CN105906267B - 一种抗冲断的连续配筋混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗冲断的连续配筋混凝土及其制备方法，该混凝土包括硅酸盐水泥、水、细集料、粗集料、粉煤灰、硅灰、纳米材料、微钢纤维、微PVA纤维、膨胀剂、减水剂，采用这种连续配筋混凝土，能够显著改善孔结构来降低变异性，有效补偿由于干缩、温缩造成的混凝土变形，减小连续配筋混凝土路面裂缝宽度，增强混凝土抗剥落能力。本发明连续配筋混凝土，可有效减少连续配筋混凝土路面的冲断病害、延长路面使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于道路工程材料技术领域，具体涉及一种抗冲断的连续配筋混凝土及其制备方法。
背景技术
普通的接缝式水泥混凝土路面(简称JPCP)由于存在接缝，在车辆荷载及水、温度反复作用下，极易出现开裂、错台、唧泥等病害，大大降低了混凝土路面的路用性能，缩短了道路的使用寿命。随着经济迅速发展，交通量和轴载均呈大幅增长，大重型交通在公路运输所占比例越来越大。连续配筋混凝土路面(简称CRCP)是高性能路面的一种，适用于重载交通条件下的高速公路。其在路面纵向连续地配有足够数量的钢筋，以控制混凝土路面板纵向收缩产生的裂缝宽度和数量。同时，在横向也配有一定数量的钢筋来支撑纵向钢筋。不设缩缝，形成一条完整而平坦的行车平面，从而改善了汽车行驶的平顺性，同时又增强了路面板的整体强度。
目前JPCP的主要病害是板底的疲劳开裂，故以弯拉强度作为普通道路混凝土配合比设计时的力学指标。但是，CRCP中板底的疲劳开裂很少见，最常见的病害是冲断。冲断指两个间距很小(小于0.6m)的横向裂缝与短的纵向裂缝和路面边缘(或纵向接缝)所围成的面积及剥落、破碎等严重的“Y”型裂缝。冲断产生的机理如下：对新建的路面，由于加筋的作用，裂缝窄，传荷能力强。随后，由于重车的反复作用及温度和湿度波动导致裂缝宽度变化及局部边缘支撑丧失，部分横向裂缝出现剥落现象。裂缝变宽或者剥落以后，盐和水会进入板底。板底的水加剧基层侵蚀、钢筋腐蚀、唧泥，最终板底失去支撑。由于裂缝处剥落及板底的不均匀支撑，在重车作用下板顶产生较大的横向拉应力。当车辆荷载反复作用时，便累积疲劳，产生纵向裂缝，进而出现冲断。
由于JPCP和CRCP的构造和主要病害形式不同，对于混凝土的要求也不同。首先，对于CRCP，裂缝宽度非常重要，它影响裂缝处的传荷能力。将平均裂缝宽度(钢筋深度处)控制在0.05cm可以将冲断控制在合理的水平。在混凝土中添加膨胀剂，减少混凝土的干缩应变和温缩系数，可以有效减小裂缝宽度，进而减少冲断。而混凝土的干缩应变和温缩系数对于JPCP的疲劳开裂影响较小，一般在修建时不掺加膨胀剂。其次，国内外试验路调查表明，冲断多发生在较窄的裂缝间距处，约90％的冲断发生在横向裂缝间距为0.3～0.6m的密集裂缝处。混凝土强度、混凝土面层与基层间的摩擦系数等参数在公路纵向分布越均匀，裂缝分布就越均匀(多为1～2m之间)，密集裂缝就越少，冲断就越少。而对于JPCP，由于路面存在接缝，混凝土板块尺寸小，混凝土性能参数的变异性对混凝土路面性能的影响较小，仅是强度较低的板块先开裂而已。最后，对于CRCP，裂缝传荷能力对冲断影响很大，传荷系数应在95％以上才能有效减少冲断，裂缝处剥落会造成裂缝传荷能力的大幅下降，进而会造成冲断。混凝土的抗剪强度影响裂缝处的剥落，增大抗剪强度可以减少剥落，因此在连续配筋混凝土中需要采取措施增强其抗剪强度。而对于JPCP，接缝处的剥落对于疲劳开裂影响较小，故对于混凝土的抗剪强度一般没有要求。
综上所述，JPCP和CRCP设计指标不同，对于材料的强度变异性、干缩及温缩变形、抗剪强度等方面的要求不同。但遗憾的是目前修建CRCP时多采用与修建JPCP相同的材料。因此，急需开发一种适用于连续配筋混凝土路面抗冲断的材料，该材料需满足低变异、微膨胀、抗剥落等性能要求，而不是仅需满足弯拉强度的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种抗冲断的连续配筋混凝土及其制备方法，该混凝土具有低变异、抗剥落、微膨胀等特性，能有效减少CRCP冲断病害、延长路面使用寿命。
