护栏与桥面铺装混凝土的配合比设计及试验分析.pdf

BRI DGE AND TUNNEL CONS TRUCTI oN AND M ACHI NERY 文章编号 ： l 0 0 0 0 3 3 X( 2 0 l 5 ) 0 l 0 0 8 3 0 4 护栏与桥面铺装混凝土的配合 比设计及试验分析 姬 小祥 ， 梁 倩 ， 侯 广真 ( 1 河南交 院公 路工程技 术有限公 司 ， 河南 郑州4 5 0 0 0 0 ； 2 长安大学 公路学院 ， 陕西 西安7 1 0 0 6 4 ) 摘 要 ： 针 对 高速公 路 混凝 土护 栏 以及 桥 面铺 装 出现 的损 坏 问题 ， 以 郑洛 高速 公路 改 建 工程 为 实 例 ， 通过 对护 栏 与桥 面铺 装 的混 凝 土的 力学性 能 、 耐久 性等 进 行 试验 分 析 ， 对 护 栏 与桥 面铺 装 的混 凝 土 配合 比重新设 计 。结 果表 明 ， 加入 掺 合物 与 纤维之 后 ， 混 凝 土 的劈 裂 抗拉 强度 、 抗 裂 性 以及 开 裂 抑制 效果得 到 了明显提 升 ， 改善 了护栏 与桥 面铺 装 的质量 。 关 键词 ： 护 栏 ； 桥 面铺 装 ； 混凝 土配合 比 ； 纤 维 中图分 类号 ： U4 4 3 3 文 献标 志码 ： B De s i g n a n d Ex p e r i m e n t a l Ana l y s i s o f M i x t u r e Pr o p o r t i o n f o r Br i dg e Gu a r d r a i l a n d De c k Pa v e me nt J I Xi a o x i a n g ，LI ANG Qi a n 。 ，HOU Gu a n g z h e n ( 1 He na n I n s t i t u t e of Hi g hwa y En gi ne e r i n g Te c hn ol o gy CoI t d，Zh e ng z ho u 45 0 00 0，He n a n，Chi na； 2Sc h oo l o f Hi ghwa y，Ch an g a n Uni ve r s i t y，Xi a n 7 10 06 4，Sha an xi ，Chi na) Ab s t r a c t ：Ai m e d a t t he d a ma ge s o n gu a r d r a i l a nd de c k p a v e me nt o f e x pr e s s wa y， Zhe ng z hou I u o y a n g Ex p r e s s wa y r e n o v a t i o n p r o j e c t wa s c h o s e n t o r u n t h e t e s t s o n me c h a n i c a l p e r f o r ma n c e a nd du r a b i l i t y of t he c o nc r e t e，a nd t he mi x p r o po r t i o n wa s r e de s i gnThe r e s u l t s s ho we d t ha t t he s pl i t t i n g t e ns i l e s t r e ng t h，c r a c k r e s i s t a nc e a n d c r a c k i nh i bi t i ng e f f e c t we r e n ot a bl y i m p r o ve d b y a dd i ng a dmi xt u r e a nd f i be r i n t o t he c onc r e t e，a nd t h e q ua l i t y o f gu a r dr a i l a nd de c k pa ve m e nt wa s b e t t e r Ke y wo r d s：gu a r dr a i l ；de c k p a ve me nt ；m i x p r op o r t i o n of c o nc r e t e；f i be r I J 引 昌 高速 公路 桥梁 混凝 土护 栏会受 行 驶车辆 溅起 杂 质 的冲磨 ， 因此 破 坏 较 快 。