在桥梁工程中，用连接板替换传统伸缩缝，使整个桥面连续无缝，此连接板称之为桥面无缝连接板。高延性混凝土(high ductility concrete，HDC)是一种纤维混凝土材料，在单轴拉伸作用下极限延伸率不低于0.5%，拉伸过程中呈现多缝开裂特点，且平均裂缝宽度不大于200 μm[1]。桥面无缝连接板位于负弯矩区，在结构设计时通常会在连接板内部配置筋材，提高连接板的承载力和抗裂性能。HDC已成功应用到浇筑桥面无缝连接板，通车运营期间，监测结果表明HDC仍保持优异的性能[2-3]。桥面无缝连接板结构示意图如图1所示。
图1 桥面无缝连接板结构示意图
Fig.1 Schematic of bridge jointless link slab
桥面无缝连接板的早龄期收缩问题应该引起重视，因为收缩会在连接板内部产生拉应变，一旦收缩引起的拉应变超过HDC自身的极限延伸率，会导致连接板开裂，如果裂缝宽度超过一定限值，HDC的拉伸性能会降低，影响桥面无缝连接板的正常使用。HDC不含粗骨料，导致其干燥收缩应变大于普通混凝土。HDC较大的干燥收缩值对于桥面无缝连接板是不利的，加入钢筋或纤维复合筋(FRP)可以减少HDC收缩，降低连接板开裂风险。
已有一些学者[4-7]采用日产可乐丽PVA纤维和精细石英砂等制备HDC，并分析了HDC的干燥收缩性能。刘志凤[4]测试90 d后HDC干燥收缩应变为1 400～1 600 με；钱文文等[5]测得60 d养护后HDC的干燥收缩是2 450～2 840 με；ZHANG et al[6]采用沸石粉作为内养护剂制备HDC，28 d的干燥收缩是618 με；JIANG et al[7]添加膨胀剂制备HDC，90 d的干燥收缩是676 με.学者[4-7]主要测试HDC材料的干燥收缩性能，未考虑配筋对HDC干燥收缩性能的影响，而且制备HDC主要采用日产可乐丽PVA纤维和精细石英砂，成本较高，不利于工程项目的推广应用。郭丽萍等[8]用国产PVA纤维和河砂制备生态HDC(ecological HDC，Eco-HDC)，在Eco-HDC力学性能和耐久性与传统HDC性能相当的前提下，Eco-HDC成本更低，有利于工程应用。本文是基于团队已制备出Eco-HDC材料的基础上进行干燥收缩性能研究。
桥面无缝连接板厚度一般为80～120 mm，筋材保护层厚度越小，连接板的有效截面面积越大，有助于提高弯拉承载力。当保护层厚度较小时，碳化等会降低筋材表面附近的pH值，另一方面Eco-HDC配合比设计中掺入粉煤灰，粉煤灰二次水化会消耗氢氧化钙，降低孔溶液的pH值，若pH值低于11.5，钢筋表面钝化膜破坏，影响钢筋的正常使用。因此为保证桥面无缝连接板的承载力，可以采用耐蚀FRP筋作为增强筋。此外，为保证Eco-HDC与FRP筋协调变形，二者弹性模量需相近，可采用玄武岩FRP筋(BFRP)作为Eco-HDC桥面无缝连接板的增强筋。而目前关于BFRP筋增强Eco-HDC试件的收缩性能报道罕见。
本文首先测试Eco-HDC的干燥收缩，分析其在不同养护龄期下的变化规律；其次研究了不同保护层厚度下BFRP筋增强Eco-HDC的干燥收缩性能，分析了BFRP筋的应变发展趋势；最后提出桥面无缝连接板结构设计中的保护层厚度参数。
1 试验方案
1.1 原材料及配合比
水泥采用南京海螺牌P.II42.5R水泥；粉煤灰选用南京热电厂II级粉煤灰；河砂的最大粒径是1.18 mm，细度模量为1.68，密度是1 570 kg/m3；减水剂采用粉体聚羧酸减水剂；水为自来水；试验用国产PVA纤维的主要性能指标如表1所示。
