张小卫 申宏栋 刘济广 何宏伟 焦华喆

摘 要： 大掺量粉煤灰与混凝土水泥反应产生的凝胶可以改善混凝土粘接性能。为了确定粉煤灰掺量范围， 将断裂度作为衡量混凝土断裂性能重要参数，根据混凝土在不稳定状态下的脆性断裂特征，对混凝土路面进行了断裂程度及应力分析，按照大掺量粉煤灰的混凝土界面粘接强度，分析拔出型、断裂型在显微镜下的断裂细微形态。结果表明，粉煤灰掺量为20%时，混凝土路面断裂正应力大于0.8 GPa，剪切应力大于1.5 GPa，混凝土路面抗压强度较大，混凝土路面抗断裂性能最好。随着粉煤灰掺量增加，混凝土路面抗断裂性能逐渐变差。

关键词： 三点弯曲加载；大掺量粉煤灰；混凝土路面；断裂性能

中图分类号： TQ177.6+2

文献标志码： A  文章编号： 1001-5922（2023）08-0162-04

Experimental study on the effect of high content fly ash on the

fracture performance of concrete pavement of elevated bridges

ZHANG Xiaowei1，SHEN Hongdong1，LIU Jiguang2，HE Hongwei1，JIAO Huazhe2

（1.Jiaozuo Qianye New Materials Company，Jiaozuo 454003，Henan China

2.Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，Henan China）

Abstract： The gel produced by the reaction of high content fly ash and concrete cement can improve the bonding performance of concrete.In order to determine the range of fly ash content，the fracture degree was taken as an important parameter to measure the fracture performance of concrete.Based on the brittle fracture characteristics of concrete in unstable states，fracture degree and stress analysis were conducted on the concrete pavement.The micro fracture morphology of pull-out and fracture modes under the microscope were analyzed based on the bonding strength of concrete interface with a large amount of fly ash.The test results showed that when the fly ash content was 20%，the normal stress at fracture of the concrete pavement was greater than 0.8，and the shear stress greater than 1.5.The compressive strength of the concrete pavement was relatively high，and the fracture resistance of the concrete pavement was the best.With the increase of fly ash content，the fracture resistance of concrete pavement gradually decreased.

Key words： three point bending loading;high content fly ash;concrete pavement;fracture performance

將粉煤灰掺入混凝土原材料中，能够填充空隙，使水泥颗粒分散分布，避免出现水化过热而导致混凝土易脆现象发生。混凝土掺入粉煤灰在提高混凝土性能的同时，也可实现对工业废弃物的有效回收，因而在实际工程中，粉煤灰混凝土的使用日益增多。虽然粉煤灰混凝土在节能、改善环境方面具有良好作用，但是因为施工、养护以及使用等原因，还是不可避免地存在着各种各样的问题，进而造成了粉煤灰混凝土的强度和耐久性的下降[1]。由于粉煤灰混凝土属于非均质、非连续的脆性物质，不能实现其内部粒子的充分分散，不能从根本上解决其内在缺陷，仅能控制其裂纹扩展，但不能确保其在外部荷载下不发生破坏，仅能对其塑性、韧性及抗冲击性能有较大改善，因而仍有开裂的问题[2]。

为此，以三点弯曲梁为试验对象，研究大掺量粉煤灰对高架桥混凝土路面断裂性能影响。采用三点弯曲加载试验方式，使用显微镜作为试验结果观察设备，分析不同配合比下的大掺量粉煤灰对高架桥混凝土路面断裂性能影响情况。

1 试验概况

1.1 试验原材料和配合比

试验原材料的选用，如表1所示。

具体配合比，如表2所示。

按照确定的试验材料配合比拌制混凝土，静置待用。

1.2 试件制备

为确保混合后的水泥浆具有较好的流动性能，特制了100 L横向水平强制搅拌机，搅拌机的旋转轴线上装有大旋转刃和小旋转刃，电机速度可调整，最高速度为150 r/min ，搅拌机剖面图如图1所示 。

