拌和工艺对STC超高韧性混凝土工作性能的影响分析

徐 池， 祁 涛

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

由“钢桥面+钢栓钉+钢筋网+STC超高韧性混凝土铺装”体系组成的STC复合钢桥面体系是国内首创的解决钢梁疲劳破坏和路面易损坏问题的领先技术，目前已应用于广东马房大桥和湖南株洲枫溪大桥，应用效果良好。

云龙湾大桥位于成都天府新区，衔接益州大道锦江南北两岸，全长1 119 m。主桥一跨跨越锦江水面，孔跨布置为(30+80+205+80+30)m自锚式悬索桥，主桥全长428.35 m，基本与锦江河道正交。主跨跨度为205 m，桥宽48.5 m。主梁为纵横格构式正交异性桥面板钢梁，梁体较柔，活载作用下其变形可达28 cm。钢桥面设计采用STC超高韧性混凝土铺装，铺装的总厚度为4 cm厚SMA-13C沥青混凝土，底层为5 cm厚STC超高韧性混凝土。该项目STC超高韧性混凝土桥面铺装层总面积达15 836 m2，其中STC超高韧性混凝土的设计指标为STC22，即STC超高韧性混凝土的抗压强度不小于120 MPa、抗折强度不小于22 MPa，抗渗性能的级别不低于P20。

结合工程实践，对比分析了钢纤维加料方式对钢纤维均匀性的影响，以及普通搅拌和振动搅拌技术对STC超高韧性混凝土工作性能的影响，总结并得出最佳搅拌工艺。

2 STC超高韧性混凝土的主要特性

2.1 STC超高韧性混凝土材料

STC超高韧性混凝土是由水泥、细骨料、掺合料、钢纤维、减水剂或由上述材料制成的干混料，其首先与水进行混合，然后凝固、硬化后制成为具有高抗压、高抗弯拉强度和高耐久性的水泥基复合材料[1]。与常规普通混凝土相比，用于STC超高韧性混凝土的水泥为低热优质硅酸盐水泥，骨料一般为最大粒径的石英砂(粒径≤2 mm)，掺入大量的石英粉、硅粉、粉煤灰等超细高活性外加剂，根据最密实堆积的原则合理确定其各外加剂的组成比例。

由亚微米颗粒(硅灰)填充微米颗粒(水泥、粉煤灰和矿粉)的间隙，由微米颗粒填充毫米颗粒(骨料)的间隙。由于混凝土组成材料的细度大，在密实级配的条件下，超高韧性混凝土的内部密实度得以大大提高，初始内部缺陷大为减少。同时，由于加入了高性能减水剂和级配钢纤维并使用了极低的水灰比，明显提高了混凝土的抗压及抗弯拉强度，从而获得了其特殊的物理力学性能[2]。

2.2 STC超高韧性混凝土的力学性能

根据《四川省城镇超高韧性组合钢桥面结构技术标准》(dbj51/t089-2018)中的相关规定，STC超高韧性混凝土组合钢桥面结构按混凝土不开裂设计，设计基准期应与主体结构使用寿命一致。针对不配钢筋的STC超高韧性混凝土强度等级，应根据其抗弯拉强度进行划分，各等级STC超高韧性混凝土抗弯拉强度和抗压强度的标准值和设计值不得小于表1。未加筋STC超高韧性混凝土强度等级见表1。

表1 未加筋STC超高韧性混凝土强度等级表

3 钢纤维的喂入方式对钢纤维均匀性的影响

3.1 混凝土加料工艺现状

一次进料法是混凝土搅拌的常规施工方法，即水泥和砂石骨料混合在一起加水搅拌，其缺点为水泥颗粒被砂石骨料包裹，加水后易形成小骨料和絮状结构并被更多的搅拌水包裹。小骨料夹在粗骨料中导致粗骨料粒径越大、小骨料受损的可能性越小，进而降低了混合料的和易性；水灰比越小，这种现象越严重。水泥骨料吸附在骨料上并填充在骨料间隙中，导致包裹在砂中的水泥颗粒相对减少、水泥水化不足，从而降低了混凝土强度[3]。

