28 、60 、90 、180d 龄期时混凝土的收缩值， 精确度为0101mm[1 ] 。

(2) 混凝土渗透性测试方法

快速氯离子渗透实验按照ASTMC1202O97 标准进行， 测定试样在60V 电压、6h 内通过的电量， 并计算混凝土的氯离子渗透系数[2 ] 。溶液气压法实验所用混凝土试件尺寸为100mm ×100mm ×100mm ， 加压到1.2MPa ， 然后测试混凝土的渗透深度[3 ] 。

2 　结果与讨论

2.1 　轻质桥面混凝土设计

在对旧桥进行改造时， 使用轻质混凝土进行桥面铺装可降低桥梁静载; 在保持桥梁基本不变的情况下还可增加桥面铺装层厚度， 进而提高桥面的耐久性; 或者可以增加沥青面层厚度， 提高沥青面层防止反射裂缝的能力。除了使用密度较小的轻质高强混凝土之外， 旧桥桥面改造还应遵循以下原则： 首先， 桥面混凝土具有较小的收缩， 体积稳定、抗裂性好， 以防止在沥青面层产生反射裂缝。其次， 桥面混凝土具有高耐久性， 尤其是高抗渗性。以防止水渗至桥梁的下部结构， 导致混凝土中钢筋锈蚀， 降低桥梁使用寿命。根据以上用于旧桥改造桥面混凝土设计的指导思想，确定使用800 级高强页岩陶粒，通过对组成材料配比进行优化设计，以提高桥面混凝土的物理力学性能和耐久性，轻质桥面混凝土的配比设计方案见表2。

注： 0 # 是普通密度混凝土；8 # 掺加杜拉纤维；9 # 掺加聚丙烯腈纤维；10 # 掺加钢纤维。

2.2 　轻质桥面混凝土的性能

2.2.1 　物理力学性能

对表2 中各组混凝土的工作性能、物理力学性能进行了试验研究， 结果见表3。

0 # 普通混凝土的容重为2 350kg/ m3 ， 1 # ～10 # 轻集料混凝土的湿密度为1 930～2 005kg/ m3 ， 比普通混凝土容重降低了约20 %以上。在强度方面， 轻集料混凝土具有早期强度发展快的特点， 其7d 抗压强度达到了28d 抗压强度的80 %以上， 轻集料混凝土的这个特点对于加快施工进度， 缩短工程建设周期具有重要的意义。

在工作性方面， 未掺加辅助胶凝材料的1 # 基准轻集料混凝土的流动性和稳定性一般， 轻集料在混凝土拌和过程中有轻微上浮现象。但这一问题在掺加粉煤灰或硅灰之后得到了显著改善， 如掺加10 %～ 20 %的粉煤灰或10 %的硅灰， 轻集料混凝土的流动性和稳定性都有显著的提高， 其中微观形态呈球状的粉煤灰具有润滑作用， 有利于提高轻集料混凝土的流动性。硅灰的加入， 能够显著提高混凝土结构粘度， 从而起到抑制轻集料上浮的作用。通过复合使用粉煤灰和硅灰， 利用其复合叠加效应， 不仅使混凝土(4 # 、5 # 、6 # ) 具有良好的流动性， 而且还保持较高的稳定性。并且在工作性能得到保证的同时， 其力学性能也有显著的提高。

掺加纤维的8 # 、9 # 和10 # 混凝土， 其28d 抗压强度虽有一定的增加， 但增加幅度较小， 说明纤维的加入对于混凝土的强度没有显著的影响， 但各组混凝土的流动性降低较为明显。掺加钢纤维的10 # 混凝土的容重相对于基准混凝土增加了50kg/ m3 以上。而掺加聚丙烯和聚丙烯腈纤维的8 # 、9 # 混凝土的容重变化不大。