表1 PVA纤维的性能指标
Table 1 Performance index of PVA fiber
长度/mm平均当量直径/μm密度/(kg·m-3)弹性模量/GPa极限伸长率/%极限抗拉强度/MPa12391300305～8≥1250
根据《公路桥涵设计通用规范》[9]中规定水泥混凝土桥面铺装层的强度等级不低于C40的要求，为保证Eco-HDC桥面无缝连接板与铺装层的强度等级一致，选取Eco-HDC配合比不低于C40，并选择抗拉性能测试中极限延伸率最大的Eco-HDC配合比进行本文试验研究。优选Eco-HDC配合比如表2所示。
表2 Eco-HDC配合比(质量比)
Table 2 Proportion of Eco-HDC mixture (by weight)
水泥粉煤灰砂减水剂水PVA11.50.750.00140.750.052
1.2 试件制作流程
Eco-HDC试件制备流程见图2，采用60 L混凝土搅拌机，搅拌步骤如下：1) 将水泥、粉煤灰、砂子和减水剂混合90 s，使各组分混合均匀；2) 加水搅拌240 s，获得均匀的流动浆体；3) 缓慢加入纤维，搅拌240 s，使纤维均匀分散。装模，振捣，用塑料薄膜覆盖试件表面，静置24 h，拆模。
图2 Eco-HDC试件制备流程
Fig.2 Preparation process of Eco-HDC specimen
1.3 试验方法
Eco-HDC基本力学性能试验参考文献[1]，立方体抗压试验采用100 mm立方体试件，单轴拉伸试验采用狗骨头试件，中间尺寸为13 mm×30 mm×100 mm.
Eco-HDC测定干燥收缩的试件尺寸是100 mm×100 mm×400 mm，采用直径为12 mm的带肋BFRP筋，长度是400 mm，沿长度方向粘贴5个型号为BX120-3AA的应变片，间距是100 mm，应变片通过TDS-303-30静态数字采集仪采集，最终BFRP筋应变分析取5个应变片测试值的平均值。试验设置配BFRP筋和无BFRP筋两种模式，对比BFRP筋对试件收缩的影响；设置BFRP筋的保护层厚度(C)为15 mm、25 mm和35 mm，研究不同保护层厚度下试件和BFRP筋收缩值的变化规律。用于测试收缩性能的试件待拆模后，直接放置于温度为(20±3)℃，相对湿度为(50±4)%的室内进行收缩测试。收缩值采用千分表测量，千分表和采集仪的采集间隔均是24 h，试验进行45 d后因为实验室配电检修断电导致采集仪突然中断，致使试验终止，因此整个试验测试收缩龄期是45 d.具体试验方案如图3所示。在本实验测试龄期45 d基础上先优选BFRP筋保护层厚度，后续将基于优选的保护层厚度参数制备BFRP筋增强Eco-HDC试件，测试长龄期下试件的干燥收缩应变趋于稳定的数值。
图3 BFRP筋增强Eco-HDC试件的收缩测试示意图
Fig.3 Schematic of shrinkage test for BFRP bar reinforced Eco-HDC specimen
2 试验结果及分析
2.1 基本力学性能
Eco-HDC的抗压强度为43.3 MPa，单轴拉伸性能曲线如图4所示，极限抗拉强度为4.59 MPa，极限拉应变为2.02%[10].BFRP筋的弹性模量为43.8 GPa，抗拉强度为716.2 MPa.
