橋梁伸縮縫過渡區混凝土性能優化研究

姚新宇　黃俞云　韓志盈

摘要：文章根據橋梁伸縮縫結構受力特點，以C50混凝土配合比為基準，通過試驗研究雙摻EVA-HPMC對硫鋁酸鹽水泥混凝土力學性能、耐久性、收縮性等性能的影響。研究表明：EVA與硫鋁酸鹽水泥具有良好的適應性，隨著摻量的增加，混凝土彎拉強度、粘結強度、耐久性等指標均有明顯提升，HPMC的復合摻入進一步改善上述指標并對混凝土早期塑性開裂改善明顯。同時，通過EVA-HPMC摻量變化對混凝土性能的改善趨勢，提出了EVA經濟摻量為4%的建議，并建立了EVA-HPMC改性硫鋁酸鹽水泥混凝土拉拔粘結強度與劈裂抗拉強度的冪函數相關關系。

關鍵詞：醋酸乙烯酯-乙烯共聚物;HPMC;硫鋁酸鹽水泥;橋梁伸縮縫;力學性能;耐久性

0 引言

車輛行駛經過橋梁伸縮縫往往有較為明顯的跳車現象。由于新建道路通車后，實際車輛軸載大于設計軸載，實際交通量與增速往往也大于預測值，導致車輛對橋梁伸縮縫的沖擊作用更加明顯。車輛輪胎對橋梁伸縮縫裝置的巨大沖擊力可導致伸縮縫過渡區混凝土損壞、脫落、松動，同時在雨季由沖擊荷載引起的動水壓力，更會加速橋梁伸縮縫病害的發展，大大縮短伸縮縫使用壽命[1]。

橋梁伸縮縫過渡區混凝土主要承受來自車輛輪壓的動載，當車輛行駛至伸縮縫時，所產生的輪壓荷載由錨固系統傳導至過渡區混凝土，過渡區混凝土因荷載產生壓縮變形。當車輪行駛通過過渡區混凝土后，則會有一個應力釋放過程，而輪壓越大，拉應力就會越大[2]。此外由于橋梁伸縮縫由梁板、聯動機構、錨固鋼筋及過渡區混凝土等多構件構成（如下頁圖1所示），施工中難以實現攤鋪平順，不平整問題十分常見。而車輛行駛通過則會造成振動形成沖擊力，且所產生的振動屬于高頻振動，在反復振動荷載下，混凝土更易剝離、疲勞破壞[3-5]。因此從橋梁伸縮縫混凝土受力特點及病害成因綜合分析，為了延長橋梁伸縮縫使用壽命，有必要在滿足經濟性的條件下，提升混凝土抗拉強度、新舊混凝土界面粘結強度、體積穩定性（收縮）等指標，并實現快速開放交通、提升通行效率的目的。

近年來國內外學者對聚合物改性水泥材料均做了大量研究，大部分研究主要集中在聚合物種類比選與摻量的確定上，且多數采用普通硅酸鹽水泥進行改性并驗證混凝土與砂漿的相關指標性能[6-14]，但對特種水泥聚合物改性及復合摻入HPMC改善混凝土性能方面的研究較少。本研究旨在研究EVA與HPMC摻入下對特種水泥混凝土性能的改善，應用于橋梁伸縮縫病害修復，并建立復合改性特種混凝土關鍵力學指標間的相關關系，為混凝土構造物病害快速修復高性能材料的開發與工程應用提供試驗基礎與依據。

1 試驗與方法

1.1 原材料

原材料采用廣西云燕特種水泥建材有限公司生產的R.SAC 42.5低堿度硫鋁酸鹽水泥，國內某公司生產的醋酸乙烯酯-乙烯共聚（EVA）可再分散膠粉（主要技術指標見表1），上海臣啟化工科技有限公司生產的羥丙基HPMC（主要技術指標見表2）。減水劑采用聚羧酸高性能減水劑（粉劑），細料選用欽州砂場（Ⅱ區）細度模數為2.97的細料，粗集料選用吳圩勝興石場生產的碎石，粒徑分檔為4.75～9.5 mm、9.5～19 mm，水采用實驗室用自來水。

1.2 試驗配比與試驗方法

配合比設計參照《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55-2011），預先確定水灰比、砂率及碎石用量，再根據研究計劃摻入不同劑量的EVA及HPMC?；鶞逝浜媳纫姳?，EVA-HPMC摻量見表4。

1.3 混凝土的制備

采用強制攪拌機拌和混凝土，將砂、碎石加入干拌30 s，隨后加入水泥、減水劑（粉劑）、EVA、HPMC、EVA助劑干拌90 s，最后加入水攪拌2 min。攪拌后測試混凝土坍落度并入模，成型試件采用振實臺振動密實成型，24 h后拆模，而后根據研究需要選擇實驗條件進行養護與試驗。