为了达到上述目的，一种抗冲断的连续配筋混凝土，包括质量份数264.3～330.38份硅酸盐水泥、185份水、576.84份细集料、1206.66份粗集料、88.1～132.15份粉煤灰、22.025～44.05份硅灰、0～8.8份纳米材料、23.55～70.65份微钢纤维、0.7～1.3份微PVA纤维、0～52.8份膨胀剂和4.4份减水剂。
包括质量份数319.36份硅酸盐水泥、185份水、576.84份细集料、1206.66份粗集料、88.1份粉煤灰、33.04份硅灰、4.4份纳米材料、47.1微钢纤维、1份微PVA纤维、44份膨胀剂和4.4份减水剂。
所述硅酸盐水泥为秦岭PO42.5#水泥；细集料为河沙；粗集料为花岗岩碎石；粉煤灰为一级粉煤灰；硅灰为一级硅灰。
所述纳米材料为纳米碳酸钙；微钢纤维为镀铜微钢纤维。
所述膨胀剂为130型HCSA高性能混凝土膨胀剂；减水剂为PC-1030聚羧酸高效减水剂。
一种抗冲断的连续配筋混凝土的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，根据质量份数，将185份水和4.4份减水剂混合，制成混合液；
步骤二，将264.3～330.38份硅酸盐水泥、0～52.8份膨胀剂、576.84份细集料、1206.66份粗集料混合，制备成混合物；
步骤三，在混合物中加入混合液以及88.1～132.15份粉煤灰、22.025～44.05份硅灰、0～8.8份纳米材料、23.55～70.65份微钢纤维和0.7～1.3份微PVA纤维，搅拌均匀；
步骤四，装模，养生，制备成抗冲断的连续配筋混凝土。
所述硅酸盐水泥为秦岭PO42.5#水泥；细集料为河沙；粗集料为花岗岩碎石；粉煤灰为一级粉煤灰；硅灰为一级硅灰。
所述纳米材料为纳米碳酸钙；微钢纤维为镀铜微钢纤维。
所述膨胀剂为130型HCSA高性能混凝土膨胀剂；减水剂为PC-1030聚羧酸高效减水剂。
与现有技术相比，本发明制备的一种抗冲断的连续配筋混凝土，按交通运输部颁标准《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)进行测试，各项指标均达到《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)的主要性能要求，采用本发明抗冲断的连续配筋混凝土修筑CRCP，能够显著改善孔结构来降低变异性，有效补偿由于干缩、温缩造成的混凝土变形，减小裂缝宽度，增强混凝土抗剥落能力，从而有效减少CRCP冲断病害、延长路面使用寿命。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
1.原材料指标分析
本发明所用的原材料有：秦岭PO42.5#水泥、水、河沙、花岗岩碎石、一级粉煤灰、一级硅灰、镀铜微钢纤维、微PVA纤维、纳米碳酸钙、130型HCSA高性能混凝土膨胀剂、PC-1030聚羧酸高效减水剂。各材料具体性能指标见表1～9。
表1水泥的性能指标
表2砂的性能指标
表3粗集料的筛分结果
表4粉煤灰的性能指标
表5硅灰的性能指标
表6PVA纤维性能指标
表7微钢纤维性能指标
表8减水剂的性能指标
表9HCSA膨胀剂的性能指标
2.抗冲断的连续配筋混凝土的制备及优选
实施例1：
以制备本发明一种抗冲断的连续配筋混凝土1m3为例，所用原料及其配比如下：
秦岭PO42.5#水泥330.38kg
水185kg
河沙567.84kg
花岗岩碎石1206.66kg
一级粉煤灰88.1kg
一级硅灰22.025kg
镀铜微钢纤维23.55kg
微PVA纤维0.7kg
纳米碳酸钙0kg
130型HCSA高性能混凝土膨胀剂0kg
PC-1030聚羧酸高效减水剂4.4kg
其制备方法如下：
按照本发明的质量称取水、水泥、减水剂、膨胀剂、细集料、粗集料、粉煤灰、硅灰、微钢纤维、微PVA纤维、纳米材料，将水、减水剂混合制成混合液，再将粗集料、细集料、水泥和膨胀剂装入搅拌锅中，用搅拌机搅拌均匀，加入混合液，拌和，装模，养生，制备成抗冲断的连续配筋混凝土。具体制备方法参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTGE30-2005)。
