摘要
新泽西护栏因安全保护性好，成为公路中央分隔带最常用的护栏形式。针对新泽西混凝土预制护栏降本提质、高效快速制备工艺与质量问题，该文采用新泽西预制护栏自动化生产工艺，优化预制护栏用混凝土配比，并研究其性能。试验结果表明：设计的 C30混凝土中，掺入 15% 粉煤灰的混凝土，其抗压强度达到 39.2 MPa，坍落度达到 185 mm，混凝土性能符合布料要求；对比传统振捣棒与整体振捣台成型的混凝土抗压强度，整体振动台成型混凝土各龄期抗压强度高于振捣棒成型，且变异系数更小；整体振捣台成型的混凝土各龄期电通量更小，具有更好的抗氯离子渗透性；调节粉煤灰掺量对混凝土配合比进行优化，并结合整体振动振捣成型技术的应用，减少了混凝土气孔和孔隙大小，提升了混凝土的抗压强度和耐久性，能高效、经济的获得满足护栏高性能要求的混凝土。
Abstract
New Jersey safety barriers are the most commonly used form of guardrails in highway median separators due to their excellent safety protection. In response to the cost reduction and quality improvement， efficient and rapid preparation process， and quality issues of New Jersey precast concrete safety barriers， this article adopted the automation production process of New Jersey precast safety barriers， optimized concrete mix proportion for precast safety barriers， and studied their performance. The experimental results show that in the designed C30 concrete， the compressive strength of the concrete mixed with 15% fly ash reaches 39.2 MPa， and the slump reaches 185 mm. The concrete performance meets the requirements of the fabric. Compared with the compressive strength of concrete formed by traditional vibrating rods and integral vibrating tables， the compressive strength of concrete formed by integral vibrating tables at all ages is higher than that formed by vibrating rods， and the coefficient of variation is smaller. The concrete formed by the integral vibrating table has a smaller electrical flux at each age and better resistance to chloride ion penetration. Adjusting fly ash dosage to optimize the concrete mix proportion and applying integral vibrating compaction technology reduce concrete porosity and pore size， improve the compressive strength and durability of concrete， and efficiently and economically obtain concrete that meets the high-performance requirements of guardrails.
0 引言
近年来，中国公路里程和车辆保有量增长迅速，公路交通车流量不断增加，高速公路各类交通事故也逐渐增多，发生车辆损坏、道路破坏和人员伤亡等事故不可避免，给个人和社会带来重大损失[1-2]。护栏是公路交通中必不可少的安全防护设施，其主要功能是防止非正常行驶车辆越出路面边界或穿越中央隔离带造成的安全事故[3-5]。新泽西护栏由于其优良的结构特征，具有良好的阻挡功能、导向功能和缓冲功能，且移动性好、经济实用，因而被广泛应用于高速公路中央分隔带[6-8]。新泽西护栏都是采用混凝土浇筑而成，长期暴露于日晒雨淋、严寒冰冻、撒盐高氯离子的环境，还需要承担车辆碰撞风险[9-10]，而且传统的生产工艺采用现场绑扎钢筋、现浇混凝土施工，增加了施工工期和成本。因此，高质量的混凝土配比、高效且经济的生产工艺，是研究新泽西护栏的一个重要方向。