1.4 試驗方法

根據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG E30-2005）測定混凝土抗壓強度、彎拉強度、劈裂強度、彈性模量，收縮性指標。根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082-2009）測定混凝土塑性開裂、疲勞壽命等性能指標。直接拉拔粘結試驗參考《道橋用防水涂料》（JC/T975-2005）。

2 力學性能分析

2.1 強度分析

分別將不同摻量EVA及HPMC的混凝土進行抗壓、彎拉強度試驗，其28 d強度如圖2所示。

由圖2可知，雙摻EVA與HPMC時，對混凝土抗壓強度也沒有改善，且隨著EVA摻量增加而有一定的降低趨勢，摻量范圍內抗壓強度最大降低幅度為5.84%。但彎拉強度隨著EVA與HPMC的摻入有著較明顯的提高。在單摻0%～5%EVA條件下，彎拉強度分別提高0%、1.96%、1.96%、7.84%、15.69%、17.65%。在0.05% HPMC摻量下，隨著0%～5%EVA的摻入，彎拉強度分別提高0%、1.96%、3.92%、7.84%、15.69%、21.57%。在0.1% HPMC摻量下，隨著1%～5% EVA的摻入，彎拉強度分別提高0、1.96%、7.84%、9.8%、19.61%、23.53%。同時，由圖2可以看出，隨著EVA與HPMC的摻入，尤其當EVA摻量>3%時，硫鋁酸鹽混凝土的折壓比明顯提高。

2.2 拉伸粘結性能

由于影響拉拔粘結強度的因素還與舊混凝土界面的粗糙度、潔凈程度等因素有關[15]，采用固定的舊混凝土界面參數（見表5）進行混凝土直接拉拔粘結試驗，同時參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG E30-2005）進行混凝土劈裂抗拉實驗。如圖3所示，當 EVA摻量為5%，HPMC摻量為0.1%時，劈裂抗拉強度與拉拔粘結強度值最大，分別較基準混凝土提高63.4%、337.8%，并且HPMC的加入使得摻入EVA的混凝土拉拔粘結強度與劈裂抗拉強度都有所增加，在相同5% EVA摻量條件下，摻入0.05%HPMC、0.1%HPMC比沒摻入HPMC其拉拔粘結強度分別提高了4.4%、10.61%，劈裂抗拉強度分別提高5.9%、15.9%，但是單摻HPMC對混凝土拉拔粘結強度與劈裂抗拉強度均無影響。由圖3可以看出，當摻量>4%時，其拉拔粘結強度與劈裂抗拉強度增加幅度有所放緩，因此EVA摻量4%可作為經濟摻量參考。

直接拉拔粘結試驗存在試驗設備、夾具、粘結接觸面條件等因素變異性大的問題，造成測量數據離散性較大，因此可尋找相近試驗進行替代與預測。采用固定的舊混凝土界面參數（見表5），對比直接拉拔粘結強度與劈裂抗拉強度，兩者可獲得良好的相關關系，最終可通過劈裂抗拉強度試驗對改性硫鋁酸鹽混凝土拉拔粘結強度進行預測。綜合試驗數據，由圖4所示改性硫鋁酸鹽混凝土劈裂強度與拉拔粘結強度的關系曲線，兩指標關系函數見式（1）。式（1）反映了EVA與HPMC對硫鋁酸鹽混凝土粘結性能及劈裂抗拉強度的改性趨勢。

3 耐久性分析

3.1收縮性

混凝土塑性開裂是評價混凝土長期服役能力的重要指標，參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082-2009），測定不同EVA與HPMC摻量下混凝土的早期塑性開裂總面積，試驗條件采用固定風速，測定風速為8 m/s，室內恒定溫度為25 ℃，裂縫寬度采用混凝土裂縫測試儀測試，測定24 h早期塑性開裂總面積。不同EVA與HPMC摻量下的混凝土早期塑性開裂及干縮情況如圖5所示。

由圖5可知，塑性開裂總面積隨著EVA的摻入而降低，而HPMC的摻入可以非常明顯地減少塑性開裂總面積。當HPMC摻量為0.1%，EVA摻量達到5%時，不會出現塑性開裂。HPMC的摻入對混凝土塑性開裂總面積的改善更為明顯，在0% EVA摻量下，摻入0.1% HPMC其塑性總開裂面積僅為基準的56.2%;在3% EVA摻量下，摻入0.1% HPMC其塑性總開裂面積僅為摻入0%HPMC的20.3%，因此HPMC的摻入能防止混凝土因養護不規范造成的早期塑性開裂。此外混凝土的干縮值隨著EVA及HPMC摻量的增大而明顯減少。由圖5可看出，當EVA摻量>2%時，混凝土干縮值隨著EVA摻量的增加下降幅度加大，且在相同EVA摻量下，HPMC的摻入能夠對混凝土28 d干縮值有進一步改善。因此，雙摻EVA-HPMC對混凝土的體積穩定性及抗開裂性能具有良好的改善，應用于橋梁伸縮縫過渡區可大大降低抵抗動載以及雨天動載引起的動水壓力對混凝土造成的損害。