实施例2～9：
按照表10中水泥、水、河沙、花岗岩碎石、粉煤灰、硅灰、镀铜微钢纤维、微PVA纤维、PC-1030聚羧酸高效减水剂的质量，采用与实施例1相同的制备方法，分别制备实施例2～9的抗冲断的连续配筋混凝土。
表10混凝土材料用量表(kg)
注：C为秦岭PO42.5#水泥，W为水，FM为一级粉煤灰，GH为一级硅灰，GX为镀铜微钢纤维，PVA为微聚乙烯醇纤维，A为PC-1030聚羧酸高效减水剂，S为河砂，G为花岗岩碎石，CaCO3为纳米碳酸钙，P为130型HCSA高性能混凝土膨胀剂(下同)。
参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTGE30-2005)规定的试验方法对实施例1～9制备的抗冲断的连续配筋混凝土进行抗压强度试验、劈裂抗拉强度试验、弯拉强度试验。测试和计算结果见表11。
表11各项性能测试值(MPa)
参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTGE30-2005)，对实施例1～9进行弯拉强度变异性试验。为保证变异性计算结果尽可能准确，每组试验取12个试件，试验结果见表12，变异性计算结果见表13。
表12混凝土28d弯拉强度变异性试验值(MPa)
表13混凝土弯拉强度变异性数据分析表
由试验数据可知，弯拉强度变异系数在3％～8％之间变化，属于低变异性与中变异性，其中实施例2的弯拉强度变异性最小。另外，该实施例的抗压强度最高，劈裂强度和弯拉强度也较高。因此，在实施例2的基础上配制实施例10-14。
实施例10～11：
在实施例10～11中，在实施例2水泥、水、河沙、花岗岩碎石、一级粉煤灰、一级硅灰、镀铜微钢纤维、微PVA纤维、PC-1030聚羧酸高效减水剂中进一步掺加纳米碳酸钙。各原材料的配比见表14，采用与实施例1相同的制备方法，分别制备实施例10～11的抗冲断的连续配筋混凝土。
表14混凝土材料用量表(kg)
掺加纳米CaCO3的实施例10、11和实施例2的混凝土弯拉强度试验结果对比见表15，应用表中数据计算变异系数，计算结果见表16。
表15纳米混凝土28d弯拉强度变异性试验结果值(MPa)
表16纳米混凝土弯拉强度变异性分析表
综合以上试验结果可知，采用实施例10可以制备出变异性低连续配筋混凝土。
实施例12～14：
在实施例12～14中，在实施例2水泥、水、河沙、花岗岩碎石、一级粉煤灰、一级硅灰、镀铜微钢纤维、微PVA纤维、PC-1030聚羧酸高效减水剂中进一步掺加130型HCSA高性能混凝土膨胀剂。各原材料的配比见表17，采用与实施例1相同的制备方法，分别制备实施例12～14的抗冲断的连续配筋混凝土。
表17混凝土材料用量表(kg)
对比实施例2，对掺加130型HCSA高性能混凝土膨胀剂的实施例12、13、14进行干缩试验。(具体试验方法参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005))。膨胀(收缩)率测定结果见表18。
表18混凝土膨胀(收缩)率(10-6)
实施例2、12、13、14温缩试验结果见表19。(具体试验方法参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)中T0855-2009“仪表法”)。
表19混凝土各温度段温度收缩系数(10-6/℃)
根据不同膨胀剂掺量下混凝土干缩、温缩系数的变化，计算不同膨胀剂掺量下连续配筋混凝土路面的裂缝宽度和应力。计算公式如下式：
混凝土最大位移：
混凝土最大应力：
式中：
b1＝(a1+a2-r1 2)/a1
b2＝(a1+a2-r3 2)/a1
r2＝-r1
r4＝-r3
αc—混凝土温缩系数，10-6/℃；
ΔT—温度下降，取10℃；
εsh—混凝土干缩应变，10-6；
Ec—混凝土弹性模量，取3×1010Pa；
L—裂缝间距，取1.5m；
As—钢筋面积，取2.01×10-4m2
ds—钢筋直径，取0.016m；
Es—钢筋弹性模量，取2×1011Pa；