据 河 南 省 桥梁 护栏 破 坏 调查 结果 显示 ， 5 O 以上 的护栏都 出现 了剥 蚀破 坏 ， 而且 一般 在建 成通 车 5年 内就会 受 到明显 破坏 。 目 前 ， 中 国对桥 梁护 栏 以及 桥 面 铺 装 的 混凝 土关 注 较 少 ， 现行 的公 路桥 梁设 计 规 范 中针 对 护栏 以及 桥 面 铺装 层 结构等 的要 求 内容 不 明 确 ， 在 同类 结构 设 计 中 ， 很 多 地方 往往 直 接套 用 路 面结 构 的 混凝 土配 合 比设 计 ， 选定 一种 工 程结 构 中使 用 的水 泥 混凝 土 作 为护栏结构或桥面铺装结构( 或在其上面加铺沥青 混凝 土 ) ， 往往 忽 略 了护 栏 以及桥 面铺 装等 特殊 的使 用环 境 以及受 力 和变 形 特 点 ， 导 致 以上部 分 常会 出 收稿 日期 ： 2 O 1 4 - 1 0 2 O 现 大量 的病 害 。 大 量研 究表 明 ， 在混凝 土基 材 中掺加 纤维 ( 如钢 纤 维 、 玄武 岩纤 维等 ) 是提 高 混 凝 土 韧性 、 抑 制 塑性 开裂并 改善 混凝 土 的抗 冲击性 及耐 久性 的最 有效途 径 之一 1 j ， 但 是具 体 的配 合 比设 计 方 法 ， 各 地 区 尚 未 有统 一 的标准 。为 此 ， 本 文 依托 郑 洛 高 速 公路 改 扩建工 程 ， 开展 桥 梁护 栏 与 桥 面铺 装 混 凝 土 配 合 比 设 计 与试验 分析 ， 对 混凝 土 的力学 性能 、 耐久 性能 和 外观效 果 等进行 研究 ， 为 同类 工程 提供一 定 的参考 。 1 桥 梁护栏与桥面铺 装的混凝土配合 比设计 1 1原材 料选 择及 性质 ( 1 )水泥 选用 P O 5 2 5水 泥 ： 比表 面积 为 3 8 8 8 3 B R J DGE AND TUNNE L CONS TRUCT 1 0N AND M ACHI NE RY m k g， 安 定性 为 0 5 ， 抗 压 强度 测 试 结 果 为 3 d 2 7 9 M Pa， 2 8 d 5 5 4 M Pa。 ( 2 )粉 煤 灰 选 用 洛 阳 热 电 厂 生 产 的 I级 粉 煤 灰 ： 细 度 ( 0 0 4 5 mm 筛 余 )为 9 8 ， 烧 失 量 为 2 1 ， 活性 指数 为 8 4 。 ( 3 )粗集料 为偃师碎石 5 1 0 mm 和 1 0 2 0 mm 连续级配 的石灰 岩碎石 ： 表观密度 为 2 6 5 8 k g m， 堆 积密 度为 1 5 5 0 k g m一 ， 空 隙率 为 4 1 7 。 ( 4 )细 骨 料 选 用 宜 阳 天 然 河 砂 ： 细 度 模 数 为 2 6 1 ， 表观密度 为 2 6 6 2 k g m ， 堆积 密度 为 1 5 5 0 k g m一 ， 空隙率 为 4 1 8 。 ( 5 )纤 维 采 用 玄 武 岩 纤 维 ： 极 限 抗 拉 强 度 为 3 5 0 0 MP a ， 弹性 模量 为 8 8 GP a 。 ( 6 )减水 剂 采用 陕西恒 升聚 羧酸 。 各 种原材 料性 能指标 均满 足相 关标 准要求 。 1 2纤 维体 积掺 量的确 定 在 基体开 裂后 ， 纤 维 能 承 担 复合 材 料 开 裂 时荷 载所需的最小纤维体积率 ， 或基体开裂后复合材料 承载力不下降所需掺人的最小纤维体积率 。纤维临 界体 积率 是混凝 土 破 坏 的转 折 点 ， 当纤 维 掺量 小 于 纤维 临界 体积率 ， 基体 开 裂后 ， 因纤维 不能 承担基 体 开裂 而转 移 的 荷 载 ， 立 即 弓 l 起 破 坏 ， 呈 脆 性 破 坏 状 态 ； 而 当纤 维掺 量大 于纤维 临界体 积率 时 ， 基体 开裂 后 ， 纤 维能 承担 基体转 移 的荷载 ， 使得 承载 能力继 续 提高 。 由非连 续 纤 维 复合 材 料 的 纤 维 临界 体 积 率 公 式 5 ， 并根据已有的经验对纤维掺量 进行确定 一 ( 1) 式 中 ： 厂 为纤 维 混凝 土 基 体 极 限抗 拉 强 度 ( MP a ) ； 厂 为纤维 的极 限抗 拉强度 ( MP a ) ； e 为 纤 维混 凝 土 基 体极 限抗拉 应变 ； Ef 为纤 维 的弹性模 量 。 