钢纤维轻集料自密实混凝土的配制及其在钢桥面铺装中的应用.pdf

2 0 1 1年 第 3期 (总 第 2 5 7 期 ) Nu mb e r3j n 2 01 1 ( T o t a I No 2 5 7) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 MATERI AI ， AND ADM I NI CL E 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 3 0 1 9 钢纤维轻集料 自密实混凝土的配制及其在 钢桥面铺装中的应用 张春晓 。丁庆军 ( 1 总参工程兵科研三所 ，河南 洛阳 4 7 1 0 2 3 ；2 武汉理工大学 ，湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ) 摘要： 通过对钢纤维轻集料自密实混凝土流变特性与各组分的影响机理的分析， 制定了其工作性能控制方法， 成功配制出了轻质高 韧、 组分均匀 、 超高流动性能的混凝 土 ， 应用于青郑高速某钢箱梁桥的桥面铺装 ， 降低了桥身 自重 ， 提高 了施工质量与效率 ， 解决 了钢桥面 路面推移 、 拥包的工程难题。 关键词 ： 自密实 ；轻集料 ；钢纤维 ；组分均匀性 ；钢桥 面铺装 中图分类号： T U5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 - 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 5 9 0 4 Pr e pa r a t i on a nd a ppl i c at i on o f s t e el f i be r l i gh t a ggr e ga t e an d s e l f - c ompac t i ng c on cr e t e i n t he p av eme n t of s t e el b r idge de c k Z H ANGC h u n - x i a o ， DI NGQin g -j u n ( 1 T h e 3 r dE n g in e e r S c i e n t i fi cR e s e a r c hI n s t i t u t e o f t h e He a d q u a r t e r s o f t h eG e n e r a l S t a ff， L u o y a n g4 7 1 0 2 3 ， C h i n a ； 2 Wu h a n U n i v e r s i ty o f T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ba s e d o n r h e o l o g i c a l p r o p e i e s a n d t h e me c h a n i s m o f e a c h c o mp o n e n t o ft h e a n a l y s i s o f t he s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d l i g h twe i g h t a g g r e g a t e s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e ， c o n t r o l o f i t s p e r f o r ma n c e we r e d e v e l o p e d ， a n d s u c c e s s f u l l y p r e p a r e d o u t o f l ig h t a n d h i gh t o u g h n e s s ， c o mp o s i t i o n u n i f o r mi t y ， h i fl o wp e r f o rm a n c e c o n c r e t e ， u s e di nt h eQ i n g Z h e n gh i 一 s p e e d s t e e l b r i d g e s u r f a c e p a v e me n t ， r e d u c i n gthed e c kw e i 曲t ， i mp r o v e c o n s t r u c t i o n q u a l i ty a n d e ffic i e n c y ， s o l v e t h e p r o j e c t p r o b l e ms o f t h e s t e e l b ri d g e d e c k K e ywo r d s ： s e l f c o mp a c t i n g ； l i ght we i g h t a g g r e g a t e ； s t e e l fi b e r ； c o n t e n t u n i f o r mi t y ； p a v e me n t o f s t e e l d e c ko f b r i d g e 0 引言 钢箱梁桥具有 自重轻、 架设方便 、 跨越能力大、 经济等显著 优势， 在国内外桥梁工程建设 中得到了越来越广泛的应用。 