高架桥混凝土的搅拌工艺：将相应的原料按一定的配比称量后，在水里掺入减水剂，并用玻璃钢杆混合均匀；把混合好的原料倒入搅拌器中，以75 r/min的旋转速度混合1 min，然后加入PVA纤 维，将旋转速度提高到95 r/min，混合1 min[3]；加入一半的溶液，以90 r/ min的速率搅拌1 min，然后加入另一半溶液，以120 r/ min的速率搅拌2 min；将抗拉试件取出12 h，并保存至第28 d，将其打磨平整[4]。

1.3 试件加载装置

使用净度为（230×200×200）mm的特殊钢模对混凝土进行浇筑，在右边的内壁正中央放置一（50×30×200）mm的预制沟槽钢块。浇注前，在试验模子里面放入2 mm厚的钢板。 在钢板的2个表面上涂抹了一层离模剂，等到混凝土达到了初凝状态之后，再把钢板抽出来，在室温下用草垫进行遮盖，48 h之后，再把模具转移到标准养护室中，用水进行28 d的养护，试验样品的生长周期是60 d左右[5-6]。

待试样样品制作完成后，将其放置加载装置机上。

为了弥补试件本身的质量，在试件四分点处采用2根拉杆支撑，装载工具是用工字钢制成的，在这次测试中，它的楔形角度是15°。然后使用2片带滚轮的传力板对有缺口的混凝土进行荷载施加[7]。

在对试件加载过程中，必须确保测试设备的可靠运行，才能确保测试顺利进行。在试件加载装置中，拟采取的是动态加载制度，在对垂直载荷进行作用之后，再对其进行横向载荷作用，其加载方式为逐步加载[8]。在动态试验中，对试验过程中使用的地震动振幅进行了相应的调节。

2 三点弯曲加载试验

2.1 三点弯曲加载试验方法

三点弯曲试验是将横断面为长方形或圆形的试件置于一台测力仪上，调节其跨度，然后对其施加载荷，使其承受一定载荷，直至其变形或破坏为止[9]。

将高架桥混凝土路面断裂韧度作为试验指标，在某大学工程力学实验室进行试验分析，所用到的试验设备如表3所示。

将试件放在试验装置上进行试验时，应注意计算机界面实时获取的试验信息。

试验过程：将2个钢支墩置于试验机承载台上，并在其上设置一个支撑架，二者用螺丝相连，因为试件的安装或拆除都有可能引起支墩的偏差，所以在對每一个试件进行测试之前，都要适时地对支墩的位置进行调节，以确保测试结果的精度[10]。

在预埋裂纹的基底两边贴上一层薄板，再贴上一层有加强筋的加强板，以便安装夹持器；卡子拉伸仪的标准距离为40 mm，测量范围为20 mm[11]。将一块带应变的薄片均匀粘贴在混凝土裂缝的顶部，用来测定裂缝的起裂荷载。在等位移载荷下，载荷的加载速度为0.1 mm/min。利用计算机的数据处理，对每一测点的载荷、应变、裂纹开口位置等数据进行了实时采集[12]。

2.2 试验过程

应用三点弯曲加载试验方式，将试件放置在加载装置上，对其进行物性及几何校正。若想获得较为完备的荷载-位移曲线，需要将混凝土失稳时的脆性破坏特点纳入其中[13]。在加载时，使用分段变频控制方式，在达到峰值载荷之前，使用载荷控制，加载速度为10 N/s，在达到峰值载荷之后，使用位移控制，速度为0.1 mm/min。

混凝土路面断裂度，由以下公式计算：

=  F  max L ch3/2 ·  d 0 h     （1）

式中： F  max  表示施加的最大荷载； L 表示断裂跨度； c 表示制作的试件厚度； h 表示制作的试件高度； d 0 表示初始混凝土路面断裂缝长[14]。

通过对试件破坏面的仔细观察可以看出，在不同的条件下，每一组试件断裂破坏都表现出了大掺量粉煤灰混凝土被拉断现象[15]，造成这种断裂特征的原因很可能是由于大掺量粉煤灰本身的抗拉强度一般较低[16]，其表面粗糙，且有较多的孔隙，这样的结构形式使得砖粒与水泥界面的粘接力较强。

