钢桁梁外包纤维混凝土试验研究.pdf

2 0 1 1 年 第1期 (总 第 2 5 5 期 ) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 5 5 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AI ，AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 1 0 2 5 钢桁梁外包纤维混凝土试验研究 殷胜华 。林 ( 1 中铁武汉大桥工程咨询监理有限公司，湖北 武汉 4 3 0 0 7 1 ； 熙 2 中建商品混凝土有限公司，湖北 武汉 4 3 0 0 7 4 ) 摘要 ： 选择多种产品的纤维和多个纤维用量 ， 通过室内配合 比试验和现场混凝土节段模试验 ， 得出了满足设计和施工要求 的纤维混凝 土配合比。总结了聚丙烯纤维和纤维素纤维对混凝土工作性能的影 响。 关键词： 钢桁梁 ；外包 ；纤维混凝土 ；试验研究 中图分类号 ： T U5 2 8 5 7 2 文献标志码 ： A 文章 编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 1 0 0 9 1 0 4 Pol y pr op yI en e f i b er r e i n f or c ed c on cr e t e wi t h s t ee l t r u s s W r ap f r om o ut s i de t h e e xp er i men t al s t ud y yJ N S h e n g - hu a L I N Xi ( 1 C h i n a Z h o n g t i e Ma j o r b ri d g e e n g i n e e ri n g c o n s u l t i o n a n d s u p e r v i s i o no f wu h an C o ， L t d ， Wu h a n4 3 0 0 7 1 ， C h i n a ； 2 C h i n a C o n s t r u c t i o n R e a d y Mi x e d C o n c r e t e C o ， L t d ， ， Wu h a n 4 3 0 0 7 4 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： S e l e c t mu l t i p l e p r o d u c t s a n d mu l t i p l e fib e r fib e r d o s a g e wi t h t h e r a t i o o f t h e l a bo rat o r y t e s t a n d fi e l d t e s t i n g o f c o n c r e t e s e g me n t a l mo d e l wa s o b t a i n e d t o me e t the r e q u i r e me n t s of d e s i g n a n d c o n s t r uc t i o n o f fi b e r c o n c r e t e S u mm a r i z e s t h e p o l y p r o p y l e n e fib e r s a n d c e l l u l o s e fib e r s o n th e p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e wo r k Ke y wor d s： s t e e l t r u s s ； wr a p f r o m t h e o u t s i d e ； fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ； e x pe rime n t a l s t u d y 0 引言 2 技术途径 上海 A1 5公路闵浦大桥是浦东机场高速公路跨越黄浦江 的一座特大桥。 