钢 箱梁桥桥面铺装层是桥梁行车系的重要组成部分， 它的质量直 接影响到行车的安全性、 舒适性 、 耐久性等， 已成为评价桥梁工 程质量的主要指标 。 作 为钢箱梁桥 的关键技 术之一 ， 桥面铺装 技术的重要性 A益 凸现 出来。 武汉市青菱至郑店高速公路是武汉市规划的七条快速出 口通道中的一条南部高速公路， 它的建成将在市区南部形成中 环与外环的快速连接通道 ， 对改善本区域的交通环境 、 增强路 网聚散能力 、 提升城市形象和功能、 发挥特大城市辐射带动作 用具有十分重要的意义。 钢箱梁桥位于 B匝道 K 0 + 6 0 5处， 钢箱 梁桥面净宽 9 5 0 m， 总长为三跨 1 4 4 m( 4 2 m + 6 0 m+ 4 2 m) 。 原设 计为桥面铺装 6 c m厚 S MA1 3 + 4 c m厚 S MA1 3 ， 为保证桥面铺 装施丁质量， 同时又不增加钢桥梁的的荷载而影响桥梁结构安 全， 决定在钢桥面上应用高韧性轻质混凝土与 S MA1 3沥青混 凝土组合的铺装新方法， 在钢板上设置剪力件 、 绑扎钢筋网， 在 钢板上浇筑 5 c m的 C 5 0 ( 0 2 5 ) 高韧性抗裂高强轻质混凝土， 然后再铺装一层4 c m厚的 S MA1 3 ( 铺装 S MA1 3 起到外观与整 个路面一致性 ) 。 根据钢箱梁立交桥的受力特点与结构设计要求， 钢箱梁桥 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 0 1 1 SM A 1 3 高 韧性轻质 混凝土 剪 力件 钢 筋网 防锈防水层 钢桥 面板 图 1 新 型钢桥面铺装结构示意图 桥面铺装轻集料混凝土应具有轻质、 免振捣、 高强、 高韧、 高耐 久等特点 。 ( 1 ) 力学性能： 2 8 d抗弯拉强度6 0 MP a ， 2 8 d抗压强度 600 M Pa 。 ( 2 ) 工作度 ： 自密实 ， 避免振动器振动破坏钢桥面防锈层 ， 扰乱预设钢筋和剪力件 ， 加快施工速度。 ( 3 ) 表观密度： 1 8 0 0 1 9 5 0 k g m ， 减轻大跨桥梁荷载。 ( 4 ) 降噪效果 ： 减小 5 d B。 ( 5 ) 摩擦系数 ： 0 4 0 。 1 钢纤维轻集料 自密实混凝土的流变特性 新拌轻集料白密实混凝土是一种兼具黏、 塑 、 弹性的流变 特性翻， 新拌混凝土的流体模型被认为是具有黏塑型的宾汉姆 流体， 其流变方程可以写成： Jr = 0 + y ( 1 ) 5 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 式中 ： r 剪应力 ， P a ； 剪切速率 ， S 。 。 ； 卵 塑性 黏度 ， P a S ； r 屈服应力， P a ； 时间 ， S 。 从式 ( 1 ) 知屈服应力 丁 n 与塑性黏度 是决定混凝土流变特 性的基本参数 。 塑性黏度是新拌 混凝土拌合物 内部结 构阻碍混凝 土浆体 流动的一种特性 ， 它反映了混凝土的流动变形速度 的快慢 ， 塑性 黏度产生在相互平行 的各层流之问 ， 产生 的方 向与混凝土流动 方向相反 ， 因此可以说混凝土的塑性黏度和流动性相对立。 对于 轻质自密实混凝土， 其流动性不仅与水泥矿物掺合料种类 、 掺量、 粒度分布有关 ， 还与外加剂的种类 和掺量有关 ， 集料 的粒度 、 自 重对混凝土流动性能 的影响也很大 ， 而混凝土的塑性黏度不仅 受矿物掺合料种类与掺量 的影响 ， 而且受到外加剂种类和掺量 的影响。 以上分析 了影 响轻质 自密文混凝 土塑性黏度和屈 服应力 的基本规律 ， 不难看出塑性 黏度 和屈服应力的大小对轻质混凝 土 的流变性能有 着显著 的影响 ， 为此要想获得高工作度的轻质 自密实混凝 土 ， 就 应该 减小混凝土 的屈服 应力 。 ， 并尽 可能的 提高浆体的塑性黏度 。 钢纤维增强轻质 自密实混凝土拌合物主要 由轻集料 、 细集 料 、 胶结材料 、 水 、 适 宜的外加剂与增黏组 分 6部分组成 。 