一种桥梁拼接缝早强UHPC材料及其制备方法

技术领域

本发明属于桥梁工程材料技术领域，更具体地，涉及一种桥梁拼接缝早强UHPC材料及其制备方法。

背景技术

桥梁工程中，目前国内外节段预制拼装主要采用的是湿接缝和胶接缝，湿接缝是在两相邻预制梁段预留一定的空间，通过绑扎钢筋和现浇混凝土的形式把预制节段连成整体的接缝，待接缝混凝土达强度后再施加预应力。这种施工方法质量可靠。胶接缝是在两相邻预制梁段之间采用剪力键咬合、匹配面采用胶粘剂粘结，便于施工误差调整；相对于传统湿接缝，胶接缝施工周期明显缩短，且无环境污染。但是现有湿接缝施工进度慢，胶接缝普通钢筋不连续强度降低、环氧接缝胶耐久性差、制造及安装精度要求严苛、受天气及施工操作影响质量控制难度大。

早强UHPC(早强超高性能混凝土)材料是湿接缝中常用的混凝土材料，其制备方法的研究也较为热门，拼接缝专用的早强UHPC材料具有强度高、早期强度发展快、早期加载无强度倒缩、界面粘结能力强、收缩徐变可控、耐久性好等特点，用于拼接缝，能克服现有湿接缝施工速度慢，现有胶接缝普通钢筋不连续、耐久性差、施工精度要求高等缺点，早强UHPC材料既可有效提升接缝的耐久性，又不需要严格的制造和安装精度，可灵活调整结构线形且施工周期短。

传统的早强混凝土或UHPC通过加大胶凝材料的用量(包括硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥或石灰、石膏等)实现早期强度高，但易造成收缩大，早期加载影响后期强度，因此普通早强混凝土，以及现有的早强超高性能混凝土往往具有早期强度高、后期强度低以及早期加载会导致强度倒缩等缺点。混凝土后期强度衰减降低不能满足拼接缝受力的要求，普通的早强混凝土和现有的早强UHPC不能适应湿接缝的需要。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一中或多种，本发明提供一种桥梁拼接缝早强UHPC材料及其制备方法，不仅早期强度高，后期强度继续增加，且早期加载不会导致强度倒缩现象。

为实现上述目的，按照本发明的一个方法，提供一种桥梁拼接缝早强UHPC材料，其特征在于，组分包括硅灰、石灰石粉、水泥、河砂、拌合水、减水剂，其中水泥、硅灰、石灰石粉、河砂、拌合水和减水剂的添加比例为(0.7～1.0)：(0.1～0.2)：(0.1～0.2)：(0.8～1.1)：(0.15～0.20)：(0.02～0.05)。

作为本发明的进一步改进，组分还包括钢纤维，钢纤维根据所需强度不同每方用量范围为150kg～200kg。

作为本发明的进一步改进，所述河砂包括粗砂和细砂，其中所述粗砂的粒径为5mm～60mm，作为粗骨料；所述细砂的粒径小于5mm，作为细骨料。

作为本发明的进一步改进，所述减水剂包括木质素磺酸盐或萘磺酸盐甲醛聚合物。

作为本发明的进一步改进，所述减水剂固含量为23％，减水率超过30％。

按照本发明的另一个方面，提供一种桥梁拼接缝早强UHPC材料的制备方法，包括如下步骤：

S1将水泥、硅灰、石灰石粉、河砂按照(0.7～1.0)：(0.1～0.2)：(0.1～0.2)：(0.8～1.1)：(0.15～0.20)：(0.02～0.05)的比例分别称重后，倒入搅拌机内，干拌第一时间；

