装配式桥梁湿接缝混凝土变形及界面性能研究

摘   要：探讨了膨胀剂掺量、养护条件和界面状况对湿接缝混凝土的力学强度、变形特征、界面黏结强度及黏结抗渗性能的影响。试验结果表明：限制养护条件下微膨胀混凝土力学强度较同龄期自由养护试件均有提高，外部约束有利于提高其力学强度；养护条件对湿接缝混凝土的变形性能具有显著影响，工程应用中湿接缝混凝土应进行不少于14 d的湿养护；光面、粗糙面和界面剂处理三种接缝界面状态下，粗糙面试件的黏结劈裂抗拉强度和黏结抗渗性能最高，光面试件最低。涂刷界面剂后黏结劈裂抗拉强度略高于光面试件，但是黏结抗渗性能明显优于光面试件，渗透系数比光面试件降低了73.5%。

关键词：湿接缝混凝土；强度；变形特性；界面性能；养护条件

0   前言

装配式桥梁采用工厂预制墩柱、箱梁等构件，运至现场进行拼装施工，具有建造周期短、质量可控等优点。目前，预制节段拼装接缝处理常用的方式有三种：干接缝、湿接缝和胶接缝。其中，湿接缝研究起步较早，得到了大面积推广应用。为了使接缝混凝土与两侧构件结合良好，一般采用补偿收缩混凝土。但由于湿接缝往往需要在高空进行钢筋绑扎、立模和浇筑，并且养护难度大，很容易产生收缩裂缝。此外，现浇混凝土与预制构件混凝土龄期差异大，收缩变形不协调也使湿接缝界面处易出现裂缝渗水现象，导致外部侵蚀性物质渗入及冻融破坏，引起钢筋锈蚀和混凝土性能退化等问题。

湿接缝混凝土是装配式桥梁的薄弱环节，但是现阶段混凝土耐久性研究大多集中于整体浇筑的混凝土，对湿接缝混凝土变形以及接缝界面耐久性研究较少。因此，本文通过湿接缝混凝土配合比优化，研究膨胀剂、养护条件等因素对其强度和变形的影响规律；在此基础上，还设计黏结劈裂抗拉试件和黏结抗渗试件，研究界面状态对界面黏结劈裂抗拉强度和抗渗性能的影响，探讨提高湿接缝混凝土界面耐久性的措施。

1   试验

1.1   原材料

采用台泥P·Ⅱ52.5水泥；Ⅱ级粉煤灰，需水量比为104%，烧失量为3.3%；Ⅱ区河砂，细度模数为2.3，含泥量为2.5%；粒径为5~16 mm、16~25 mm的石子，含泥量分别为0.6%和0.4%；聚羧酸系高性能减水剂（HLC-Ⅸ）、膨胀剂（HLC-KL18）和界面剂（HLC-SF524）。

1.2   试验方案

湿接缝混凝土设计水胶比为0.3，粉煤灰掺量为20%，膨胀剂掺量为取代水泥与粉煤灰总量的8%、10%和12%。通过调整减水剂的掺量控制扩展度为（600±50）mm，各组混凝土配合比及工作性结果见表1。

1.2.1   强度测试

参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测试各组混凝土的抗压强度及劈裂抗拉强度，采用试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，模具为钢模，混凝土成型后放入标准养护室养护。其中，自由养护试件1 d后拆模，继续养护至规定龄期，而限制养护试件养护至28 d后拆模，分别测试各组试件的抗压强度及劈裂抗拉强度。

1.2.2   变形测试

限制膨胀率测试按照GB/T 23439—2017《混凝土膨胀剂》进行试验，试件尺寸为100 mm×100 mm×300 mm。混凝土密封养护变形测试采用?覫100 mm×400 mm PVC管和波纹管，将混凝土装填满波纹管振实后放置于PVC管中，用塑料膜将试件进行密封，24 h后对变形进行连续测量。干燥养护变形试件尺寸为100 mm×100 mm×515 mm，成型１ d后拆模并测试其竖向变形。密封养护及干燥养护变形试件每组采用三个平行试样，置于温度（20±2）℃、相对湿度60%的养护室中养护。