图4 Eco-HDC的单轴拉伸性能曲线
Fig.4 Tensile property curve of Eco-HDC
2.2 Eco-HDC的干燥收缩
Eco-HDC在不同龄期下的干燥收缩如图5和表3所示，随着龄期的增加，试件收缩值逐渐增加，但收缩值增加趋势逐渐变缓，经历1 d后的收缩值变化最大。因此，在Eco-HDC桥面无缝连接板浇筑时要注意早龄期养护，尽量减少早龄期Eco-HDC的干燥收缩。值得注意的是45 d龄期后的Eco-HDC试件收缩值并未趋于稳定，后续试验需要测试更长的龄期。
图5 Eco-HDC干燥收缩与养护龄期的关系
Fig.5 Relationship between dry shrinkage and curing age of Eco-HDC
表3 不同养护龄期Eco-HDC的收缩
Table 3 Shrinkage of Eco-HDC with different curing ages
龄期/dSn/μεSn/S45/%1129.524.57247.546.828449.585.045529100
注：Sn—龄期为n时试件的收缩值
随着龄期增长，Eco-HDC试件内部水分随着水泥水化的进行逐渐失去，试件内部毛细管中浸润水形成的弯月面对毛细管壁产生压力，使毛细孔内产生负压，孔壁靠紧，试件处于不断增强的压缩状态，导致其宏观体积缩小[11-12]。在养护初期，试件内外湿度梯度差异明显，水分失去速度很快，导致毛细孔内负压增大，试件收缩很大；随着龄期的增加，试件内外湿度差异逐渐减小，水分失去速度降低，导致毛细孔内负压增加速度减缓，试件收缩趋势逐渐降低。
2.3 BFRP筋增强Eco-HDC的干燥收缩
BFRP筋增强Eco-HDC试件在不同保护层厚度下的干燥收缩如图6和表4所示，为了对比BFRP筋对Eco-HDC收缩的影响，图6中列出了不配筋试件的收缩值。随着养护龄期的增加，BFRP筋增强Eco-HDC试件的收缩值逐渐增加，收缩值增加趋势逐渐变缓，这与素Eco-HDC的收缩规律一致；加入BFRP筋后，BFRP筋增强Eco-HDC试件的收缩值均小于素Eco-HDC的收缩，随着BFRP筋保护层厚度的增加，配筋试件的收缩值逐渐降低。
图6 不同保护层厚度下BFRP筋增强Eco-HDC试件的干燥收缩
Fig.6 Dry shrinkage of BFRP bar reinforced Eco-HDC with different cover thicknees
表4 不同龄期BFRP筋增强Eco-HDC试件的收缩
Table 4 Shrinkage of BFRP bar reinforced Eco-HDC with different age
龄期/dEco-HDCSn/μεSn/S45/%C=15mmSn/μεSn/S45/%C=25mmSn/μεSn/S45/%C=35mmSn/μεSn/S45/%1129.524.5117.324.088.221.335.09.17247.546.8205.942.2170.041.0110.028.628449.585.0390.480.0340.482.1287.374.845529100488.0100414.4100384.1100
随着龄期的增加，Eco-HDC水泥水化失去水分，导致收缩值不断增加。由于BFRP筋的约束作用，配筋Eco-HDC的收缩值较低。与Eco-HDC弹性模量相比，BFRP筋弹性模量较大，变形较小，可以约束Eco-HDC变形，降低Eco-HDC收缩变形。实验中千分表的测试装置位于试件截面正中间，如图3所示，当BFRP筋保护层厚度较小时，BFRP筋离试件中心位置较远，BFRP筋对试件中心部位收缩限制作用较弱，导致千分表测试的配筋试件收缩值较大，这也间接说明BFRP筋对其周围的抗收缩作用较强。
不同BFRP配筋保护层厚度对BFRP筋增强Eco-HDC试件干燥收缩的降低率如表5所示。随着保护层厚度的增加，BFRP筋对试件收缩的降低效果越明显；与保护层厚度15 mm试件收缩值相比，保护层厚度25 mm和35 mm约束试件收缩效果更明显，且随着龄期的增加，这两种保护层厚度对试件收缩约束效果差异性越来越小。主要是随着龄期的增加，试件内外湿度差逐渐减小，Eco-HDC收缩速度变缓，BFRP筋约束试件收缩的速率减缓。
表5 不同保护层厚度对BFRP筋增强Eco-HDC试件收缩的降低率