S2将70％-80％的拌合水和减水剂混合均匀后缓慢加入到搅拌机内，以135r/min-145r/min的速度湿拌第二时间；

S3加入剩下20％-30％的拌合水，继续搅拌至形成浆体；

S4将所述浆体以240r/min-300r/min的速度快速搅拌第三时间；

S5继续以135r/min-145r/min速率湿拌第四时间，在搅拌过程中缓慢加入钢纤维。

作为本发明的进一步改进，所述第一时间、第二时间和第四时间为2-3分钟，所述第三时间为1-2分钟。

作为本发明的进一步改进，所述钢纤维根据所需强度不同每方用量范围为150kg～200kg。

作为本发明的进一步改进，所述河砂包括粗砂和细砂，其中所述粗砂的粒径为5mm～60mm，作为粗骨料；所述细砂的粒径小于5mm，作为细骨料。

作为本发明的进一步改进，所述减水剂固含量为23％，减水率超过30％。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明的桥梁拼接缝早强UHPC材料，通过优化的组分和比例，1天抗压强度达到50MPa，抗拉强度达到4MPa，早期强度高且早期加载无强度倒缩，提高了施工速度；混凝土扩展度达到750mm延展性好，易于接缝浇筑且接缝界面粘结性能更强，提高了施工质量，减少了施工缺陷。本发明的桥梁拼接缝专用的早强UHPC不仅早期强度高，24小时达到抗压强度50MPa，后期强度继续增加，28天强度可达110MPa以上；且早期加载不会导致强度倒缩现象，使用该种混凝土施工的湿接缝兼具传统湿接缝与胶接缝各自优点，既能达到快速施工的目的，又具备普通钢筋连续、对施工制造精度要求低、耐久性好等优点。

本发明的桥梁拼接缝早强UHPC材料，配比根据颗粒紧密堆积的设计，利用材料的强度和孔隙率呈反比的关系，通过合理的配比降低内部的孔隙率，通过大掺量的惰性材料取代UHPC中的胶凝材料，从而有效降低了UHPC材料的收缩，实现了在低水泥用量的情况下高的力学性能和耐久性能，早期加载不会使后期的强度显著降低。

本发明桥梁拼接缝早强UHPC材料的制备方法，将粒径更大的细集料和胶凝材料一同搅拌，一方面能提高了拌合物和砂浆搅拌机内壁之间的摩擦力，也能提高拌合物之间的摩擦力和剪切力，从而加速了水和减水剂的分散，促进成浆。同时，区别于先将固相(钢纤维、胶凝材料和细骨料)混匀后再加水和减水剂的搅拌工艺，本发明的制备方法先将拌合物搅拌成浆，再加入钢纤维，这是因为成浆的拌合物具有较大的内剪切力，后加入钢纤维，能有效降低进入内部的钢纤维和后加入钢纤维的接触几率，有助于钢纤维的均匀分散。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明为解决普通早强混凝土以及现有的早强超高性能混凝土早期强度高、后期强度低，并且早期加载会导致强度倒缩等缺点，提供一种桥梁拼接缝早强UHPC材料。使用该种混凝土施工的湿接缝既能达到快速施工的目的，又具备普通钢筋连续、对施工制造精度要求低、耐久性好等优点。

本发明桥梁拼接缝早强UHPC材料，组分包括硅灰、石灰石粉、水泥、河砂、拌合水、减水剂、钢纤维，其中水泥、硅灰、石灰石粉、河砂、拌合水和减水剂的添加比例为(0.7～1.0)：(0.1～0.2)：(0.1～0.2)：(0.8～1.1)：(0.15～0.20)：(0.02～0.05)。

超高性能混凝土的超高强度带来了相比于普通混凝土、高强混凝土和高性能混凝土更大的脆性。超高性能混凝土通常通过掺加纤维以改善超高性能混凝土脆性。纤维包括钢纤维、碳纤维和玄武岩纤维等。综合考虑不同纤维增韧效果、成本和对工作性能的影响，本发明的早强超高性能混凝土，优选选用长直镀铜钢纤维，具体参数如下表。

本发明的拼接缝早强UHPC材料的组分中，钢纤维根据所需强度不同每方用量范围为150～200kg。钢纤维为额外添加，每方拼接缝早强UHPC重量在2300kg左右，钢纤维重量在150～200kg。

进一步地，本发明的桥梁拼接缝早强UHPC材料中，河砂包括粗砂和细砂，其中粗砂的粒径为5mm～60mm，作为粗骨料；细砂的粒径小于5mm，作为细骨料，起承力骨架的作用。粗砂，在选择混凝土用砂时，通常，可将粗砂、细砂按适当比例搭配，掺合使用，当砂中含有较多的粗粒径砂，并以适当细粒径砂填充其空隙，则可使砂的空隙率及总表面积均较小，这样不仅水泥浆用量较少，而且混凝土的密实性较好，强度较高。

由于超高性能混凝土的水胶比低，粉体含量高的特点，在制备材料中对减水剂提出了更高的要求，考虑减水剂与水泥相容性，本发明采用的减水剂，包括木质素磺酸盐、萘磺酸盐甲醛聚合物等。其固含量为23％，减水率超过30％。减水剂是一种在维持混凝土坍落度基本不变的条件下，能减少拌合用水量的混凝土外加剂。加入混凝土拌合物后一方面对水泥颗粒有分散作用，能减少单位用水量，改善混凝土拌合物的流动性；另一方面能减少单位水泥用量，节约水泥。