1.2.3   黏结劈裂抗拉强度测试

参照DL/T 5150—2017《水工混凝土试验规程》测试湿接缝混凝土与预制构件的界面黏结强度。制作光面和粗糙面两种黏结基准块，混凝土配合比见表2。光面黏结基准块在150 mm×150 mm×150 mm试模中浇筑一半，标准养护28 d后待用。粗糙面黏结基准块首先成型150 mm×150 mm×150 mm试件，标准养护28 d后将试件从中间劈开，采用“灌砂法”测试劈开面的粗糙度，选择粗糙度为3~4 mm的试件待用。

成型3种界面状态的黏结劈裂抗拉强度试件：①光面；②光面涂刷界面剂；③粗糙面。界面剂为高分子聚合物乳液，将界面剂与水泥按1∶2搅拌均匀后，用毛刷在基准块界面上均匀涂抹一层。成型时，将基准块垂直放入150 mm×150 mm× 150 mm立方体试模一侧，然后将拌和好的湿接缝混凝土浇入已放置黏结基准块的试模中并振实，1 d后脱模进行标准养护，测试7 d及28 d黏结劈裂抗拉强度，如图1所示。

1.2.4   黏结抗渗性能测试

采用相对渗透性系数法，参照1.2.3制作光面、光面涂刷界面剂以及粗糙面三种界面状态的黏结抗渗试件。采用HS-4OA型渗透仪，按照DL/T 5150—2017相关要求进行操作。将抗渗仪水压力一次加到 0.8 MPa，在此压力下恒压24 h，然后降压，从试模中取出试件。用万能试验机将试件沿接缝界面和垂直面劈开，并测量接缝界面和垂直面上的渗水高度。

相对渗透性系数按式（1）计算。

式中：Kr为相对渗透性系数，cm/h；a为混凝土的吸水率，一般为0.03；Dm为平均渗水高度，cm；H为水压力，以水柱高度表示，cm；t为恒压时间，h。

2   试验结果与分析

2.1   湿接缝混凝土的力学性能

图2和图3分别为不同膨胀剂掺量、不同养护条件下湿接缝混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度测试结果。由图2和图3可知，在自由养护条件下，抗压强度和劈裂抗拉强度随着膨胀剂掺量增加而降低，相比于基准组试件，膨胀剂内掺12%时，7 d、28 d抗压强度分别降低5.1%、12.0%，劈裂抗拉强度分别降低22.1%、13.3%。原因主要如下：一方面，膨胀剂内掺导致水泥用量减少，水泥水化产物减少；另一方面，膨胀剂水化过程中生成膨胀产物（钙矾石和氢氧化钙），在自由状态下，使混凝土内部产生微裂缝而引起强度降低。在限制养护条件下，28 d龄期基准试件的力学强度与自由养护条件下基本接近，而掺入膨胀剂试件的抗压强度和劈裂抗拉强度较同龄期自由养护试件均有较大程度提高，内掺8%、10%和12%膨胀剂试件抗压强度分别提高21.3%、18.8%和32.1%，劈裂抗拉强度分别提高4.7%、8.4%和10.7%。在限制养护条件下膨胀产物填充混凝土毛细孔，混凝土内部产生膨胀应力，使混凝土结构更加密实，从而提高了力学性能。

2.2   湿接缝混凝土的变形性能

图4为不同膨胀剂掺量下湿接缝混凝土的限制膨胀率发展曲线。在前期水养阶段，掺入膨胀剂试件相比于基准试件发生持续膨胀，膨胀变形值随着膨胀剂掺量的提高而增大。14 d时8%、10%、12%膨胀剂掺量下限制膨胀率分别达到260 με、500 με、667 με，表明在水养条件下，膨胀剂可充分补偿混凝土的早期收缩。进入干燥养护阶段后，基准试件收缩增大，掺膨胀剂试件也逐渐发生收缩，28 d时8%、10%、12%膨胀剂掺量下变形值分别为-166 με、67 με、115 με。按照JGJ/T 178—2009《补偿收缩混凝土应用技术规程》的要求，湿接缝混凝土限制膨胀率水中14 d大于0.025%，转空气中收缩小于0.02%，综合限制膨胀率和力学强度结果，膨胀剂掺量选定为内掺10%。