Table 5 Decrease rate of shrinkage for BFRP bar reinforced Eco-HDC with different cover thicknees %
龄期/dEco-HDCC=15mmC=25mmC=35mm109.431.973.07016.831.355.628013.124.336.14507.821.727.4
注：表中降低率是以Eco-HDC试件收缩值为基准
2.4 BFRP筋的应变趋势
不同保护层厚度下BFRP筋应变随龄期的变化趋势如图7和表6所示，随着龄期的增加，BFRP筋的压应变逐渐增加，养护1～7 d后BFRP筋应变变化最明显，养护7～14 d后BFRP筋应变增加趋势逐渐变缓，经历14～45 d养护后BFRP筋应变增加幅度不大；随着保护层厚度的增加，BFRP筋的压应变逐渐降低，但经历45 d后BFRP筋的压应变数值差别不大。
图7 不同保护层厚度下BFRP筋的应变
Fig.7 Strain of BFRP bar with different cover thicknees
表6 不同龄期下BFRP筋的压应变
Table 6 Compressive strain of BFRP bar with different ages
龄期/dC=15mmBn/μεBn/B45/%C=25mmBn/μεBn/B45/%C=35mmBn/μεBn/B45/%72299.990.32046.084.11693.472.4142457.496.52336.896.11948.283.3452547.51002432.31002339.1100
注：Bn—龄期为n时BFRP筋的压应变
Eco-HDC收缩受BFRP筋的限制，BFRP筋承受压力，导致其产生压应变，BFRP筋的压应变变化趋势不仅与水泥水化有关，还与保护层厚度有关。在养护1～7 d时，试件内外湿度梯度差异十分明显，水分失去速度很快，Eco-HDC收缩很大，导致BFRP筋的压应变增加趋势很明显；在养护7～14 d时，试件内外湿度差降低，水分失去速度减缓，毛细孔内负压增加趋势变缓，Eco-HDC收缩增加趋势较慢，从而导致BFRP筋的压应变增加趋势变缓慢；养护龄期为14～45 d时，试件内外湿度差逐渐减小，Eco-HDC收缩更缓慢，导致BFRP筋压应变增加趋于平缓。
BFRP筋压应变与周围Eco-HDC收缩值有关，Eco-HDC收缩值与其失水速度相关。试件失水由表及里，试件表面失水速度大于内部，当BFRP筋保护层厚度较小时，Eco-HDC失水速度较快，导致其收缩值较大，进而使BFRP筋压应变较大。但随着养护龄期的增加，试件失水速度逐渐降低，水分迁移速度趋于平缓。保护层厚度对BFRP筋压应变的影响较小。
由于BFRP筋增强Eco-HDC试件在养护7 d内的收缩增加速度较快，因此在Eco-HDC桥面无缝连接浇筑完成后在7 d内需注意保湿以减少水分蒸发，防止Eco-HDC早期开裂。
在BFRP筋保护层厚度优选方面，当保护层厚度为15 mm时，试件截面平均收缩值最大，龄期45 d时保护层厚度25 mm和35 mm对试件收缩降低率差异性最小，考虑到较大保护层厚度会使桥面无缝连接板有效受拉区截面面积降低，削弱了连接板弯拉承载力，而且较大的保护层厚度对连接板表面抗裂不利；综合考虑干燥收缩、承载力和抗裂等因素，优选BFRP筋的保护层厚度是25 mm.
3 结论
1) 随着养护龄期的增加，Eco-HDC干燥收缩逐渐增加，在养护1～7 d收缩值的增加速度最快，之后收缩值的增加速度逐渐变缓慢，经历45 d后Eco-HDC收缩值为529 με.
2) 随着龄期的增加，BFRP筋增强Eco-HDC试件的收缩值逐渐增加，收缩值增加趋势在1～7 d时的速度最快，之后增加趋势逐渐变缓，而且BFRP筋增强Eco-HDC的收缩值低于素Eco-HDC；随着保护层厚度的增加，BFRP筋增强Eco-HDC试件的收缩值逐渐降低。
3) 随着龄期的增加，BFRP筋的压应变逐渐增加，养护1～7 d后BFRP筋应变增加趋势最明显，之后压应变增加趋势逐渐降低；随着保护层厚度的增加，BFRP筋的压应变逐渐降低，但经历45 d后BFRP筋的压应变数值差别不大。
4) 在BFRP筋增强Eco-HDC桥面无缝连接板结构设计中，可优选BFRP筋保护层厚度25 mm，可防止连接板在早龄期开裂，又可提高连接板的承载力；在桥面无缝连接板浇筑时，在养护龄期1～7 d时注意保湿，防止干燥收缩引发开裂风险。
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