另外，本发明的桥梁拼接缝早强UHPC材料中，水泥应符合现行国家标准GB175《通用硅酸盐水泥》的规定，优选采用采用52.5级水泥；拌合水应符合现行行业标准JG J63《混凝土用水标准》的规定。

本发明的早强UHPC配合比设计是基于最紧密堆积理论，该方法广泛应用指导UHPC的设计和制备，但其具有仅考虑固体颗粒堆积的局限性。实际上，这也是现有绝大多数堆积模型的共有缺陷。超高性能混凝土的制备过程掺加大量的减水剂，减水剂的引入直接影响固体颗粒的状态，一方面，颗粒表面形成厚度不一的水膜；另一方面，水和减水剂的加入影响了颗粒的粒径分布，水的加入导致颗粒团聚，而减水剂的加入又利于颗粒的分散。

本发明使用二次饱和D-最优设计方法设计超高性能混凝土。二次饱和D-最优设计方法是一种有效的统计设计方法，能够有效地应用到混凝土配合比设计。其本质是通过确定变量与响应之间的关系将混合物设计转化为数学模型。因此，二次饱和D-最优设计方法具有不受原材料状态(固相或液相)的限制的优点。已有文献报道了使用二次饱和D-最优设计方法评价减水剂和水的用量对混凝土性能影响方面的研究，结果表明通过二次饱和D-最优设计方法建模求解能够得到合理的减水剂(水)掺量。得益于二次饱和D-最优设计方法的优点，通过二次饱和D-最优设计能够建立超高性能混凝土各组分(包括液相)与堆积体系(湿堆积密实度)的关系，得出湿堆积密实度最大的超高性能混凝土配合比。具体实现方法为以各组分(减水剂、硅灰、水泥、石灰石和砂)为自变量，湿堆积密实度为因变量；通过分析自变量对因变量的影响，建立模型求解最优解的预测密实度。这样得到的配合比密实度最优，实现高早期强度、高粘结能力、高体积稳定性及高耐久性，实现节段间的高强连接及应力的平顺传输。

通过模型分析，得到了最优的配合比。最紧密堆积理论类似于在单位体积内放入最多的东西，使里面的空隙最小。

本发明的早强UHPC材料配比根据颗粒紧密堆积的设计，利用材料的强度和孔隙率呈反比的关系，通过合理的配比降低内部的孔隙率，通过大掺量的惰性材料(本发明采用的硅灰、细砂、粗砂、石粉等)取代UHPC中的胶凝材料，从而有效降低了UHPC材料的收缩，实现了在低水泥用量的情况下高的力学性能和耐久性能，早期加载不会使后期的强度显著降低。

和现有技术相比，本发明制备的桥梁拼接缝专用的早强UHPC材料1天抗压强度达到50MPa，抗拉强度达到4MPa，早期强度高且早期加载无强度倒缩，提高了施工速度；混凝土扩展度达到750mm延展性好，易于接缝浇筑且接缝界面粘结性能更强，提高了施工质量，减少了施工缺陷。

本发明的桥梁拼接缝早强UHPC材料，其制备方法包括如下步骤：

(1)将水泥、硅灰、石灰石粉、河砂按照(0.7～1.0)：(0.1～0.2)：(0.1～0.2)：(0.8～1.1)：(0.15～0.20)：(0.02～0.05)的比例分别称重后，倒入搅拌机内，干拌均匀，搅拌时间优选为2-3分钟；

(2)按照步骤(1)中搅拌均匀后，将70％-80％的拌合水和减水剂混合均匀后缓慢加入到搅拌机内，以135r/min-145r/min的速度湿拌2-3分钟；

(3)加入剩下20％-30％的拌合水，继续搅拌至形成浆体；

(4)将步骤(3)中的浆体以240r/min-300r/min的速度快速搅拌1-2分钟；

(5)继续以135r/min-145r/min速率湿拌2-3分钟，在搅拌过程中缓慢加入钢纤维。

本发明的桥梁拼接缝早强UHPC材料的制备方法，将粒径更大的细集料和胶凝材料一同搅拌，一方面能提高了拌合物和砂浆搅拌机内壁之间的摩擦力，也能提高拌合物之间的摩擦力和剪切力，从而加速了水和减水剂的分散，促进成浆。同时，区别于先将固相(钢纤维、胶凝材料和细骨料)混匀后再加水和减水剂的搅拌工艺，本发明的制备方法先将拌合物搅拌成浆，再加入钢纤维，这是因为成浆的拌合物具有较大的内剪切力，后加入钢纤维，能有效降低进入内部的钢纤维和后加入钢纤维的接触几率，有助于钢纤维的均匀分散。