在最大粘接力值与初裂强度值的1.2倍以上时，混凝土具有较强的变形硬化特性，因此，建议将粘接力值与初裂强度值的比值称为应力指数[17]，并将其用作混凝土路面铺装材料的设计指标。应力指数应满足：

f= γ a γ b >g   （2）

式中： γ a、γ b 分别表示粘接力值、初裂强度值； g 表示应力阈值。当实际的混凝土路面拉伸应力指数满足上述公式时，混凝土路面不会发生断裂，一旦不满足上述公式，混凝土路面会发生断裂。

在加载过程中，裂纹会聚集在一起，形成一条主裂纹并向上方扩展，从而引起整个结构的开裂失效[18]，这种开裂方式有别于以粗集料-水泥结合面为主的常规混凝土。采用光学显微镜，对断裂部位的纤维结构进行了分析。通过分析，得出了在水泥路面中添加不同含量的粉煤灰，将路面破坏的损伤机制可划分为“拔出型”和“断裂型”两类，如图1所示。

从图1（a）可以看出，经过对试验结果的分析，认为在水泥石混合料中，掺入一定比例的粉煤灰能够适当提高混凝土抗压强度，提高混凝土韧度。但是，一旦掺入过量的粉煤灰，将会削弱混凝土初期水化度，减弱混凝土与混凝土之间的粘接强度。

从图1（b）可以看出，该试件具有非常显著的破坏作用，纤维端头出现了断裂的迹象。在此破坏方式下，掺入的粉煤灰比例较小，所以此时混凝土水化度相对较强，混凝土与混凝土之间的粘接强度也较强。

3 试验结果与分析

根据试验材料配合比，分析混凝土路面断裂的正应力-剪切应力散点图，如图2所示。

由图2可知，#-3、#-4、#-5配合比试件的粉煤灰掺量分别为50%、55%、60%，断裂强度值较小。由于大掺量粉煤灰的存在，砖粒与水泥石的界面粘接力较弱，在试件受到外界荷载作用时，混凝土路面断裂正应力小于0.8 GPa，剪切应力小于1.5 GPa，试件不具备强抗断裂性能。

#-1、#-2配合比试件的粉煤灰掺量分别为0%、20%，断裂强度值较大。此时砖粒與水泥石的界面粘接力也相对较强，在试件受到外界荷载作用时，#-2配合比试件的散点正应力-剪切应力比#-1配合比试件要大，试件具备强抗断裂性能。

大掺量粉煤灰对混凝土路面断裂度影响，如表4所示。

由表4可知，当粉煤灰掺量为20%时，混凝土抗压强度略低于未掺入粉煤灰混凝土，粉煤灰起到协同作用，同时粉煤灰具有的水化使得混凝土后期强度得以被激发。随着龄期发展，比未掺入粉煤灰混凝土的抗压强度要大。

如果将粉煤灰的掺量提升到50%，那么水泥的用量就会降低，同时其水化产物也会降低，因此无法形成网状结构。粉煤灰用量继续掺入，达到60%，粉煤灰活性较低，生成了分散的凝胶产物，混凝土抗压强度明显下降。

对于5个配合比试件，观测的路面断裂情况，结果如图3所示。

由图3可知，观察这5组试件，发现#-3、#-4、#-5配合比试件中粉煤灰掺量比依次增加，受到外界荷载作用时，配合比试件分别出现裂缝、断口、较大断口；#-1、#-2配合比试件在受到外界荷载作用时，断口表面均未出现明显断裂口。

4 结语

（1）应用三点弯曲加载试验，可在显微镜下就可观察断裂口破坏特征；

（2）当粉煤灰掺量为20%时，混凝土路面抗压强度较大，混凝土路面的抗断裂性能最好；

（3）当粉煤灰掺量在超过20%时，混凝土路面的抗断裂性能随着粉煤灰掺量增大而降低。

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