楊元鄭,焦曉東

(1.廣西桂通工程管理集團有限公司,廣西 南寧 530029;2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室,廣西 南寧 530007;3.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

“十三五”以來,隨著國家交通強國、西部陸海新通道等戰(zhàn)略的實施,廣西區(qū)內(nèi)的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迎來大發(fā)展,尤其是公路建設(shè)領(lǐng)域,截至目前廣西公路總里程已>14.5萬km,其中高速公路總里程已突破8 000 km,實現(xiàn)了“縣縣通高速”。廣西多山的地勢導致在公路的建設(shè)過程中橋梁占比較高,橋梁伸縮縫作為連接橋梁結(jié)構(gòu)的重要組成部分,其在運營過程中因汽車荷載、氣候等因素的復雜性經(jīng)常會出現(xiàn)錨固區(qū)混凝土損壞的情況,大大降低了伸縮縫的服役壽命[1]。伸縮縫錨固區(qū)的混凝土通常為C50等級的普通水泥混凝土,具有抗壓性能優(yōu)異但抗拉性能差、脆性大的特點,這使其在溫度應力和動載荷作用下容易發(fā)生開裂,同時研究發(fā)現(xiàn)隨著混凝土抗壓強度的提升,混凝土的脆性也隨之增大,這為高強混凝土在橋梁結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應用帶來了局限[2]。

1993年美國密歇根大學Li Victor C開發(fā)的工程水泥基復合材料(Engineered cementitious composites,ECC),在我國被稱為超高韌性水泥基復合材料(Ultra-high toughness cementitious composites,UHTCC)[3]。其由水泥、細硅砂、粉煤灰、聚合纖維、水和高效減水劑組成,其優(yōu)異的拉伸性能主要是通過纖維和基體之間的相互作用來實現(xiàn)的,是一種基于微觀力學調(diào)控的高性能纖維增強水泥基復合材料[4-6]。近年來研究者發(fā)現(xiàn)使用聚合物改性的新型混凝土和砂漿用作修補材料,同普通水泥砂漿相比,具有優(yōu)異的力學性能和抗凍融、抗氯離子、抗碳化和抗化學腐蝕性能等耐久性能,因此各類聚合物被引入混凝土材料體系作為性能增強材料[7-10]。部分學者研究發(fā)現(xiàn)[11-13],環(huán)氧類物質(zhì)可以有效改善材料的粘結(jié)性能,以提高纖維與基體之間的界面結(jié)合力。但是,相關(guān)報道多集中于單一環(huán)氧乳液作用下UHTCC的拉伸性能,且不同文獻結(jié)果存在差異。因此,需要更為廣泛的研究工作,以探索聚合物在UHTCC中的作用機制。

本文通過引入不同類型的環(huán)氧乳液,并調(diào)整環(huán)氧乳液的摻量,研究環(huán)氧乳液對UHTCC不同性能的影響,以期為此類材料在橋梁伸縮縫維修養(yǎng)護方面提供新的應用思路。

1 試驗

1.1 原材料

(1)水泥等級為P.O42.5R,密度為3.1 g/cm3,其基本性能見表1。

表1 水泥性能表

(2)粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰,比表面積為3 850 cm2/g,密度為2.8 g/cm3;微珠為粉煤灰微珠,比表面積為4 030 cm2/g;硅灰為重慶某公司生產(chǎn),SiO2占比>94%,比表面積為10 900 cm2/g。

(3)細骨料為南寧某石英砂廠生產(chǎn)的38μm(400目)石英粉。

(4)外加劑為廣西某公司生產(chǎn)的ZJ13型減水劑,減水率為27%。環(huán)氧乳液為盛禧奧聚合物有限公司生產(chǎn)的Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型環(huán)氧乳液,固含量(質(zhì)量分數(shù))為47%。

(5)聚乙烯醇(PVA)纖維為重慶川維石化有限公司生產(chǎn),其性能如表2所示。

表2 PVA纖維性能表

1.2 試驗的配合比設(shè)計

試樣的基準配合比設(shè)計如表3所示,環(huán)氧乳液改性UHTCC修復材料的配合比設(shè)計如表4所示,K1、K2、K3試樣分別代表Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型環(huán)氧乳液摻量為2%;K3、K4、K5、K6、K7試樣代表Ⅲ型環(huán)氧乳液摻量分別為2%、3%、4%、5%、6%。其中,PVA纖維的摻量為混合料體積的占比,其他材料摻量均以水泥的質(zhì)量為基準,改性UHTCC的水膠比、砂膠比、粉煤灰、硅灰、微珠、減水劑以及PVA用量與基準配合比相同。