步骤(5)中，边搅拌边加入钢纤维有助于让钢纤维更为均匀的分散于混凝土之中，不论是钢纤维先加入后搅拌或后加入钢纤维都容易造成钢纤维的聚集，导致分散不均匀，本发明边搅拌边加入能够有效避免这种不均匀性。

本发明的桥梁拼接缝早强UHPC材料，在应用时，将制备的早强UHPC在湿接缝槽中浇铸成型，表面用塑料薄膜覆盖防止水分挥发，标准养护24小时后拆模。

本发明的桥梁拼接缝早强UHPC材料，早期强度高且早期加载无强度倒缩，施工完成后1天即可张拉预应力，施工周期由7天缩短至1天，大大节省工期，减少建造成本；流动性强且界面粘结力好，易于浇筑，利于混凝土界面结合；耐久性好韧性高，不会成为桥梁的薄弱环节，减少了后期维养工作量。拼接缝钢筋连续，对施工制造精度要求低。

为更好的阐述本发明的材料及制备方法，提供如下实施例：

实施例1

(1)将水泥、硅灰、石灰石粉、河砂按照0.7：0.1：0.1：0.8：0.15：0.02的比例分别称重后，倒入搅拌机内，干拌均匀，搅拌时间2分钟；

(2)按照步骤(1)中搅拌均匀后，将70％的拌合水和减水剂混合均匀后缓慢加入到搅拌机内，以140r/min的速度湿拌2分钟；

(3)加入剩下30％的拌合水，继续搅拌至形成浆体；

(4)将步骤(3)中的浆体以240r/min的速度快速搅拌2分钟；

(5)继续以140r/min速率湿拌2分钟，在搅拌过程中缓慢加入钢纤维。

本实施例中，早强UHPC材料24小时抗压强度达到50MPa，抗拉强度达到5MPa。

实施例2

(1)将水泥、硅灰、石灰石粉、河砂按照0.8：0.1：0.2：1.0：0.18：0.04的比例分别称重后，倒入搅拌机内，干拌均匀，搅拌时间2分钟；

(2)按照步骤(1)中搅拌均匀后，将80％的拌合水和减水剂混合均匀后缓慢加入到搅拌机内，以145r/min的速度湿拌3分钟；

(3)加入剩下20％的拌合水，继续搅拌至形成浆体；

(4)将步骤(3)中的浆体以260r/min的速度快速搅拌2分钟；

(5)继续以145r/min速率湿拌2分钟，在搅拌过程中缓慢加入钢纤维。

本实施例中，早强UHPC材料24小时抗压强度达到52MPa，抗拉强度达到4MPa。

实施例3

(1)将水泥、硅灰、石灰石粉、河砂按照0.9：0.2：0.1：1.1：0.20：0.05的比例分别称重后，倒入搅拌机内，干拌均匀，搅拌时间3分钟；

(2)按照步骤(1)中搅拌均匀后，将75％的拌合水和减水剂混合均匀后缓慢加入到搅拌机内，以145r/min的速度湿拌3分钟；

(3)加入剩下25％的拌合水，继续搅拌至形成浆体；

(4)将步骤(3)中的浆体以280r/min的速度快速搅拌2分钟；

(5)继续以145r/min速率湿拌1分钟，在搅拌过程中缓慢加入钢纤维。

本实施例中，早强UHPC材料24小时抗压强度达到53MPa，抗拉强度达到4MPa。

实施例4

(1)将水泥、硅灰、石灰石粉、河砂按照1.0：0.2：0.1：0.9：0.17：0.03的比例分别称重后，倒入搅拌机内，干拌均匀，搅拌时间2分钟；

(2)按照步骤(1)中搅拌均匀后，将75％的拌合水和减水剂混合均匀后缓慢加入到搅拌机内，以140r/min的速度湿拌2分钟；

(3)加入剩下25％的拌合水，继续搅拌至形成浆体；

(4)将步骤(3)中的浆体以280r/min的速度快速搅拌2分钟；

(5)继续以140r/min速率湿拌2分钟，在搅拌过程中缓慢加入钢纤维。

本实施例中，早强UHPC材料24小时抗压强度达到51MPa，抗拉强度达到5MPa。

目前我国基础设施建设向工业化、装配化、绿色建造方向转型，而装配式桥梁将成为桥梁建造的主流。拼接缝作为装配式桥梁上部结构的核心，其施工工期与质量是整座桥梁的控制因素。本发明的拼接缝专用的早强UHPC材料完美契合建造需求，实用性强。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。