一直以来，许多学者对护栏质量提升进行研究。例如：Mohammed 等[11] 采用发泡聚苯乙烯为原料，通过新型材料优化混凝土并浇筑成型护栏，这种方法改善了护栏的回弹性能，碰撞能量更易被吸收，提高了护栏的防护作用；Konrád 等[12]提出了一种由高性能纤维增强混凝土制成的移动式护栏，纤维的添加增加了混凝土的韧性，碰撞能力更易被吸收，该方法提升了护栏的碰撞性能；刘家宝等[13]研究利用抛填骨料工艺提升混凝土护栏抗盐冻性能效果，结果表明：抛填骨料工艺可有效提高混凝土的抗冻耐久性，但当抛填率超过一定程度后，对抗盐和抗冻性能的提升作用减弱；耿斌斌等[14]研究橡胶混凝土护栏碰撞效果，结果表明：当混凝土中细骨料依次换成 10%、15%、20% 的橡胶颗粒后，碰撞后汽车加速度改变量减小、汽车所受最大压力逐渐减小，混凝土护栏能满足防护要求；陈捷[15]研究了新泽西护栏滑模成型及混凝土配比，优化的 C30 混凝土对护栏工程滑模摊铺具有较好的工艺适应性，并在工程中得到应用。其他研究包括应用有限元软件对护栏进行建模和碰撞分析，进而优化护栏结构[16-17]。由研究现状可知，长期以来，护栏的研究主要集中在混凝土材料、护栏结构设计、防撞性能等方面。针对新泽西护栏预制护栏混凝土配比、自动化制备工艺，以及面向具有振动平台振捣布料的自动化平台的混合料配比研究较少。因此，本文以新泽西混凝土预制护栏为研究对象，从抗压强度、坍落度等方面对新泽西预制护栏的混凝土配合比进行优化，对比不同成型方式混凝土的抗压强度、耐久性指标，为自动化生产线生产新泽西预制护栏提供技术保障。
1 材料与试验
1.1 试验原材料
根据护栏设计要求采用 C30混凝土。水泥为普通硅酸盐水泥（P·O42.5，崇左南方水泥有限公司生产），其基本性能指标见表1；骨料为 5~25 mm 连续级配骨料（广西崇左的石灰岩碎石粗骨料），由 5~10 mm、10~20 mm 和 20~25 mm 3 档料组合，级配比 1∶5∶4，级配如图1所示；粉煤灰选用百色百矿-F 类二级，分别掺加了 0、10%、15%、20%、25% 比例粉煤灰进行配合比试验，粉煤灰的基本性能见表2；中砂采自崇左鑫盛采砂场，细度模数为 2.8；减水剂采用 TK-PCA 聚羧酸高性能减水剂；试验用水为普通自来水。
表1 水泥的性能指标
Table1 Performance indicators of cement
图1 混凝土骨料的级配
Figure1 Grading of concrete aggregates
表2 粉煤灰的性能指标
Table2 Performance indicators of fly ash
1.2 混凝土制备与测试方法
在新泽西混凝土预制护栏自动化线生产中，需先确定混凝土配合比及性能，然后再进行规模化快速生产，如图2所示。按照工程 C30 混凝土设计要求和《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG 3420—2020）[18] 对 C30 混凝土配合比进行了设计，并采用普通拌和设备进行搅拌。在试验样品的测试中，分别采用整体振捣和振动棒振捣方式，对比拌和物和硬化后的性能。混凝土样件均采用边长为 150 mm 的立方体标准试件并进行标准养护，试件抗压强度采用 DYE-2000 电液式恒压载压力试验机进行测试，每个工况均取 3 个平行试件强度的平均值作为最终结果，坍落度测试等按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG 3420—2020）进行。
图2 新泽西护栏自动化生产线
Figure2 Automation production line of New Jersey safety barrier
2 整体振捣与振动棒振捣机理
2.1 护栏布料平台整体振捣机理
在护栏自动化生产线中，导轨在整个生产过程中都承担着模具车输送的任务。模具车布料区域中，在直线导轨内侧依托底座建立 1 个振动台，振动台主要由振动电机安装板、升降架、空气弹簧组成。工作时，当模具车在模具车输送轨道的作用下被输送至升降架的上方时，空气弹簧充气，从而带动升降架向上运动，将模具车顶起并脱离直线导轨；然后开启振动电机，利用空气弹簧自身的气体压缩性吸收激振力而带动升降架振动，从而对升降架上的模具车进行振动，布料平台整体振捣原理见图3。在此过程中，通过颗粒、骨料、钢筋笼等位移，排出气泡，优化骨料堆叠，填充颗粒，从而使模具车内的混凝土拌和料趋于密实。
2.2 振动棒振捣机理
混凝土振动棒是一种使混凝土密实的机械装置，通常由软管部分和工作部分组成。其中，软管部分多用于布线和拖拽；工作部件为棒状的空心体，内部通常设计为偏心轴结构，在高速电机的驱动下工作。其在作业中具有高频率振动低幅值特征，振动可达 1 万次/min，该类振动以振动能量的形式传递给混凝土，以振动棒为圆心，常用振动棒传递半径大约 30 cm，振动棒布料模具作业见图4。在护栏制备中，先按照要求将钢筋笼安置在护栏模具中，再对模具进行布料，然后采用人工操作的方式插入振动棒进行振捣。对于标准的 4 m 护栏，需 2 个振动棒从两对角作业，并逐步向中间，尽量不触及钢筋笼。在规定时间内，以混凝土表面平整无气泡外冒作为振捣工艺停止的标准。