主桥为双塔双索面斜拉桥， 跨度 7 0 8 m， 上下两层 桥面， 塔高自承台以上 2 1 4 m， 边跨设 4 个桥墩， 跨度为 4 x 6 3 m， 浦东、 浦西对称布置。中跨主梁为正交异性结合钢桁粱， 边跨采 用桁架组合梁结构， N形桁架， 倒梯形截面， 桁高 1 O 7 3 m， 桁架 上宽 4 3 6m， 下宽 2 8 m， 桁架梁弦杆采用 H形截面 ， 上下弦杆 高 0 6 m， 内宽 0 8 m。 边跨主桁斜腹杆和竖腹杆采用箱形截面， 内宽 0 8 m， 高度除辅助墩顶为 1 2 m外， 其余 0 9m。 边跨主桁弦 杆和上下桥面采用钢桁梁外包混凝土结构。本工程使用的大型 钢桁梁外包混凝土结构在国内尚属首例。笔者有幸参与了纤维 混凝土配合 比的试验研究和施工监理工作 ， 并根据笔 者多年材 料试验的经验对试验过程提出了一些可行性建议。现将研究过 程做一总结， 供类似工程借鉴。 1 研 究 方 向 边跨钢桁梁外包混凝土应具备以下特性： ( 1 ) 为确保外包混凝土与劲性钢骨架相互作用 ， 满足设计 刚度， 外包混凝土需具备很好的黏结性 ， 良好的包裹性和一定 的弹性变形能力， 在受拉受弯时能起到抵制收缩裂缝的作用。 ( 2 ) 钢桁梁节点处永久钢结构和临时钢结构交汇于此 ， 节 点处结构错综复杂， 混凝土施工不易振捣密实， 混凝土需具备 良好的自密实性能。 ( 3 ) 本工程对边跨主梁混凝土桥面外观质量要求苛刻 ， 要 求为清水混凝土。 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 0 8 - 2 8 根据现今材料科学发展的方向， 国内外许多专家学者不断 地探索提高混凝土抗拉性 、 抗裂性 、 韧性和延性的方法和途径。 美国联邦公路战略计划署( S H R P ) 通过大量试验研究和工程实 践后认 为 ： 聚丙烯纤维能有效限制早期 ( 塑性期和硬化初期 ) 混 凝土由于离析 、 泌水、 收缩等因素形成的原生裂隙的发生和发 展 ， 钝 化原 生裂隙尖 端的应力集 中、 使介质 内的应 力场更加连 续和均匀， 减小原生裂隙的数量和尺度 ， 显著提高混凝土结构 的抗裂性 ， 提高混凝土延展性、 韧性和抗弯性能 ； 同时可以改 善混凝土拌合物的工作性， 提高混凝土拌合物的保水性。 但由于 聚丙烯纤维在混凝土内产生的特殊触变效果， 会影响拌合物的 静态流变性能， 如坍落度减小等。 通过大掺量复合掺合料技术 ( 掺合料主要包括粒化高炉矿渣粉和粉煤灰 ) 可以解决流变性 的问题。特别是粉煤灰颗粒成玻璃球体 ， 在混凝土拌和过程中 起润滑作用， 可以大大改善混凝土拌合物的和易性。 同时因粉煤 灰早期基本上不参与水化过程， 只起到物理填充作用 ， 因而可 以降低混凝土水化热、 降低混凝土收缩并提高混凝土的工作性、 匀质性 和可泵性 。 3 配合 比室内试验 3 1 基准配合 比选择 设计纤维混凝土配合 比， 必须选择一种不掺纤维的基准 配合比。依据设计要求和混凝土拌和站原材料实际情况， 选用 了本工程主塔塔柱施工的C 5 0清水混凝土配合比。 配合比见 表 1 。 