对 于 C 3 0和 C 5 0混 凝土 而言 ， 混凝 土基 体 的极 限抗 拉 强度 厂 m 分 别 为 2 0 1 MP a和 2 6 4 MP a ， 混 凝 土基体 的极 限 抗拉 应 变 e 一1 0 0 1 0 ， 改建 工 程 中采用 玄武 岩纤 维 ， C 3 0和 C 5 0混 凝 土 的 玄武 岩 纤维 的临 界体 积 率 分别 为 0 0 6 和 0 0 8 。综 合 考 虑造 价等 因素 ， 选 择 在 护 栏 用纤 维 混 凝 土 中的玄 武 岩纤 维掺量 为 1 k g m， 在 桥 面 铺 装层 中 的掺 量 为 2 k gm 。 1 3配合 比设 计 方案 由于护栏 混凝 土 的设 计 强 度 等 级 为 C 3 0 ， 因此 8 4 设 计时 除最 大限 度 的利 用 现 场原 材 料 之 外 ， 水 胶 比 采 用 0 4 0 ， 矿 物 掺 合 料 替 代 水 泥 的 比率 为 2 O 3 5 ， 砂 率为 4 2 ， 外 加 剂 的掺 量 根 据 新 拌 混 凝 土 的状 态 为胶凝 材料 用量 的 0 8 1 2 ， 通 过 试拌 和调 整 ， 最终 各 标 段 护栏 纤 维 混 凝 土 配合 比如 表 l 所示 。 表 1护 栏 混凝 土 配合 比 k g n 1。 标段 水泥量 粉煤灰量 砂量 石子量 水量 外加剂量 纤维量 l 4 标 3 3 O 1 1 o 7 2 2 9 9 8 1 8 O 5 2 8 1 1 3 标 2 9 4 1 2 6 7 6 O 1 0 4 9 1 4 7 3 7 8 l 7 标 2 9 4 1 2 6 7 6 8 1 O 6 l l 4 7 3 7 8 l 3 标 2 9 6 1 4 4 6 9 8 1 o 4 8 l 5 4 4 4 l 8 标 2 6 6 l l 4 7 6 4 1 0 5 6 1 3 3 3 8 l 对 于 桥 面铺 装 层 的施 工 ， 由 于采 用 C 5 0混 凝 土 ， 因此对材 料 的要 求 比较 高 。原 材 料 的存 储 要 注 意防 止材料 的污染 ， 尽 量使用 封 闭式材 料存 储仓 ； 对 于粒形 不合格 的原材 料 不 得 使用 ， 另 外对 于粒 形 合 格但比较脏的原材料要清洗之后方可使用 。 桥 面 铺 装 层 纤 维 混 凝 土 的 设 计 强 度 等 级 为 C 5 0 ， 水胶 比采用 0 3 0 ， 由于对 混凝 土早 龄 期强 度 有 一 定 的要 求 ， 因此 矿 物 掺 合 料 替 代 水 泥 的 比率 为 1 5 2 0 ， 砂 率 为 4 2 ， 外 加 剂 的 掺 量 根 据新 拌 混凝 土 的状态 为胶凝 材 料用 量 的 0 8 1 2 ， 通 过试 拌 和调整 ， 最终 各 标 段 桥 面铺 装 纤 维 混 凝 土 配 合 比如表 2所 示 。 表 2桥 面 铺 装 层 纤 维 混凝 土 配合 比 k g n 。、 标段 水泥量 粉煤灰量 砂量 石子量 水量 外加剂量 纤维量 l 4 标 3 3 6 1 4 4 7 5 0 l 1 2 5 1 4 4 4 l l 3标 4 2 5 7 5 7 0 3 1 1 4 6 l 4 5 0 0 l 7 标 4 1 5 8 5 7 3 8 1 1 O 7 1 5 O 5 1 3 标( C 5 0 ) 4 4 2 7 8 7 0 8 1 l 0 9 l 5 6 7 2 8 1 3 标( C 6 0 ) 4 3 3 5 7 6 5 6 9 3 l 1 3 1 l 5 8 l 8 4 2 l 8 标 3 8 O 1 2 0 6 8 7 l O 7 4 1 4 9 5 l 2试 验 工 况 的确 定 试验以郑洛高速公路改 建工程 中的 7标 为依 托 ， 除采用 现场施 工配 合 比外 ， 为 了研 究掺 合料 以及 纤维 对混凝 土性 能 改善 方 面 所 起 的作 用 ， 又制 定 了 另外 两种对 比配 比， 分 别 为施 工 配 比 中剔 除纤 维 和 剔 除 掺合料 。护 栏施 工 配 合 比标 记 为 H， 普 通 混 凝 土 ( 含 粉煤灰 ) 配合 比标 记 为 H一 1 ， 普 通 混凝土 ( 不 含 粉煤 灰 ) 的配合 比标 记 为 H一 2 ， 其 他 成 分不 变 ； 桥 面 B刚 DGE AND TUNNEL CoNS TRUCT1 0N AND M ACHI NERY 铺 装 层 三 种对 应 的配 合 比标 记 分 别 为 P 、 P 一 1及 P 一 2 ， 试 验配 合 比如表 3 所 示 。