采用二次加料法施工时，砂和水泥经干混分散后均匀分布。加水时，细骨料中的空气被排出，水泥被包裹在砂的表面形成软水泥浆壳，混合形成均匀的水泥砂浆；当加入残余水和粗骨料时，水泥砂浆可以更容易、更均匀地包裹粗骨料。至此，一次加料法中粗骨料界面厚度不均匀的问题得到了有效的克服，混凝土的整体强度在定量配合比中得到了提高[4]。

3.2 试验时的搅拌工况

基于以上混凝土加料工艺现状，STC超高韧性混凝土一般采用先干拌后水湿拌的搅拌工艺。对比分析了以下两种送料方式：(1)钢纤维采用人工送料；(2) 钢纤维由钢纤维分散器输送。试验采用Jw400立式强制搅拌机，单机搅拌量为0.35 m3。通过研究两种喂料方式下STC超高韧性混凝土混合料的均匀性，以选择最佳的钢纤维喂料方式。

(1) 工况一：加入石英砂、石英粉、硅粉、纳米碳酸钙干混90 s；加入水泥、粉煤灰干拌90 s；然后手动加入钢纤维干混120 s；最后，加入用减水剂和SAP溶解的水，搅拌3 min。

(2) 工况二：先加入石英砂、石英粉、硅粉、纳米碳酸钙干混90 s；加入水泥、粉煤灰干拌90 s；然后用钢纤维分散机加入钢纤维干混120 s；最后，加入用减水剂和SAP溶解的水，搅拌3 min。

3.3 试验结果分析

通过两种工况的拌和试验，STC超高韧性混凝土混合料表露情况分别为：

工况一：STC超高韧性混凝土混合料在人工加料的条件下，混凝土中的钢纤维明显结块和弯曲。

工况二：采用钢纤维分散机投料条件下的STC超高韧性混凝土混合料，其混凝土中的钢纤维均匀分布在混合料中。

3.4 小结

STC超高韧性混凝土搅拌试验结果表明：采取先干拌后加水湿拌的拌和方式，采用钢纤维分散器进行钢纤维投料，拌和料较均匀且钢纤维无明显成团现象。

通过试验确定的拌和工艺为：先加石英砂、石英粉、硅灰、纳米碳酸钙，干拌90 s；再加入水泥、粉煤灰，干拌90 s；再加入钢纤维，干拌120 s；最后加入溶有减水剂、SAP的水，搅拌3 min。

4 搅拌工艺对STC超高韧性混凝土工作性能的影响

4.1 振动搅拌技术

振动搅拌技术是一种新的混凝土搅拌技术，其基本原理是在混合时振动。通过振动和混合的双重作用，材料颗粒相互猛烈碰撞，从而加强混合物的对流和扩散，最终达到整体均匀性。振动技术对搅拌过程的影响主要体现在以下几个方面：增强骨料颗粒的运动，破坏水泥团聚体，使水泥颗粒均匀地分散在混合料中；降低混合物组分之间的黏度和内耗，增加活化分子的数量，加速材料的对流和扩散，同时加强搅拌剪切效应；由于混合物的运动被加速，增加了颗粒之间的有效碰撞时间并增强了水合反应[5]。

4.2 试验方法

基于以上振动搅拌技术，深入研究了振动搅拌对STC超高韧性混凝土工作性能的影响，对比分析了普通搅拌、振动搅拌下STC超高韧性混凝土坍落度、含气量、抗压强度、抗折强度等的变化情况。

