车桥耦合振动对钢纤维-水泥石界面黏结性能的影响

王育清，梅迎军，王 宇，聂 凯

(1.保利长大工程有限公司，广东 510620；2.重庆交通大学 交通土建工程材料国家地方联合工程实验室，重庆 400074)

随着国家经济快速发展，交通量不断增加，公路桥梁所经受的交通量不断加大，桥梁长时间处于超负荷状态.在环境和荷载的双重作用下，桥梁梁体及桥面铺装容易产生裂缝，使得桥梁在修建不久后出现不同程度的破坏[1-2].钢纤维混凝土是由水泥、粗细集料和随机分布的短钢纤维组合而成，具备优良的力学性能及抗裂性能[3]，钢纤维与水泥石黏结界面是钢纤维混凝土中最薄弱环节[4-6]，对钢纤维的抗裂效果有显著影响.研究发现：车桥耦合振动作用降低了混凝土的力学性能和耐久性，使桥梁修补后易出现再次开裂[7-8]，钢纤维混凝土中纤维与水泥石界面黏结性能是发挥其抗裂性能的关键因素[9-10].

为此，本文对钢纤维混凝土从浇筑到凝结硬化的各阶段进行车桥耦合振动模拟，研究不同时间段微振动对钢纤维-水泥石界面黏结强度的影响规律，并对其机理进行分析，研究成果对掌握车桥耦合振动下钢纤维混凝土的抗裂性能研究具有借鉴意义.

1 原材料、试验方法和方案

1.1 原材料选择

试验选用重庆拉法基P·O 42.5R普通硅酸盐水泥，砂采用细度模数为2.83的黄砂，碎石采用5～20 mm连续级配的碎石.钢纤维由湖北武汉新途工程材料科技有限公司生产，抗拉强度大于980 MPa，混凝土力学性能试验中钢纤维采用长度30 mm、直径0.51 mm的变截形多锚固段钢纤维，单根钢纤维拉拔试验中的钢纤维采用长度50 mm、直径0.96 mm的变截形多锚固段钢纤维，聚合物采用丁二烯/苯乙烯共聚物水溶乳液，乳液含固量为52%，减水剂采用聚羧酸高效减水剂.

1.2 试验配合比

混凝土配合比为水泥∶水∶砂∶碎石=470∶147∶800∶1081，砂率为44%，减水剂含量0.98%.掺入体积掺量0.6%的钢纤维，水泥质量6%的聚合物乳液，钢纤维和聚合物乳液均使用外掺法.混凝土坍落度控制在(100±20) mm，单位用水量扣除聚合物乳液中48%的含水量.混凝土的初凝时间为300 min，终凝时间为470 min.

1.3 力学试验

1) 抗压强度试验.混凝土参照《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13—2009)的方法拌和成型与测试，试验采用的试块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，标准条件下养护至28 d龄期进行试验.

2) 抗折强度试验.试验采用的试块尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，标准条件下养护至28 d龄期进行试验.

1.4 振动拉拔试验

1.4.1 振动参数设计

根据中小跨径桥梁在行车荷载作用下产生的振动频率和振幅特征，选取振动频率为2 Hz、振幅为4 mm(下文以2 Hz-4 mm表示)，以及频率为3 Hz、振幅为4 mm(下文以3 Hz-4 mm表示)，振动方式为振动60 s、暂停60 s，能较好地模拟轻、中交通引起的车桥耦合振动状态[9-10].采用振动台模拟车桥耦合振动，设计初凝前、初凝—终凝、终凝后各振动1 h及持续振动4种工况，具体振动方案见表1.

表1 振动方案

1.4.2 试样制备

试样的尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，成型试样前安装好加工的夹具，并按照《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13—2009)的要求成型试件.试样制备过程中，采用自制模具固定钢纤维，使钢纤维在模拟振动过程中位置不发生改变.1个试样中设置5根钢纤维，有效避免混凝土强度差异对钢纤维与水泥石界面黏结强度造成影响.

为精确控制钢纤维埋置深度，将条形钢板安装在螺杆上形成一个整体，钢纤维由薄板的孔中插入到混凝土中，夹具中条形钢板表面与试件顶部的距离为6 mm，控制钢纤维外露长度来表征插入混凝土中钢纤维长度.同时，将外露的钢纤维用夹子夹住，防止在振动过程中引起钢纤维的上下浮动，影响钢纤维埋入深度.

混凝土试样成型至终凝后1 h，按照表1设定的方案进行振动模拟，之后标准养护至龄期分别为3，28 d时进行拉拔测试.为防止养生过程中钢纤维出现锈蚀，试样养生前用塑料薄膜将钢纤维进行裹覆，拉拔试验前将塑料薄膜拆除.

图1 单根钢纤维拉拔测试

表2 钢纤维混凝土28 d抗压、抗折强度

1.4.3 单根钢纤维拉拔测试

采用自制的钢纤维拉拔夹具固定测试试样，采用万能试验机进行单根钢纤维拉拔试验，测试中保持钢纤维轴向与拉拔方向一致(图1)，加载速率为0.5 mm/min，直至纤维全部拉出.测试完1根钢纤维拉拔试验后，调整试件在夹具中的位置，使得下一根钢纤维轴向与拉拔方向一致，以此类推，直至5根钢纤维全部拉拔完成.