91 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 材料名称 水 水泥 河砂 碎石 粉煤灰 矿粉 材料来源 自来水 湖北华新 P O 4 2 5 安徽芜湖 中砂 浙江湖州 5 - 2 5 ml n 上海创造 I I 级 上海宝 田 $ 9 5 堕 壁 堕 兰 该配合比在本_T程浦东、 浦西主塔塔柱施丁中应用效果良 好。坍落度 1 8 2 2 c m， 扩展度 5 5 6 5 c m， 2 8 d 龄期抗压强度 5 5 6 0 MP a 2 8 d龄期弹模 3 8 4 4 G P a 。 3 纤维品种选择 2 根据对上海及周边地区纤维产品料源的调查和以往的施 l丁经验， 初步选择了4种纤维产品。 主要技术指标见表 2 。 3 3试验 室 室内试 验 3 原材料 3 1 ( 1 ) 水泥 ： 湖北 华 新 P 0 4 2 5级 ， 2 8 d抗 压强 度实 测值 5 0 5 MP a ， 密度 3 0 9 5 zo o m 。 ( 2 ) 河砂： 安徽芜湖中砂 ， Mx = 2 6 5 ， 表观密度 2 6 1 0 k g m3 ， 含 泥量 0 8 。 ( 3 ) 碎石： 浙江湖州 5 2 5 mi ll 碎石 ， 表观密度 2 6 2 5 k g m3 ， 压碎指标 9 8 ， 针片状颗粒含量 4 7 ， 含泥量 0 8 。 ( 4 ) 粉煤灰： 上海创造 1 I 级灰 ， 0 0 4 5 h i m筛筛余 1 8 8 ， 密 彦 2 2 1 0 k g m 3 ， 需水量 9 7 。 ( 5 ) 司 二 粉： 上 海 宝 田$ 9 5 ， 密 度2 9 1 0 k g m ， 2 8 d 活 性 指 数 ( 6 ) 减水剂 ： 上海麦斯特 S P 8 N， 密度 2 9 1 0 k g m3 ， p H值 6 1 砂浆减水率2 4 5 。 ( 7 ) 水 ： 自来水 。 ( 8 ) 纤维： 品种、 掺量及主要特征参数见表 3 。 3 混凝土拌制和成型工艺 3 2 先将水泥 、 河砂、 碎石 、 矿物掺合料、 纤维投入强制式搅拌 机中拌和 1 mi n , 然后将水和减水剂投入搅拌机 ， 再拌和 3 rai n o 混凝土成型时采用振动台， 振动时间6 0 s 。试件抹面完毕 后用塑料薄膜覆盖。 ( 3 ) 混凝土抗渗性能试验及结果评定按照 G B J 8 2 -8 5 晋 通混凝土长期性能和耐久性能试验方法 。 ( 4 ) 纤维产品塑性减裂率和硬化减裂率指标委托同济大学 材料科学与工程学院和上海建筑科学研究院检测。 试验及结果 评定按照 J C T 9 5 l 一 2 o 0 5 水泥砂浆抗裂性能试验方法 。 ( 5 ) 问隙通过率是用 L型仪检测混凝土拌合物的间隙通过 性和抗离析性。 试验仪器包括一个用硬质不吸水材料制成的L 形 截面箱子， 在垂直和水平部分用一活动门隔开 ， 活动门前设一 垂直钢筋网， 钢筋网净间隔大于 3 倍最大骨料粒径。 试验时将仪 器内表面湿润， 水平置于乎整地面， 保证活动门能自由开关。用 混凝土将仪器垂直部分填满， 静置 1 rai n后迅速提起活动门使混 凝土拌合物流进水平部分， 停止流动时测量“ 日 ” 、 “ H ： ” ， 间隙通 讨率 A ： H 1 0 0 仪器简图如图 1 。 试验方法参照 建筑结构 0， 图 1 L型仪示意图( 单位 ： mm) 3 3 4 试验结果与分析 试验结果 与分析 ， 见表 4 。 从表 4可以分析得出： ( 1 ) 和基准配合比相比， 纤维混凝土配合比拌合物有更好 酉一 n 一 准 一 一 苎 0 。 一一 一 渤 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 4 试验结果汇总 注： 计算式： 1 h 坍损( ) 6 = = ( 一 S L l ) x 1 0 0 S L 。 