山区桥梁人工集料混凝土的性能提升技术与应用

(2)提出了材料质量提升技术

建立了人工集料质量提升与应用技术(表2)：①用低细度模数与高细度模数人工砂掺配、低石粉含量与高石粉含量人工砂掺配，以满足技术要求;②采用多功能减水剂，解决了高石粉含量人工砂制备高强混凝土粘聚性大、易收缩开裂的技术难题。

表2 原材料质量提升与应用技术措施

集料掺配技术 外加剂调控技术

性能指标 掺配技术 技术要求 石粉含量 混凝土等级 应用技术

细度模数MX>3.7 较低MX+较高MX 2.3～3.7 ≤3% ≤C40 掺增粘和泌水抑制组分

高石粉含量(10～15%) 低石粉含量+高石粉含量 ≤10% ≥10% ≥C40 掺超分散、减缩组分

2.2发明了人工集料混凝土性能提升技术

(1)发明了复合多功能减水剂

①重组分子结构：基于聚羧酸减水剂分子结构的可设计性，以C-C链为主链，其带有-COOH-、-SO3H-等亲水基团，侧链为可溶剂化的聚乙二醇醚、聚丙烯酸酯等聚合物链(见图1)，调整侧链共聚物的官能团组成、长度与分布位置，调控浆体稠度、含气量与孔结构，增加插层反应难度、降低减水剂消耗，实现高减水、低含气、高保塑等复合功能。

②发明超分散剂：在减水剂分子侧链上增加吸附、分散基团(图2)，促使颗粒表面形成足够的吸附层，增加对石粉、水泥和矿物掺合料的强分散作用;利用缓释基团水解释放的小分子，在颗粒之间形成了空间阻隔作用(图3)。通过分散作用和空间位阻作用双重效应，实现超分散降粘，提高浆体流动性。

③发明泌水抑制剂：通过分子链氢键保水作用、聚合物间相互缠绕与聚合物-胶材间的桥接作用等机理(如图4)，改善浆体稳定性，提高拌合物抗离析、泌水性能，降低聚羧酸减水剂对用水量敏感性，改善混凝土的和易性(表3)。

(2)发明了减缩技术

利用矿渣多孔特性进行饱水储水(图5)，当混凝土内部湿度降低时释放水分，促进胶材持续水化，起内养护作用，减小收缩(图6)。采用高支化、多活性接枝点、高亲水性淀粉为骨架，以带-CONH2等亲水基团的不饱和烃为支链，提供储水与释水动力(图7)，起到内养护作用，避免外养护水难以渗透、不能补充混凝土内部水分损失(图8);结合烷基聚氧乙烯醚等减缩组分，形成内养护型减缩剂。通过控制胶材用量抑制水化温升、掺内养护减缩剂、膨胀剂补偿收缩，三重作用协同降低混凝土收缩，提高了体积稳定性(图9)。

(3)发明了增韧技术

以硅氧烷基团为增韧聚合物主要组分，其在碱性体系中水解生成活性Si-O-基团，参与CSH凝胶的水化过程，使CSH凝胶聚合度增加，同时利用硅氧烷基团的遥爪功能，强化CSH凝胶层间的连接(图10)，提高混凝土韧性指数，实现原位增韧(图11)。

混掺钢纤维与聚丙烯腈纤维，其在混凝土中以三维方式均匀、无序分布形成纤维网，实现空间增韧(图12);聚丙烯腈纤维限制混凝土早期裂纹、钢纤维抑制中后期裂纹并提升强度，达到混凝土全寿命持续强韧化。

(4)提出了人工集料清水混凝土制备方法

通过宏观与微观测试，揭示了纤维素醚与硅灰对混凝土匀质性的影响规律(如图13-图15)，实现对混凝土匀质性的控制：①纤维素醚掺量提高，混凝土粘度值增大，硬化试件上下部位的显微硬度差减小;掺量为5×10-5时，上下部显微硬度差值非常接近，混凝土匀质性很好。②硅灰掺量提高，混凝土粘度值逐渐上升，有效改善粘聚性、抑制粉煤灰上浮，硬化试件上下部位的显微硬度差逐渐减小;掺量为6%时，上下部显微硬度基本一致，粘度值适中，工作性能较好，对匀质性提升明显。

(5)发明了人工集料混凝土配合比设计方法

人工集料表面粗糙、多孔隙，细集料无法充分填充粗集料间的空隙，且粉体材料总量对不同强度等级混凝土拌合物性能影响极大。因此，提出了综合平衡配合比设计方法(图16)：①采用密实骨架堆积法，对集料组成进行初步设计。②基于富裕浆体厚度理论，试验确定富裕系数，一般为1.2～1.3。③根据不同强度等级混凝土的额定粉体材料用量应一致原则，优化各粉体材料的用量。基于该配合比设计方法、开发的高性能化技术，制备出可泵送的C20～C100人工集料高性能混凝土(见表4)。