表3 UHTCC修復材料基準配合比表

表4 改性UHTCC修復材料的配合比表

1.3 試樣的制備與測試方法

將水泥、粉煤灰、微珠以及石英砂按照順序依次加入攪拌機中,攪拌120 s至干粉混合均勻,然后加入水、減水劑和環(huán)氧乳液,拌和180 s后加入PVA,高速攪拌240 s至拌和均勻,成型不同尺寸的試件,24 h后脫模,放入標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護至相應測試齡期。

性能測試:(1)拌和物的工作性能測試依據(jù)為《普通混凝土拌和物性能試驗方法》(GB/T 50080-2016)測試;(2)試件的抗壓強度測試依據(jù)為《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002);(3)試樣的彈性模量與軸向拉伸強度測試依據(jù)為《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2019);(4)試樣的抗?jié)B性能測試依據(jù)為《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082-2009)。

2 結(jié)果分析

2.1 工作性能

圖1所示為拌和漿體的工作性能測試結(jié)果,橋梁伸縮縫錨固區(qū)混凝土修復材料施工中的坍落度通常要求>120 mm,從圖1可以看出,所有配合比修復材料的坍落度均>200 mm,能夠達到自密實自流動的效果,滿足其施工要求。同時K1試樣(Ⅰ型環(huán)氧乳液)和K2試樣(Ⅱ型環(huán)氧乳液)相比基準K0(未添加環(huán)氧乳液)試樣,UHTCC修復材料的坍落度略有提升,而K3試樣(Ⅲ型環(huán)氧乳液)會明顯降低拌和物的工作性能,2%摻量下的坍落度和擴展度僅有245 mm、500 mm,遠低于基準K0(未添加環(huán)氧乳液),但隨著Ⅲ型環(huán)氧乳液摻量(K3～K7試樣)從2%增加至6%,材料的坍落度和擴展度均在增加,這表明不同類型的環(huán)氧乳液對UHTCC修復材料工作性能有著不同的作用效果,其中Ⅰ型和Ⅱ型環(huán)氧乳液兩種環(huán)氧乳液可以降低拌和物的黏度,在較低摻量下改善拌和物的工作性能,而Ⅲ型環(huán)氧乳液則會增加拌和物的稠度,降低其工作性能,但隨著其摻量的增加,拌和物的工作性能也得到改善。

圖1 UHTCC修復材料的工作性能對比柱狀圖

2.2 抗壓強度

下頁圖2所示為養(yǎng)護至不同齡期時試樣的抗壓強度?？箟簭姸仁菢蛄荷炜s縫錨固區(qū)混凝土設(shè)計時的重要指標?！豆窐蛄荷炜s裝置》(JT/T 327-2004)中規(guī)定橋梁伸縮縫錨固區(qū)普通混凝土的強度等級通常為C50以上,即混凝土材料28 d抗壓強度要求為50 MPa以上。從圖2可以看出,所有配合比的UHTCC修復材料的28 d抗壓強度均>60 MPa,滿足設(shè)計使用要求。