的保水性 能和抗离析性能 。 ( 2 ) 在基准配合比相同时， 同品种纤维掺量超过某个界值 后， 混凝土拌合物工作性能迅速降低。因此， 纤维混凝土配合比 试验过程中寻找纤维掺量的临界值极其重要。 ( 3 ) 在基准配合比相同时 ， 纤维长度越短( 或纤维掺量越 小) 对拌合物工作性能的影响越小。 ( 4 ) 纤维的掺人对拌合物准静载作用下的强度指标( 抗压 强度、 抗折强度) 无显著影响。 ( 5 ) 相同长度相同掺量的纤维， 直径越小， 单位质量纤维的 根数越多， 比表面积越大， 与水泥基料的黏结面积越大， 减裂效 果越好 。 ( 6 ) 综合分析 ， 同济长坚一 1 2和罗洋科技 UF 5 0 0 TM， 的纤维 与基准配合比有较好的适应性 ， 拌合物各项指标基本上能满足 设计和施工要求。 4 现场 中试试验 为了测试不同级配纤维混凝土现场坍落度、 混凝土和易性、 拆模后试件的表观质量等， 由拌和站组织在闵浦大桥施工现场浇 筑了8 个 1 m 不同纤维品种和掺量的混凝土试件， 如图2所示。 图 2闵浦大桥样板试件 中试试验结果分析 ： ( 1 ) 纤维掺人后， 混凝土拆模后对混凝土表观质量有影响， 纤维越长 ， 对混凝土表观质量影响越大， 但较短纤维多运用在 砂浆拌制中。 表 5中试试验结果 ( 2 ) 纤维掺人量越大 ， 对混凝土表观质量影响也越大。 ( 3 ) 现场中试纤维混凝土的坍落度均比小试过程中的坍落 度偏大， 分析为混凝土运输车在装料过程中受到了罐内少量积 水的影响， 通过试验， 基准配合比混凝土对外加剂掺量和用水 量比较敏感， 这将对边跨主梁混凝土施工影响较大。 ( 4 ) 现场纤维混凝土坍落度较大， 导致现场纤维混凝土浮浆 层较厚， 大掺量纤维的试件顶面表观质量和内在质量受到影响。 5 现场 实体模 型试验 为 了保证闵浦 大桥边跨 主梁关键节点的浇筑质量 ， 由项 目 部组织在施工现场浇筑了两个简化的节点实体足尺模型， 根据 小试和中试的试验的结果 ， 采用与室内试验基本相同的原材料 和配合比进行了浇筑试验( 纤维采用了罗洋科技 U F 5 0 0 TM( 掺量 0 9 k g r n 3 ) 纤维及同济长坚 1 2 ( 掺量 0 6 k g m ) 纤维， 试验模型 见图 3 5 ) 。 预拌混凝土拌和程序如图 6 。 试验前对预拌混凝土 供应商和现场施工人员进行了详细的技术交底。现场检测了预 拌混凝土的坍落度和扩展度 ， 并留置了混凝土抗压 、 抗折及弹 性模量试件。 图 3 节点钢结构 图 4 节点外包混凝土 93 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 5 现场实体模型 从表 6可知， 采用室内试验得出的配合比进行现场试验， 其 各项试验指标均能满足设计和施工要求。 图 6拌合工艺示意 图 两个试验模 型拆模后经仔细观察 ， 除有个别表面裂缝 、 漏振 和混凝土与钢板直角交角处除局部漏浆外， 外观质量总体来说较好。 为 了观察 了解水 平放置的 H型钢纵梁 水平 腹板下混凝 土 的密实程度及钢结构与混凝土的结合情况， 每个试验模型均被 切为 3大块 ， 如图 7 1 2所示 。 表 6 现场模拟试验结果 图 7 切割过程 图 8 切 割断面 1 图 9切 副 断 面 2 从典型切面上看 ， 试验模型节点的内部是密实的， 但在钢 纵梁水平腹板下方的混凝土均有明显的塑性收缩裂缝 ， 裂缝宽 度小的 1 2 ml l l ， 大的超过 1 0m m。 另外发现纵向钢梁的下挠变形， 从水平腹板下混凝土顶面 9 4 图 1 O 切 割断面 3 图 1 1 切割断面 4 图 1 2 切割断面 5 相似的竖向挠度曲线可以判断该实体模型混凝土浇筑时落料 太快， 水平腹板上的混凝土自重导致了纵向钢梁的下挠 ， 而混 凝土 的塑性裂缝( 向下沉实 ) 发生在上半梁浇筑之后 。 