对于 新拌 的轻集料混凝土中， 由于轻 集料 、 细集料 、 未水化的水泥颗 粒及水泥浆体的密度各不相 同， 在混凝土拌和后会产生分层现 象 ； 对于钢纤维增强普通集料 自密实混凝土 ， 密度较小 的水 ， 水 泥浆及带有较 小细集料 的水 泥砂 浆易上浮 ， 粗集料 、 较大颗粒 的细集料及包裹它们的水泥浆易下沉， 造成混凝土整体的不均 匀 ， 形成 了凝 土的分层结构 ； 而对于钢纤维增强 轻集料 自密实 混凝土 ， 则是密度较小 的轻集料 、 水等易上浮 ， 并扰乱钢纤维 的 乱 向分 布 ， 密度较 大的水泥浆和砂易下沉 ， 造成 混凝 土整体的 不均匀 ， 形成了混凝土的分层结构 。 ( a ) 新拌轻集 料混凝土 ( b ) 轻集料 在分层 ( c ) 轻集 料分层形 成 图 2 轻集料 自密实混凝土分层过程 图 2表征了轻集料混凝土分层的形成过程 ， 由于密度较小 的物 质上 浮 ， 密度较 大的下沉 ， 造成 了混凝土不 同位置上材料 构成也不同的现象。 混凝土表层主要足轻集料和水分， 其下是携 带水 泥颗粒 的浆体 ， 再 下面是夹杂较细颗粒 的水 泥砂浆 ， 钢纤 维受到轻集料的浮力向上运动， 乱向分布被破坏 ， 并有局部结 团与局部确实现象 ， 混凝 土分层造成宏观上 的不 均匀 ， 必 然影 响其力学性能， 威胁结构安全。 从钢纤维增强轻集料自密实混凝 土分层结构形成过程可以知道， 消除或改善轻集料分层结构， 保 证混凝土匀质性 ， 其核心问题是在保证混凝土工作性能 的同时 ， 抑制轻集料的上浮 ， 实现材料组 分均匀的 目的， 其关键技术 为 组分均匀性控制技术。 6 0 2 钢 纤维轻集料 自密实混凝 土的 工作性 能及 其控制方 法 2 1工作性 能及其 指标 新拌混凝土的流动性与填充性能用三个指标来描述： 坍 落度； 扩展度； 扩展速度， 扩展速度为从坍落度筒提起时间 算起 ， 扩展度达到 5 0 0 mm的时间； U型箱填充能力， 测量两 侧高差。 评价标准_3 J ： 坍落度 2 5 0 2 7 5 mm， 扩展度 6 0 0 7 5 0 1T l I n ， 扩 展速度 8 2 0 S ， 高差 7 0 mm。 图 3 流动性与填 充性试验 分层度 F C D可用来定量 描述 混凝 土中集料的均匀分布程 度。 清华大学丁建彤H 墩授提出用密度分层度和质量分层度来评 价轻集料混凝土 的均质性 ， 由于试验测定时仅仅取 了上下两层 混凝土， 使得测试误差影响较大， 特别是对于密度分层度在轻 集料吸水率变化时其测得的密度分层度十分相近 ， 其评价可信 度不高； 本文在此基础上对分层仪进行了改进 ： 测试筒由 5个 圆柱筒组成， 其尺寸为 4 , 1 2 o mmx 1 0 0 n T ff l ， 改进后由于圆柱的 内径比较小， 对粗集料的侧限作用较大， 在一定程度上束缚了 轻集料的自由上浮， 使得分层度测试值比实际偏小 1 0 1 5 ， 仍不能如实反映新拌混凝土中轻集料 的分层情 况。 考虑到以上原因， 实验室又加工了分层度仪见图4 ， 该仪器 由 3 个 薄壁 圆柱筒组 成 ， 尺寸 为 1 6 0 mmx l 2 0 I T I n ， 由于对 圆 柱内径和高度都进行加大， 大大减小了圆柱筒壁对集料约束力 ， 使测得的分层度接近在自然状态下的轻集料分层情况。 试验时分 别称出每层轻集料的质量， 按照式( 2 ) 计算质量分层度F C D： 脚 。 式 中： F C D质量分层度 ； xi 每层轻集料的质量， k g ； 所有层粗集料的平均值， 。 图 4 分层度仪 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 7 通车两年后 上接第 5 2页 W m m 图 4 钢筋应力与裂缝宽度关系 间时 ， 。 增加不 多， 。 5 w 曲线几乎是平行 于横坐标轴 的直 线， 这说明模型试验中裂缝宽度即使很小 ， 其 ， 可能已经很 大 ， 甚至超过 了钢筋的屈服强度。 经 O s ,m对 鱼 一 回归分析得： 【 】 c 1 2 3 盯 O s m - - O 5 5 堕 一 +1 2 5 ( MP a ) ( 5 ) l a 2 O L 3 t c r 将混 凝土表面不 同裂缝 宽度 下 由式 ( 5 ) 计算 得到 的 与表 2中的 进行 比较 ， 见表 4 。 表 4 混凝土表面不 同裂缝宽度下的 的比较 注 ： ； 1 0 1 ， o - = 0 1 0 ， C v= ：O 1 0 。 由表 4可以看出， 与r ， m 是比较接近的， 也较小， 说明 回归公式( 5 ) 精度较高。 对于长期荷载作用下的轴心受拉构件， 改变 值， 也可用式( 5 ) 来估计裂缝处钢筋的平均应力。 4结语 通过本次模型试验研究和理论分析， 可得下列结论： 钢 筋与其周围混凝 土变形不一致时 ， 钢筋与混凝土的接触面就可 能出现劈裂裂缝， 且沿钢筋长度方向均存在。 