3.2 模量與疲勞性能

采用固定應力水平條件，應力設定為基準配合比混凝土彎拉破壞壓值的0.7，固定荷載頻率采用10 Hz。如圖6所示，隨著EVA及HPMC摻量的增加其累積荷載次數隨之增加，彎拉彈性模量隨之降低。當EVA摻量>3%時，其疲勞壽命次數隨著EVA摻量的增加而增長較快;當HPMC摻量為0.1%，EVA摻量為5%時，其累積疲勞次數相比基準混凝土提高2.8倍，模量降低9.5%。同時，試驗數據表明，EVA-HPMC的雙摻比單摻EVA累計疲勞次數進一步增加，但對動彈性模量影響不明顯，單摻HPMC則其摻量對動彈性模量與累積荷載次數均無明顯影響。因此，由EVA-HPMC復合改性的硫鋁酸鹽混凝土在疲勞壽命與協調變形適應上具有更大優勢，在橋梁伸縮縫、錯臺修補以及適應動載的結構補強領域具有廣闊的應用空間。

4 結語

（1）混凝土彎拉強度、粘結強度、劈裂抗拉強度、累積疲勞荷載次數隨著EVA摻量的增加而提高。其中EVA摻量為2%～4%時上述指標開始快速增長，摻量>4%時，上述指標增長速率放緩。因此4% EVA摻量可作為經濟摻量參考標準。

（2）HPMC與EVA雙摻會對彎拉強度、粘結強度、劈裂抗拉強度、累積疲勞荷載次數、早期塑性開裂及28 d干縮值有進一步改善，但0～0.1%范圍內單摻HPMC除對混凝土早期塑性開裂及28 d干縮值有改善外，對強度指標無明顯影響。

（3）EVA-HPMC復合改性硫鋁酸鹽混凝土的拉拔粘結強度與劈裂抗拉強度具有良好相關性，可根據劈裂抗拉強度間接評價改性混凝土的粘結性能。

參考文獻：

[1]Carroll，Chris;Juneau，Andrew.Repair of Concrete Bridge Deck Expansion Joints Using Elastomeric Concrete[J].Practice Periodical on Structural Design and Construction，2015，20（3）：04014038.

[2]Deng，Lu ;Yan，Wang-chen ;Zhu，Quan-jun.Vehicle Impact on the Deck Slab of Concrete Box-Girder Bridges due to Damaged Expansion Joints[J].Journal of Bridge Engineering，2016，21（2）：06015006.

[3]閆光飛.基于LS_DYNA的橋梁伸縮縫破壞機理研究與分析[D].重慶：重慶交通大學，2016.

[4]喻春函，丁志義，廖光福，等.聚合物改性混凝土的應用進展[J].膠體與聚合物，2018，37（1）：40-42.

[5]王 凱，葛翠翠，李柏殿，等.公路橋梁伸縮縫過渡區混凝土修復技術研究[J].硅酸鹽通報，2017，8（36）：2 838-2 843.

[6]農金龍.聚合物改性水泥基粘結復合材料的粘結性能研究[D].長沙：湖南大學，2014.

[7]Papaioannou，S.;Argyropoulou，R.;Kalogiannidou，C.;et al.Mechanical and adhesion properties of polymer-modified cement mortars in relation with their microstructure[J].Journal of Adhesion，2018（1）：1-20.

[8]Assaad，Joseph Jean.Development and use of polymer-modified cement for adhesive and repair applications[J].Constr Build Mater，2018，163（2）：139-148.

[9]劉紀偉，周明凱，陳 瀟，等.丁苯乳液改性水泥砂漿性能及機理研究[J].武漢理工大學學報，2013，35（1）：40-43.

[10]丁向群，張冷慶，冀言亮，等.聚合物改性粘結砂漿的性能研究[J].硅酸鹽通報，2014，33（5）：1 040-1 044.

[11]Knapen，E.;Van Gemert，D.Polymer film formation in cement mortars modified with water-soluble polymers[J].Cement and Concrete Composites，2015，58（4）：23-28.

[12]Yuan-liang，Xiong;Kun-rong，Wang;Zhi-yong，Liu.Bond behaviors between polymer cement coated steel bar subjected to environmental action and concrete[J].Concrete under Severe Conditions - Environment and Loading，2016，711（9）：1 105-1 110.

[13]袁國卿.可再分散乳膠粉對水泥砂漿的性能影響[D].鄭州：鄭州大學，2010.

[14]韓振東，程棋鋒，聞寶聯，等.聚合物改性混凝土研究[J].商品混凝土，2013（7）：37-38.

[15]張菊輝，李 粵.新老混凝土結合面黏結強度影響因素研究綜述[J].混凝土，2017（10）：156-162.