2.2.2 干缩性能

图1 　纤维对轻集料混凝土收缩的影响

图1 中8 # 、9 # 分别掺加了1kg/ m3 的杜拉和德兰尼特纤维， 10 # 掺加了体积掺量为112 %的钢纤维。同钢纤维相比， 聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维的细度大得多， 在较小掺量下就有很多的纤维根数， 数量可达到700～3 000 万根/ kg ， 这类纤维具备较强地抑制塑性开裂的能力， 由图1 可见， 掺加纤维能够显著地降低轻集料混凝土的收缩率， 尤其是早期收缩率。但两种纤维对于降低轻集料混凝土长期收缩的作用效果不同， 其中， 聚丙烯纤维弹性模量比较小， 对减小混凝土长期收缩的作用效果不明显， 如8 # 混凝土的180d 收缩依然达到了400 ×10 - 6 。而高弹性模量的德兰尼特纤维降低收缩的作用相当明显， 9 # 混凝土的180d 收缩率为290 ×10 - 6 。钢纤维降低轻集料混凝土收缩的作用则更加明显， 其180d 收缩率仅为240 × 10 - 6 。该试验结果说明使用聚丙烯腈类纤维将可以在不增加混凝土的容重的同时， 显著地降低混凝土的收缩。并且研究表明[4 ] ， 纤维还能够提高轻集料混凝土的断裂韧性， 高韧性对于提高桥面混凝土的耐久也具有非常重要的作用。

2.2.3 　抗渗性能

如表4 所示， 混凝土的导电量越高、渗水高度越大， 其抗渗性越低。由表可见， 两种实验方法得到的结果具有一致的规律。比较表4 中0 # 和1 # 试样的强度和导电量可知， 在相同强度等级条件下， 轻集料混凝土的渗透性大于普通混凝土。对比1 # 、2 # 、3 # 、4 # 试样的氯离子渗透系数和渗水高度可以发现， 掺加粉煤灰和硅灰能够显著提高轻集料混凝土的抗渗性， 其中以单掺硅灰的作用最明显， 如7 # 混凝土的氯离子渗透系数仅为4.6 ×10 - 9cm2/ s ， 渗水高度仅10.1mm。复合掺加10 %的粉煤灰和5 %的硅灰降低混凝土渗透性的作用效果非常突出， 5 # 试样的渗透系数仅为4.9 ×10 - 9cm2/ s。

表4 　混凝土的配合比与实验结果

2.3 　工程应用及跟踪调查情况

文献[5 ] 已介绍了LC40 泵送纤维增强轻集料混凝土在京珠高速公路蔡甸汉江大桥桥面的应用情况。2003 年4～8 月， 湖北远安至当阳国防公路两座旧桥桥面改造又分别使用了LC30 高性能轻质桥面混凝土。其中三道河桥总长4314m ， 结构型式为1316m + 1316m + 1316m; 魏家岗桥总长3516m ， 结构型式为1316m + 618m + 1316m。以上两座桥梁原桥面多年失修， 破坏严重。桥面改造通过使用近1000m3 的LC30 轻质混凝土， 由于大大降低了桥梁静载， 提高了桥梁承受动载的能力， 因而不需要对其进行基础加固， 节约了桥梁加固费用。混凝土的坍落度控制在8～12cm ， 桥面铺装厚度为8～10cm。通过对比发现， 工程应用情况良好， 并且新型轻质桥面混凝土呈现出较好的耐磨性， 其表面磨损情况甚至好于桥两端普通水泥混凝土路面， 应用取得了显著的社会与经济效益。

3 　结论

(1) 提出用于旧桥改造桥面混凝土的设计指导思想，要求桥面混凝土具有容重小、高强、干缩小和抗渗性好， 施工性能好的特点。

(2) 研制开发出强度等级达到LC50 高性能轻质桥面混凝土， 该材料具有不离析、不泌水， 初始坍落度大于18cm、扩展度高于50cm ， 抗渗性能好、收缩小的特点。

(3) LC30～LC40 高性能轻质桥面混凝土成功应用于京珠高速公路蔡甸汉江大桥和湖北远安至当阳一级公路桥， 取得了显著的社会与经济效益。

参考文献：

[1 ] 　王发洲，丁庆军， 等1 影响轻集料混凝土体积干缩的若干因素研究[J ] 1 建筑材料学报， 2003 ， 6 (4): 431 - 4351

[2 ] 　冯乃谦， 刑峰1 高性能混凝土技术[M] 1 北京:原子能工业出版社， 20021

[3 ] 　曹芳， 马保国， 等1 混凝土的渗透性及测试方法的对比分析[J ] 1 混凝土， 2002 ， (10) :15 - 171

[4 ] 　张勇， 不同纤维对轻集料混凝土韧性性能影响的研究[J ] 1 混凝土， 2002 ， (5) :30 - 321

[5 ] 　张勇1 丁庆军， 等1 高强轻集料混凝土泵送和桥面施工技术[J ] 1 混凝土， 2002 ， (1) :20 - 241