劈裂裂缝随着钢筋 应力的增加， 条数明显增多， 长度有所增加。 劈裂裂缝的发展范 围距钢筋表面约为钢筋直径的 0 5 1 0 倍。 轴心受拉模型裂 62 参考文献 ： 【 1 胡曙光 先进水泥基复合材料 北京： 科学出皈社， 2 0 0 9 f 2 1 时建刚泵送高强轻质混凝土的流变特性及其工作性能控制方法 D 武汉 ： 武汉理工大学 ， 2 0 0 7 3 张春晓， 丁庆军， 沈贵松 C 7 0自密实钢管混凝土材料配制技术【 J J 混 凝土 ， 2 0 0 8 ( 3 ) ： 6 1 6 3 f 4 1 李喻君 ， 丁建彤 泵送高强轻骨料混凝土的抗离析性能【 J 混凝土， 2 o o 5 ( 3 ) ： 4 2 4 6 作者简介 联系地址 联系电话 张春晓( 1 9 8 0 一 ) ， 男， 工程师， 从事工程防护材料研究。 河南省洛阳市伊州县 6 1 4 8 9 部队五室 总参工程兵科研三 所五室 ( 4 7 1 0 2 3 ) 0 3 7 9 6 5 9 8 6 4 3 7 缝处钢筋平 均应力 与裂缝宽度 W的关系可按本 研究提 出 的公式( 5 ) 进行估计 。 应予说明的是， 本次模型试验还存在一些不足， 主要有： 本试验是通过直接拉钢筋来对模型施加轴向拉力， 与实际的轴 心受拉构件受力可能有一定的差别； 本次模型试验不同钢筋 应力的试验种类较少， 还不能得出劈裂裂缝的发展与钢筋应力 的定量关系 ； 上述结论是通过轴心受拉模 型试验得到的， 对于 一 些结构和受力形式及所处 自然环境复杂的钢筋混凝土结构 或构件是否适用 ， 尚有待进一步试 验研究证实。 参考文献 ： 【 1 董哲仁 网 衬钢筋混凝土压力管道设计与非线性分析【 M 】 北京 ： 中国 水利水电出版社 ， 1 9 9 8 2 】 伍鹤皋， 生晓高， 刘志明 水电站钢衬钢筋混凝土压力管道【 M J 北京： 中 国水利水电出版 社 ， 2 0 0 0 【 3 蒋锁红 ， 傅金筑 背管外包混凝土裂缝研究【 J 】 -水利水电勘测设计标 准化 ， 2 0 0 1 ( 3 4 ) ： 9 8 1 3 5 【 4 】 蒋锁红 ， 傅金筑李家峡水电站背管混凝土初期裂缝讨论l j 1 西北水 电 ， 1 9 9 8 ( 3 ) ： 1 4 1 7 5 】 蒋锁红， 傅金筑 背管外包混凝土裂缝研究 R 】 水电站压力钢管设计 规范修订专题报告， 1 9 9 9 6 D I f F 5 1 4 1 2 0 0 1 ， 水电站压力钢管设计规范 s 】 E 京： 中国电力出版 社 ， 2 0 0 2 【 7 】 D L T 5 0 5 7 1 9 9 6 ， 水工混凝土结构设计规范【 s 】 E 京： 中国电力出版 社 ， 1 9 9 7 ， 8 】 丁大钧l 冈 筋混凝土构件抗裂度裂缝和刚度 M 】 南京： 南京工学院出 版社 ， 1 9 8 6 f 9 赵国藩 ， 李树瑶， 廖婉卿， 等 冈 筋混凝土结构的裂缝控制 M E 京： 海洋出版 社 ， 1 9 9 1 【 1 0 K A AR P H， MA T T OC K A L H i g h s t r e n g t h b a r s a s c o n c r e t e r e i n f o r c e me n t ， P a r t 4 C o n t r o l o f C r a c k i n g J J o f t h e P C A Re s e a r c h a n d D e v e l o - p me n t L a b o r a t o r i e s ， 1 9 6 3， 5 ( 1 ) ： 1 5 3 8 【 1 I I A C I 3 l 8 R _ 9 9 ， B u i l d i n g c o d e r e q u i r e m e n t s f o r s t r u c t u r a l c o n c r e t e a n d c o m me n t a r y S A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e ， F a r m i n g t o n Hi l l s ， Mi c h ， 】 9 9 9 作者简介 联 系地址 联 系电话 夏敏( 1 9 7 6 一 ) ， 女， 博士研究生， 苏州科技学院土木工程学 院讲师， 主要从事混凝土结构工程的研究。 苏州科技学院土木工程学院混凝土结构教研室( 2 1 5 o 1 1 ) l 5 9 9 5 7 7 9 6 6 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m