b—纵向钢筋间距，取0.12m；
ks—钢筋与混凝土间的粘结刚度系数，取3×1010Pa/m；
kc—基层与面层间的摩阻力系数，取5×107Pa/m；
h—面层厚度，取0.24m；
Ac—混凝土面积，取0.0288m2；
试验所得不同膨胀剂掺量下混凝土干缩应变、温缩系数见表20。计算得到CRCP裂缝宽度、应力，见表21。
表20不同膨胀剂掺量下28d混凝土干缩应变、温缩系数
表21裂缝宽度与应力计算结果
由试验结果可知，当膨胀剂掺量为44kg时，混凝土的裂缝宽度是零并产生一定的微膨胀，同时在混凝土内部形成一定的压应力，而且压应力的大小远远小于规范规定的3.22MPa。此时，混凝土的膨胀量完全可以补偿由于干缩、温缩造成的路面裂缝，还会产生一定的微膨胀，有利于减少路面裂缝的产生，能够有效减少CRCP冲断。
综合上述结果可知，实施例14可以制备出微膨胀的连续配筋混凝土。
综合以上实施例10及实施例14，制备出低变异、微膨胀的连续配筋混凝土优选方案包括有如下成分：组分(立方用量kg/m3)：硅酸盐水泥319.36、水185、细集料576.84、粗集料1206.66、粉煤灰88.1、硅灰33.04、微钢纤维47.1、微PVA纤维1、纳米材料4.4、膨胀剂44、减水剂4.4。
3.普通混凝土与本发明混凝土对比试验
按照表22中的单位体积原料配比对普通纤维混凝土与本发明混凝土作相应的对比试验。
表22单位体积原料配比(kg)
注：表中配比A为普通混凝土，配比B为本发明混凝土。
(1)抗剪试验
混凝土抗剪强度试验参照《钢纤维混凝土试验方法》(CECS13∶89)采用双面直接剪切法进行。对本发明混凝土(配比A)和普通混凝土(配比B)进行双面直剪试验，通过试验对比分析纤维增强混凝土抗剪强度的作用，试验结果见表23。
表23混凝土剪切试验结果(MPa)
由试验结果可知，本发明的混凝土较基准混凝土抗剪强度提高了约13％。
(2)抗裂性能试验
参考美国加州罗来韦尔瑞克工程及检测中心的方法进行抗裂试验。试件成型后在温度(30±2)℃、相对湿度小于65％的实验室内成型后，风扇吹1h，然后置于温度(40±30)℃、相对湿度小于50％、风速为1.8m/s环境下，观察24h，记录裂缝的发展情况。本发明混凝土(配比A)和普通混凝土(配比B)每组取3个试件进行测试，对裂缝数量及长度进行统计，结果见表24。
表24裂缝发展情况数据表
由试验结果可知：在相同情况下，本发明的混凝土裂缝数量和裂缝长度都比普通的混凝土要小。
综上，制备本发明一种抗冲断的连续配筋混凝土的优选方案包括有如下成分(立方用量kg/m3)：硅酸盐水泥319.36、水185、细集料576.84、粗集料1206.66、粉煤灰88.1、硅灰33.04、微钢纤维47.1、微PVA纤维1、纳米材料4.4、膨胀剂44、减水剂4.4。
Claims (2)
1.一种抗冲断的连续配筋混凝土，其特征在于，包括质量份数319.36份硅酸盐水泥、185份水、567.84份细集料、1206.66份粗集料、88.1份粉煤灰、33.04份硅灰、4.4份纳米材料、47.1份微钢纤维、1份微PVA纤维、44份膨胀剂和4.4份减水剂；所述硅酸盐水泥为秦岭PO42.5#水泥；所述细集料为河沙；所述粗集料为花岗岩碎石；所述粉煤灰为一级粉煤灰；所述硅灰为一级硅灰；所述纳米材料为纳米碳酸钙；所述微钢纤维为镀铜微钢纤维；所述膨胀剂为130型HCSA高性能混凝土膨胀剂；所述减水剂为PC-1030聚羧酸高效减水剂。
2.权利要求1所述抗冲断的连续配筋混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，根据质量份数，将185份水和4.4份减水剂混合，制成混合液；
步骤二，将319.36份硅酸盐水泥、44份膨胀剂、567.84份细集料、1206.66份粗集料混合，制备成混合物；
步骤三，在混合物中加入混合液以及88.1份粉煤灰、33.04份硅灰、4.4份纳米材料、47.1份微钢纤维和1份微PVA纤维，搅拌均匀；
步骤四，装模，养生，制备成抗冲断的连续配筋混凝土。
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