采用 相关 的试 验方 法对 护 栏 和桥 面铺装 层 的 混凝 土 的力 学 性 能 、 耐 久性 能 及 混凝 土 的外 观效果 分别 进行 试验 与分 析 。 表 3试 验 工 况 配 合 比 k gm一 。 工况 水 泥量 粉煤灰量 砂量 石子量 水量 外加剂量 纤维量 分析内容 H 29 4 1 2 6 7 6 8 1 0 6 1 1 4 7 3 7 8 1 H l 29 4 l 2 6 7 6 8 1 O 6 1 1 4 7 3 7 8 力学性能 、 H 一 2 29 4 7 6 8 1 O 6 1 l 47 3 7 8 1 耐久性能 、 P 4 l 5 8 5 7 3 8 1 1 O 7 1 5 O 5 l 外 观效 果 P一 1 41 5 8 5 7 3 8 1 1 O 7 1 5 O 5 P 2 4 1 5 7 3 8 1 1 0 7 1 5 O 5 1 3 试验 结果 与分析 3 1 力学 性能 结果 与分 析 混 凝土 的抗 压 强度 和劈 裂 抗 拉 强 度 是最 常用 、 最 基本 的混 凝土 力学 性能 指标 ， 而掺 入纤 维后 ， 混凝 土 抗压 与抗 拉强 度都会 有 明显 的提 高 。针对 郑洛 高 速 公路 改建 工程 中的 7标 桥面铺 装 层 的纤 维 混凝 土 配 合 比 ， 对纤 维 混凝 土 的抗 压 强度 和 劈 裂 抗 拉 强度 进 行 了试验 ， 试 验结果 如 图 1 所 示 。 龄 期 d ( b )劈裂抗拉强度 图 1 纤 维 混 凝 土 强 度 由图 1可知 ， 混 凝 土 的抗 压 强 度 和 劈 裂抗 拉 强 度基 本 上呈 现 出随 龄期 的增 长 而 增 大 的 变化 趋 势 。 抗压 强 度和劈 裂抗 拉 强 度 的增 长 在前 期 较 快 ， 随龄 期 的增长 ， 后期 的强 度 增 长 速度 变 慢 。护 栏 和 桥 面 铺装 的纤 维混 凝土 抗压 强度 比未 添加纤 维 的混凝 土 的在 龄期 为 2 8 d时分 别 大 了 1 1 8 、 1 5 2 ； 混 凝 土 的劈 裂 抗 拉 强 度 在 龄 期 为 2 8 d时 大 分 别 大 了 1 1 3 9 6 、 1 3 7 ， 说 明纤 维混凝 土抗 压 与抗拉 强度 都 有 了明显 的提 高 。而部 分工 况 的抗压 强度 和劈裂 抗 拉强 度在 后期 变小 了 ， 说 明并 非 所 有 的混 凝 土 强 度 都会 随着 龄期 增 大 而一 直 增 长 。在 后 期 ， 混 凝 土 内 的化 学作 用可 能会 导 致 混 凝 土 的强 度 减 小 ， 在 配 合 比设 计 的时候 应 注意此 种状 况 的发生 。 3 2耐久性 能结 果与分 析 分 别采 用 饱 和 混 凝 土 电导 率 法 ( NE L法 ) 、 非 稳 态氯 离 子 快 速 迁 移 试 验 法 ( R C M 法 ) 和 库 仑 电 量 法对 混 凝 土 的 耐 久 性 进 行 测 试 与 分 析 ， 结 果 如 图 2所 示 。 从 图 2中可 以看 出 ， 在混 凝 土 中加 入纤 维后 ， 混 凝土的长期耐久性得到 了显著提高， 且 这种提高的 程度 会 随着龄 期 的不 断 增 长 而 日益 明显 ； 纤 维 在 混 凝土 的早 期抗 开裂 过 程 中起 到 了 明显 的作 用 ， 因而 在混 凝 土 中加 入纤 维后 无论 是混 凝土 的氯 离子 渗透 系数 还是 混凝 土 的 电通 量 都 出 现 了 明显 的下 降 ； 但 在高 强度 混凝 土 中 ， 纤维 的掺 量要 合理 把握 ， 否则 就 可能起到相反的效果 ， 导致耐久性 的降低。 混凝 土在 除 冰盐 和 冻 融 循 环 ( 简 称 盐 冻 ) 作 用 下 ， 会 发 生表 面剥 蚀 、 骨 料 裸 露 的现 象 ， 进 而 会 导 致 钢筋 锈蚀 。表 3是 采用 单 面冻融 法进行 护栏 纤维 混 凝土 结构 盐冻 试 验 的结 果 。从 表 中数 据 可 知 ， 掺 加 纤维的混凝土与未掺加纤维的混凝土相 比， 其剥蚀 量显 著减 小 ， 质 量损 失减 小 了 2 1 5 8 9 g m_ 。 ， 减 小 幅度 为 2 7 ， 表 明纤 维显 著改 善 了混 凝 土 的抗 盐 冻 性能 ； 而 矿物掺 合 料对 混 凝 土 抗 盐 冻性 能也 有 一 定 的改 善 ， 但 效果 并不 明显 。 85