根据拉拔试样测试得到的钢纤维最大拉拔荷载，按照公式(1)计算钢纤维-水泥石的界面黏结强度：

(1)

式中：ffu为钢纤维与基体间的界面黏结强度，MPa；Ffu为钢纤维拔出时的最大荷载，N；uf为钢纤维横截面周长，mm；lfe为钢纤维的埋入长度，mm.

2 试验结果处理与分析

2.1 试验数据分析

钢纤维混凝土28 d龄期的抗压、抗折强度见表2.

试件标准养护3，28 d后进行单根钢纤维拉拔试验，测得2 Hz-4 mm，3 Hz-4 mm振动模拟下的3，28 d的界面黏结强度和最大峰值荷载对应的位移，见表3、表4.不同频率与振幅作用下钢纤维从水泥基体中拔出界面黏结强度和最大峰值荷载对应位移的变化呈现相同的规律性.

表3 2 Hz-4 mm钢纤维从水泥石基体中拔出特征参数

表4 3 Hz-4 mm钢纤维从水泥石基体中拔出特征参数

由表3、表4可得不同时间段振动作用对钢纤维-水泥石界面黏结强度造成的损失，由测试结果得知：

1) 轻、中交通量振动作用在混凝土初凝前，3 d的界面黏结强度分别提高了13.6%，5.2%.交通量越小，对早期界面黏结强度的提高效果越好，但随着龄期的增长，界面黏结强度增强效果逐渐减弱，但仍高于未振组.

2) 与振动作用在混凝土初凝前的界面黏结强度相比，当振动作用在初凝—终凝阶段，界面黏结强度显著降低.轻、中等交通量的3 d界面黏结强度分别降低了16%，16.8%.振动作用在终凝后1 h，也降低了钢纤维-水泥石的早期界面黏结强度，但随着养生龄期的增加，界面黏结强度得到一定的提升.

3) 当凝结期各阶段受持续振动作用时，在轻、中等交通量的情况下，3 d的界面黏结强度分别损失了18.4%，21.2%.表明，在凝结期持续振动对钢纤维-水泥石的界面黏结强度降低影响最大，且交通量越大影响越明显.

2.2 机理分析

1) 初凝前，混凝土中水泥处于水化的诱导前期，随着水化反应生成的水化产物覆盖水泥颗粒表面，使得水化进程暂时静止，且在界面区形成渗透膜.而此时轻微振动会破坏在水泥表面形成的渗透膜，使得矿物离子下沉，水泥颗粒与水接触，重新促进水泥的水化，界面区的水化产物增多，增加钢纤维与界面区的化学黏结力，因此在初凝期振动可使得界面黏结强度增强.

2) 初凝—终凝，此阶段水泥水化加速进行，形成水化凝胶结构，此时凝胶结构较少，在振动的影响下，很容易达到屈服强度而遭受破坏，产生永久性裂缝.而钢纤维-水泥石界面区作为混凝土中最薄弱区域，受振动影响，界面区的水化凝胶结构容易遭受破坏，使得界面区疏松，减小了钢纤维与水泥基体的化学黏结力，降低了钢纤维-水泥石界面区黏结强度.

3) 终凝后1 h，随着水化的进行，界面区已生成大量的水化凝胶结构，钢纤维-水泥石的界面区具有一定的强度，轻交通量的振动参数对界面区的水化凝胶结构破坏较小，钢纤维与水泥基体的化学黏结力损失较小，界面黏结强度损失较小；而中等交通量产生的惯性力较大，容易破坏界面区的结构，降低钢纤维与水泥基体的化学黏结力.

4) 不中断交通的持续振动下，由振动引起的惯性力破坏了界面区生成的水化凝胶结构，且随着振动的持续，界面区的裂缝变大，水化产物无法填充，形成永久裂缝，破坏了界面区的结构，降低了钢纤维-水泥石化学黏结力，使得钢纤维与水泥基体的界面黏结强度降低.因此，持续振动对钢纤维-水泥石的界面性能产生了最不利的影响.

3 结论

本文对不同交通量的车桥耦合振动参数，在凝结期各阶段进行振动模拟，采用单根钢纤维拉拔试验，得到了不同振动时间段经轻、中交通量振动作用前后钢纤维-水泥石界面黏结强度变化规律，并分析了振动对钢纤维-水泥石界面黏结性能的影响机理.主要的研究结论如下：

1) 振动发生在初凝之前，轻交通量的振动提高了钢纤维-水泥石的早期界面黏结性能；振动发生在初凝—终凝期间，显著降低了钢纤维-水泥石的早期界面黏结性能，危害最大；终凝后振动也降低了钢纤维-水泥石的界面黏结性能，危害次之.

2) 凝结期各阶段持续振动，对钢纤维-水泥石的界面黏结性能产生了最不利的影响，且交通量越大，界面黏结性能降低越显著.随着凝结期的增加，振动对早期钢纤维-水泥石的界面黏结性能的不利影响减弱.

3) 修补施工后，建议在初凝—终凝期间关闭交通，终凝后限制交通流量为轻交通标准，有利于钢纤维-水泥石界面黏结性能的发展，提高钢纤维混凝土的抗裂性能.