掺10%膨胀剂试件与基准试件的密封养护变形及干燥养护变形结果如图5所示。从图5可以看出，20 ℃密封养护条件下，变形主要发生在前7 d，14 d后趋于稳定。基准试件持续发生收缩，28 d收缩变形达到-157 με，掺10%膨胀剂试件的变形在测试龄期内均表现为膨胀，7 d膨胀变形为68 με，此后逐渐减小，14 d时膨胀变形为33 με。在干燥养护条件下，基准和掺10%膨胀剂试件均表现为收缩，膨胀剂可以抑制混凝土的干缩变形，掺10%膨胀剂试件14 d时干燥收缩为237 με，比基准组小15 με，28 d时为276 με，比基准小28 με。结果表明，养护条件对湿接缝混凝土的变形发展具有显著影响。因此，在工程实际应用中，微膨胀湿接缝混凝土应进行不少于14 d的湿养护。

2.3   界面黏结劈裂抗拉强度

图6为掺10%膨胀剂湿接缝混凝土不同界面状态下的黏结劈裂抗拉强度结果。由图6可知，光面试件的黏结劈裂抗拉强度较低，7 d黏结劈裂抗拉强度仅为1.58 MPa，为同龄期湿接缝混凝土自身劈裂抗拉强度的39%，28 d黏结劈裂抗拉强度可达到2.29 MPa，为同龄期湿接缝混凝土自身劈裂抗拉强度的47%。涂刷界面剂试件的黏结劈裂抗拉强度比光面试件略高，粗糙面试件的黏结劈裂抗拉强度最高，相比于光面试件7 d黏结劈裂抗拉强度提高了16.5%，28 d黏结劈裂抗拉强度提高了24.0%。这是由于新旧混凝土界面黏结力主要包括机械啮合力、范德华力与化学作用力[13-14]，而黏结基准块混凝土龄期较长，此时内部水泥水化已经趋于稳定，导致新浇混凝土与旧混凝土界面化学结合力较弱，机械啮合力占主要作用。此外，粗糙面增加了新旧混凝土的界面接触面积，从而提高黏结劈裂抗拉强度。图7为各试件的黏结劈裂抗拉破坏断面形态，可以发现，黏结劈裂抗拉测试中破坏面均发生在新旧混凝土界面，黏结面上仅有水泥浆体而没有骨料附着，光面试件界面粘附浆体较少，涂刷界面剂试件其次，粗糙面试件最多。

2.4   界面黏结抗渗性能

图8为掺10%膨胀剂试件不同界面状态下黏结抗渗试验中垂直于接缝面上的渗水高度分布。由图8可见，各试件的渗水高度分布为“倒漏斗”形状，接缝面20 mm范围内渗水高度较大，而距离接缝面较远处渗水高度较小。各试件的渗水高度及相对渗透性系数计算结果如表3所示，由表3可以看出，接缝面相对渗透性系数远大于其他浇筑部位（非接缝面），光面试件界面黏结抗渗性仅为非接缝面的13.0%，极易发生渗漏引起混凝土耐久性不足。界面剂及粗糙面均可以提高接缝面的抗渗性能，粗糙面试件的黏结抗渗性能最好，涂刷界面剂后相对渗透性系数略高于凿毛试件，但相比于光面试件降低了73.5%。一方面界面剂乳液浆体颗粒较细，在旧混凝土表面涂刷后其水化产物会向旧混凝土中渗透；另一方面，界面剂与新浇混凝土浇筑时间接近，可以与新浇混凝土较好地融合，从而改善了新旧混凝土界面结构，提高了界面密实性和抗渗性能。

3   结论

（1）自由养护条件下，混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度随着膨胀剂掺量增加而降低，而在限制养护条件下，掺入膨胀剂试件的抗压及劈裂抗拉强度较同龄期自由养护试件均有提高，外部约束有利于提高微膨胀混凝土的力学强度。

（2）养护条件对湿接缝混凝土的变形性能具有显著影响，掺10%膨胀剂混凝土在水养14 d条件下限制膨胀率为500 με，密封养护条件下膨胀值为33 με，干燥养护条件下收缩值为237 με，在工程实际应用中，微膨胀湿接缝混凝土应进行不少于14 d湿养护。

（3） 三种接缝界面状态下，粗糙面试件的黏结劈裂抗拉强度和黏结抗渗性能最高，光面试件最低。涂刷界面剂后黏结劈裂抗拉强度略高于光面试件，但是黏结抗渗性能明显优于无处理光面试件，渗透性系数比光面试件降低73.5%。

（编辑：奚雅青）

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