圖2 UHTCC修復材料試樣的抗壓強度對比柱狀圖

從圖2還可以看出,添加環(huán)氧乳液的UHTCC修復材料抗壓強度隨著養(yǎng)護齡期的延長而增加,但是與基準試樣K0(未添加環(huán)氧乳液)相比,其抗壓強度大幅度下降。這可能是在引入環(huán)氧乳液的同時,增大了膠凝材料體系的水膠比,同時破壞了試樣整體結(jié)構(gòu)的均一性。當Ⅲ型環(huán)氧乳液摻量(K3～K7試樣)從2%增加至6%時,材料在各個齡期的抗壓強度均呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢,當摻量為4%時,試樣(K5)的抗壓強度最低,這說明Ⅲ型環(huán)氧乳液對于材料抗壓強度的影響存在一個閥值。而在環(huán)氧乳液摻量均為2%的條件下,當養(yǎng)護齡期為3 d時,添加Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型三種環(huán)氧乳液試樣(K1～K3)的抗壓強度相比基準試樣K0(未添加環(huán)氧乳液)分別降低為11.6%、14.3%、16.1%。而在養(yǎng)護至7 d及28 d齡期時,三種試樣的變化趨勢發(fā)生了改變,K3試樣(Ⅲ型環(huán)氧乳液)的抗壓強度高于K1試樣(Ⅰ型環(huán)氧乳液)與K2試樣(Ⅱ型環(huán)氧乳液)。表明不同類型的環(huán)氧乳液對UHTCC的抗壓強度的作用效果存在差異,可能是因為環(huán)氧乳液與膠凝材料形成了包覆體系,導致被包覆的顆粒水化延緩或者終止,增加了水化產(chǎn)物之間的微觀距離,從而使試樣的抗壓強度降低,而Ⅲ型環(huán)氧乳液其作用機理同Ⅰ型、Ⅱ型存在差異,作用效果減弱,使后期的強度發(fā)展較快[14-15]。

2.3 彈性模量

彈性模量是UHTCC修復材料作為橋梁伸縮縫錨固區(qū)病害修復研究的重要內(nèi)容之一,是模擬實際道路車輛荷載下錨固區(qū)材料抵抗破壞的重要參數(shù)。其彈性模量測試結(jié)果如圖3所示。與基準組試樣K0(未添加環(huán)氧乳液)相比,添加不同種類和摻量的環(huán)氧乳液后,各組(K1～K7)試樣的彈性模量均出現(xiàn)不同程度的增加,這主要是因為有機-無機交聯(lián)結(jié)構(gòu)的形成,試樣中吸收能量的機制增多,試樣在彈性變形階段所能承載的載荷增加,從而使得試樣的彈性模量增大,抵抗破壞的能力增強。

圖3 UHTCC修復材料試樣的彈性模量對比柱狀圖

2.4 抗?jié)B性

采用電通量法進行混凝土抗氯離子滲透性評價,電通量越小,說明材料的抗?jié)B能力越優(yōu)異。如圖4所示為養(yǎng)護至28 d時試樣的電通量,分析試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),與基準組K0(未添加環(huán)氧乳液)試樣相比,在添加環(huán)氧乳液后試樣的電通量下降明顯,這說明環(huán)氧乳液的添加增強了UHTCC修復材料的抗?jié)B性能。主要是由于隨著環(huán)氧乳液的添加,UHTCC修復材料體系中的有機-無機交聯(lián)結(jié)構(gòu)以及乳液形成的膜結(jié)構(gòu)降低了內(nèi)部水分的蒸發(fā),抑制了部分有害毛細孔的產(chǎn)生,從而減少了氯離子在材料內(nèi)部的遷移通道,增強了材料抗氯離子滲透的能力。同時還可以發(fā)現(xiàn)添加三種環(huán)氧乳液試樣的電通量相差較小,表明三種環(huán)氧乳液的作用效果相當。增加Ⅲ型環(huán)氧乳液的摻量,發(fā)現(xiàn)K4、K5、K6以及K7試樣的電通量在141 C左右,并無明顯的變化趨勢,這表明在6%摻量范圍內(nèi),增加Ⅲ型環(huán)氧乳液的摻量對試樣的抗氯離子滲透性能影響較小。

圖4 UHTCC修復材料試樣的電通量對比柱狀圖

3 結(jié)語

通過添加環(huán)氧乳液對UHTCC性能影響的系列研究,得到以下結(jié)論:

(1)不同類型的環(huán)氧乳液對UHTCC性能的影響存在差異,2%摻量的Ⅰ型、Ⅱ型環(huán)氧乳液均可以提升UHTCC的工作性能,而Ⅲ型環(huán)氧乳液在摻量較高時才對UHTCC工作性能起到提升效果。

(2)在UHTCC中添加環(huán)氧乳液會引起其抗壓強度不同幅度的下降,但是可增強UHTCC的彈性模量,提高其抵抗外界荷載破壞的能力。同時,適宜摻量的環(huán)氧乳液可以改善材料的抗氯離子滲透性能。

(3)選擇合適類型和摻量的環(huán)氧乳液會對UHTCC的力學性能以及耐久性能起到改善作用,可大大提升伸縮縫錨固區(qū)混凝土病害的修復效果,提升其運營期間的壽命。