2.3揭示了人工集料钢筋混凝土结构力学性能

(1)人工集料钢筋混凝土构件压弯力学性能

进行了48件足尺模型试件测试，对比分析了人工集料钢筋混凝土构件与天然集料钢筋混凝土构件，受压、弯力学性能差异(图17-图19)：人工集料构件轴压极限承载能力较天然集料构件提高5～15%，小偏压时极限承载力约提高50%，受弯极限承载能力提高2～7%，且试验结果与计算结果吻合度高。

(2)人工集料钢筋混凝土构件损伤力学性能

试验表明(图20)，人工集料混凝土与钢筋间的粘结强度较天然集料混凝土提高3%～20%，粘结性能更好;基于试验与参数分析，建立了粘结强度计算方法(式1)。

模拟山区桥梁腐蚀环境及受力状态，开展氯盐-疲劳荷载、冻融-疲劳荷载、碳化-疲劳等环境荷载耦合模型试验，结果如图21-图24所示：人工集料混凝土结构损伤均小于天然集料混凝土，人工集料颗粒多孔多棱角，其“吸水-释水”功能促进水泥水化，使内部结构更致密，减轻钢筋锈蚀、减小混凝土碳化，增强基体、集料和钢筋间的粘结，吸收微裂纹端部应力，延缓疲劳刚度退化，耐久性能优良。

(3)人工集料钢筋混凝土构件抗震力学性能

12件缩尺墩模型拟静力试验表明，人工集料混凝土对提升桥梁结构抗震性能更有利(图25-图28)：人工集料墩与天然集料墩的滞回曲线、刚度退化曲线趋势一致，但较天然集料墩的屈服荷载、极限荷载、延性比和耗能能力提高了10.7%、4.3%、6.0%和58.1%，初始刚度、开裂刚度与屈服刚度提高了18.5%、45.3%和3.5%。

2.4创建了山区桥梁新结构和新工艺

(1)基于人工集料超高强钢管混凝土，助推山区桥梁新结构的诞生

采用钢管混凝土劲性骨架作为钢筋混凝土拱桥的成拱支架，是山区建造大跨拱桥的关键技术。但由于缺乏天然集料，而且既有机制砂混凝土无法满足高强、高流动性要求，因此管内混凝土强度等级低，钢管混凝土劲性骨架承受的外包钢筋混凝土荷载小，主拱需多次分环外包成拱，工期长、风险大、成本高。采用项目开发的超高强高强高流动性人工集料混凝土，形成了钢管混凝土强劲骨架结构，其承受外包钢筋混凝土荷载大，主拱外包混凝土由原来的8环降为2环，工期由12个月缩短为3个月。

(2)基于性能提升技术，助推山区桥梁大体积混凝土降温技术的提出

山区修建大跨桥梁，大体积混凝土构件多，由于水资源稀缺，大体积混凝土降温无法设置冷却水管，且水管安装、水循环和灌浆等工序复杂，质量难以保证。项目提出了人工集料大体积混凝土降温技术：采用综合平衡配合比设计方法，掺加矿物掺和材料，掺多功能复合减水剂，控制水泥用量不超过260kg m3。应用该项技术的桥梁已超过30座，单次浇筑混凝土最大方量达到4万m3、最大跨度达到1100m、最大桥墩高度达到195m、最长使用时间为8年，经多次检查，均未发现任何病害。

(3)基于高性能混凝土材料，助推山区桥梁新工艺的开发

山区桥梁混凝土泵送综合高度已达300m，在高泵压力作用下，浆体进入人工集料孔隙，泵送异常困难。采用项目提出的集料饱水、掺多功能外加剂增稠等系列技术，制备高流动、高保塑的人工集料高性能混凝土，实现了山区桥梁高程远距离泵送施工新工艺与质量控制技术要求，解决了混凝土泵送过程中工作性能劣化而影响施工质量的难题。

为提升桥梁外观质量，采用项目提出的人工集料清水混凝土制备方法、匀质性与体积稳定性控制技术，制备出含气量低、匀质性好、收缩量小的人工集料清水混凝土，结合模型试验与工程实践，提出了山区桥梁人工集料清水混凝土施工新工艺与质量控制技术，提高了桥梁安全性、耐久性与观赏性。

3、成果应用与效益

本项目由四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院主持完成，研究过程中一直得到了四川省交通运输厅、武汉理工大学、华东交通大学、上海三瑞高分子材料有限责任公司、四川川交路桥有限责任公司、攀枝花环业冶金渣开发有限责任公司等单位领导、专家和技术人员全程指导和大力支持，研究成果已在合江长江大桥、叙古高速公路磨刀溪大桥、丽攀高速公路桥梁工程等成功应用，服役最长已超过7年，没有任何病害。取得经济效益达6.4亿元，且节约了资源、保护了环境，经济和社会效益显著。相关成果形成国家发明专利10项、实用新型专利5项;制订地方标准3部、技术指南4册;获得省级工法3项;发表学术论文50余篇;举办学术研讨会6次，培训技术工人10000余人。

参考文献：

1.山区桥梁人工集料混凝土的性能提升技术与应用研究报告(2016.4)