采用振动搅拌机用于成型。关闭振动为常规静力搅拌；打开振动为振动搅拌；搅拌过程中，加入石英砂、石英粉、硅灰、纳米碳酸钙干混90 s，水泥、粉煤灰干混90 s，钢纤维干混120 s，最后加入溶有减水剂和SAP的水，搅拌3 min后将成型的试样放入标准养护室进行标准养护。

4.3 试验结果分析

(1)振动搅拌对STC超高韧性混凝土工作性能的影响。 STC超高韧性混凝土采用振动搅拌和普通搅拌两种方式。振动搅拌的振动加速度为19.6 m/s2，普通搅拌为静力混合。两者的其他工艺参数相同。两种搅拌工艺下新拌STC超高韧性混凝土的工作性能见表2。

表2 两种搅拌工艺下新拌STC超高韧性混凝土的工作性能表

从表2中可以看出：

①与普通搅拌相比，振动搅拌下新拌STC超高韧性混凝土的坍落度、膨胀率和含气量分别提高了5.2%、3.3%和8.1%，倒置坍落度筒的排空时间缩短了29.6%。

②试验结果表明：在振动搅拌作用下，颗粒的微观结构分散更均匀，振动搅拌下新拌STC超高韧性混凝土的流动性、黏结性和稳定性更好。

(2)振动搅拌对STC超高韧性混凝土抗压和抗折强度的影响。在普通搅拌和振动搅拌条件下，两种搅拌工艺下STC超高韧性混凝土的抗压强度、抗折强度和分散系数见表3。

表3 两种搅拌工艺下STC超高韧性混凝土的抗压强度、抗折强度和分散系数表

从表3中可以看出：

①与普通搅拌相比，振动搅拌条件下3 d、7 d和28 d时STC超高韧性混凝土的抗压强度分别提高了3.5%、4.9%和5.6%；分散系数分别降低了18.6%、16.2%和15.4%；从整个生命周期看，其平均抗压强度提高了4.7%，分散系数降低了16.7%。

②与普通搅拌相比，振动搅拌条件下3 d、7 d和28 d时STC超高韧性混凝土的抗折强度分别提高了2.9%、4.6%和6.8%，分散系数分别降低了23.5%、21%和22.5%。从整个寿命周期看。其抗弯强度提高了4.8%，分散系数降低了22.3%。

③对于STC超高韧性混凝土，振动搅拌可以提高其抗压强度和抗折强度，分散系数亦显著降低。从钢纤维形成高性能混凝土的机理看，钢纤维起到了加强混凝土材料之间连接的作用，但传统的搅拌方法难以保证钢纤维的均匀搅拌和水泥等粉末颗粒的均匀分散。特别需要指出的是：振动搅拌是在普通搅拌的基础上进行的，其解决了传统搅拌方式易使水泥粉颗粒和钢纤维高性能混凝土结块的缺点，宏观上表现为强度提高，分散系数降低[6]。

4.4 小结

试验结果表明：振动搅拌相比普通搅拌，可以提高STC超高韧性混凝土的流动性、抗压强度及抗折强度，且其抗压、抗折离差系数变小，说明在混凝土拌和中加入振动效果，可以使各组成材料分散度较好，避免了水泥等粉末颗粒发生团聚现象，并保证了水泥浆与细集料均匀包裹，使钢纤维的分布更加均匀且乱向，与其他各组成材料的联系更紧密。

5 结 语

针对STC超高韧性混凝土的拌和施工，利用钢纤维分散器辅助加料，采用先干拌后加水湿拌的工艺及振动搅拌工艺，可有效提高钢纤维在混凝土拌和物内的均匀分散性，同时改善混凝土的各项工作性能。

针对正交异性钢桥面板易出现疲劳开裂的质量问题，新型STC超高韧性混凝土复合钢桥面铺装方案以其高抗压强度、高抗弯拉强度及高耐久性等特点必将逐步被推广使用。所取得的分析成果不仅在所依托的工程项目建设中起到了重要的指导作用，而且可为类似工程项目提供借鉴和参考。