下转第 9 7页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 料与胶凝材料的密度值之差 ， 降低了因振捣过程中骨料的上浮 导致的混凝土不均匀性， 使轻骨料混凝土的拌合物更加均匀。随 着粉煤灰掺量的增加， 拌合物的黏聚性增大， 在一定程度上也 阻碍了轻骨料的上浮运动趋势， 为混凝土拌合物的均匀性提供 了保证。 2 4 粉煤灰掺量对混凝土强度的影响 从图3中可以看出在早龄期 ， 随着粉煤灰掺量的增加， 混凝 土的抗压强度呈现出逐渐降低的趋势， 并且粉煤灰的掺量越大， 混凝土的抗压强度降低的幅度越大。 以3 d混凝土的抗压强度值 为例： L C 4 0 基准混凝土3 d的抗压强度值为 2 8 6 6 MP a ， L C 4 0 A为 2 5 8 9 MP a ， L C 4 0 B为 3 0 5 1 MP a ， L C 4 0 C为 2 3 0 4 MP a ， L C 4 0 D 为 1 9 1 6 MP a ， L C 4 0 E为 1 2 MP a ， 可以看出只有 L C 4 0 B， 即粉煤 灰掺量为2 0 的时候混凝土的抗压强度超过了基准混凝土， 这 是因为在 3 d的时候， 粉煤灰的火山灰效应还没有表现出来 ， 然 而由于粉煤灰的微集料效应， 在粉煤灰掺量为2 0 的时候很好 的填充了混凝土内部的孔隙， 增加了混凝土的密实度， 故在一 定程度上提高了混凝土的抗压强度。 在其余掺量的时候均比基准 混凝土有所降低 ， 并且随粉煤灰掺量的增加降低的幅度增大， 这是因为在早龄期虽然粉煤灰可以增加混凝土的密实度， 有利 于提高混凝土的强度， 但是粉煤灰的火山灰效应还没有表现出来， 混凝土的抗压强度主要由 C ： S 、 C ， S的水化产物来提供， 粉煤灰 掺量的增加降低了水泥的用量， 因此大大降低了混凝土的抗压 强度。 而在晚龄期， 由于水泥水化反应的持续进行， 产生了大量的 C a ( O H) ， 而粉煤灰中含有大量的f - C a O和Al 2 0 3 ， 于是f - C a O和 A l 2 O ， 便可以与 C a ( OH) ： 进行二次水化作用生成 C S 。 H凝胶， 进 一 步填充了混凝土中的孔隙， 提高了混凝土的强度。 并且粉煤 灰的加入， 减少了水泥的用量， 降低了水泥的水化热， 减少了因 温度应力产生的混凝土裂缝， 在一定程度上也提高了混凝土的 强度 。 随着水泥水 化的进行 ， 混凝 土 中的水分 逐渐减少 ， 而在 拌和过程中轻骨料吸收的水分便逐渐释放出来， 为二次水化源 源不断的提供所需水分， 不仅为水泥石提供了养护所需要的湿度， 而且提高了混凝土界面过渡区的胶结强度， 因此可以预测轻骨 料混凝土的后期强度增长空间很大。 从图 3中还可以看出， 粉煤灰掺量在 1 5 一 3 0 之间时， L C 4 0 A、 L C 4 0 B、 L C 4 0 C混凝土 2 8 d的强度值基本相等， 分别为 上接第 9 4页 6 结 i e 工程上使用 C 5 0纤维混凝土内包大型劲性钢桁粱在国内 尚属首次。 通过室内系统配合比试验和现场中试模型试验， 达到 了预期 的目的。 可以得出如下几点结论 ： ( 1 ) 因纤维在混凝土拌合物中形成乱向支撑系统和对骨料 的“ 承托” 作用， 降低了混凝土表面的泌水和拌合物的离析， 改 善了混凝土拌合物的品质。 ( 2 ) 纤维在混凝土拌合物中产生特殊的触变效果 ， 改变了 拌合物的静态流变性能。 因此， 再用“ 坍落度” 作为检测混凝土工 作性能的指标之一已经不太合适。 ( 3 ) 根据室内纤维混凝土配合比试验提出的施工用配合比， 经现场节段模试验验证可满足设计要求。 ( 4 ) 现场节段模施工使用的纤维添加方法和混凝土搅拌工 艺是可行的， 可在其后的大面积施工中应用。 4 4 6 3 、 4 5 2 6 、 4 3 7 9 MP a ， 但是当粉煤灰取代率超过 3 0 以后 ， L C 4 0 D、 L C 4 0 E混凝土 2 8 d的抗压强度分别为 3 9 0 5 、 3 2 I 1 MP a ， 混凝土的抗压强度大大降低， 而且降低的幅度随掺量的增加而 明显增大， 因此得出此试验粉煤灰掺量以 1 5 3 0 为宜。 3结 论 ( 1 ) 在胶凝材料一定的情况下， 混凝土的强度并不能随水 泥用量的增加而无限增大， 这是因为当水泥量足够时， 最先破 坏的将是骨料， 此时提高混凝土的强度应该从提高骨料自身抵 抗破坏能力着手。 ( 2 ) 轻骨料的破坏情况表明： 天然轻骨料不宜做成高强混 凝土 。 ( 3 ) 粉煤灰的掺人能有效改善轻骨料混凝土拌合物的均匀 性， 并且随粉煤灰掺量的增加， 拌合物的黏聚性增大， 均匀性提高。 ( 4 ) 当粉煤灰的掺量在 1 5 - 3 0 之间时能显著改善混凝土 的抗压强度， 所以粉煤灰的掺量应以 1 5 3 0 为宜。 参考文献 ： 【 1 】王海龙， 申向东 粉煤灰对轻骨料混凝土耐久性影响的试验研究【 J 】 新型建筑材料， 2 0 0 9 ( 4 ) ： 1 4 2 】2 王树和， 甄飞， 熊小群， 等 高强轻集料混凝土力学性能影响因素研 究 J J 武汉理工大学学报 ， 2 0 0 7 ( 9 ) ： 1 0 4 1 0 7 【 3 】 田卿， 刘丹， 刘奇 粉煤灰对混凝土的影响及其原因f J J 中国高新技术 企业， 2 0 0 8 ( 6 ) ： 9 0 9 2 4 J 刘娟红， 宋少民 粉煤灰和磨细矿渣对高强轻骨料混凝土抗渗及抗 冻性能的影响【J 1 硅酸盐学报， 2 0 0 5 ( 4 ) ： 5 2 8 5 3 2 【 5 】 韩亮， 刘娟红 大流动性高强轻骨料粉煤灰混凝土试验研究 J 】 粉煤 灰综合利用， 2 O 0 7 ( 2 ) ： 3 4 3 6 【 6 】施惠生， 方泽锋 粉煤灰对水泥浆体早期水化和孔结构的影响m硅 酸盐学报， 2 0 0 4 ( 1 ) ： 9 6 作者简介 单位地址 联系电话 杜金胜( 1 9 8 6 一 ) ， 男， 硕士研究生， 研究方向： 工程结构与 材 料。 内蒙古农业大学水建院 5 2 5 研究生自习室( 0 1 0 0 1 8 ) 1 5 8 4 7 7 6 6 96 8 7实体施 工效果 根据上述研究的结论， 项目部最终选择了同济长坚 1 2( 掺量 0 6 k g m3 ) 维用于工程实体施工。 从 2 0 0 8 年 9 月至 2 0 0 9 年7月， 共舡纤维混凝土 3 0 0 0 0 m3 。 从商 工现场的施口 过程， 以及混凝土的留样强度检测结 ：分析， 该纤维 ? 昆 凝土配合 艮 到的满足了设计要求， 工程实体亦满足设计要求。 参考文献 ： 1 】关于聚丙烯纤维网对混凝土性能影响的几点认识 J O L 中国化纤 网h t t p ： I l w w w e n p o i y C o rn 2 J 冯乃谦， 等 E 京： 机械工业出版社。 2 0 0 6 作者简介 ： 单位地址 ： 联系电话 ： 殷胜华( 1 9 7 3 - ) ， 男， 监理工程师， 测工程师。 湖北省襄樊市建设路 2 1 号 襄樊市内环线工程汉江三桥 总监办( 4 4 1 0 0 2 ) 1 5 6 7l 31 2 4 7 3 9 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m