图3 布料平台整体振捣平台示意图
Figure3 Integral concrete vibrating table of fabric platform
图4 振动棒振捣生产护栏
Figure4 Production of guardrails with a vibrating rod
3 试验结果分析与讨论
3.1 混凝土配合比优化
3.1.1 混凝土配合比设计
在混凝土中，掺入粉煤灰，能够减少水泥使用量，节约成本，并提升水泥熟料的水化速度，促进自身反应。所配制的混凝土用于自动化生产线制备新泽西预制护栏，该自动生产线采用敞口下落式自动布料，混凝土倒入开合模具后采用整体式振捣平台振动，拌和料要易于下落且能在正常下料速度下“起堆”，通过配合比控制混凝土的和易性尤其重要。新泽西护栏被广泛应用于高速公路中央分隔带，要求其刚性、防撞性相对较高，且在重大撞击事故中安全性较好，对其强度、尺寸误差等要求也高。结合上述要求，根据粉煤灰对混凝土的调制特征，在 C30 混凝土中掺入 5 种配比（0、10%、15%、20%、25%）的粉煤灰，以期达到节约水泥和提升性能的目的。C30 混凝土中不同掺量粉煤灰的配比设计见表3。
表3 不同掺量粉煤灰 C30 混凝土配合比
Table3 Mix proportions of C30 concrete with different dosages of fly ash
3.1.2 混凝土性能评估
表4及图5、6为不同掺量粉煤灰 C30 混凝土的性能对比。
表4 不同掺量粉煤灰 C30 混凝土性能
Table4 Performance of C30 concrete with different dosages of fly ash
由表4可知：当粉煤灰掺量为 0、10%、15%、20% 和 25% 时，新拌混凝土拌和料含气量随之下降，但 15% 掺量后，变化不明显。另外，不同掺量下的气泡孔径分布也发生改变，试验中拌和料（整体振捣）随着粉煤灰掺量的增加，新拌混凝土的较大气泡（孔径大于 500 μm）减少而保留更多的微小气泡（孔径小于 200 μm），气泡间距系数降低，表明：粉煤灰在混凝土中具有孔隙填充效果。
图5 不同粉煤灰掺量 C30 混凝土强度变化
Figure5 Change in strength of C30 concrete with different dosages of fly ash
图6 不同粉煤灰掺量 C30 混凝土坍落度变化
Figure6 Change in slump of C30 concrete with different dosages of fly ash
从表4和图5可知：无论是否掺入粉煤灰，混凝土的强度都是随着龄期的增加而增大。在混凝土的低龄期（3 d、7 d、28 d），随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的抗压强度呈降低趋势，掺量从 0 增加到 25%，3 d、 7 d 和 28 d 强度分别降低了 17.2%、16.4% 和 11.1%，表明前期水泥的水化反应对混凝土的强度影响更大，而随着时间和龄期的增加，粉煤灰对混凝土的性能影响开始提升；进一步对比 56 d 抗压强度可知，粉煤灰混凝土的强度比纯水泥混凝土升高得快，但粉煤灰掺量超过 15%，56 d 抗压强度增加绝对值逐步变小。从表4和图6可知，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的坍落度呈现下降的趋势，掺量从 0 增加到 25%，坍落度从 198 mm 降低到 163 mm，这主要是因为粉煤灰的掺入导致粉末增加，其吸水性导致拌和料黏聚性增加，最终导致混凝土的坍落度降低。
3.2 整体振捣对护栏混凝土性能影响
3.2.1 抗压强度
选用前述确定的混凝土配比，测试振动棒成型方式下混凝土抗压强度，并与整体振捣下混凝土抗压强度对比，不同成型方式混凝土强度见表5。
表5 不同成型方式混凝土强度
Table5 Concrete strength with different molding methods
由表5可知：从各龄期抗压强度看，每个阶段整体振捣成型混凝土抗压强度都大于振动棒成型，变异系数也减小；取混凝土 7 d 和 28 d 抗压强度进行对比，7 d 抗压强度增加了 8.7%，28 d 抗压强度增加了 8.0%。混凝土试件在养护 7 d 后，拌和物表面达到初凝，处于较密实的塑性状态，振动作用力能使细骨料更好地填充孔隙，使拌和物更加密实，同时水泥的水化反应在不断生成，外加剂也在不断进行化学反应，使混凝土拌和物的强度不断提高。混凝土在养护 28 d 后，水泥与水化学反应已经结束，外加剂化学反应已完成，此时水泥已完全包裹住粗骨料，骨料之间的缝隙被细骨料所填满，混凝土拌和物各项强度指标已基本成型。进一步分析模板中成型结构件，对比不同的成型方式，发现振动台的抗压强度之所以大，是因为模具中各处混凝土激振力分布均匀，不存在振动盲区；而同样受力的试件，由于振捣棒在模板边角位置存在作用力外角，在钢筋结构狭窄区存在振动盲区，在模板边角存在振动力盲区，内部和边角有不均匀的情况，因此抗压强度会低于振动台振动试件。
3.2.2 抗氯离子渗透性能
新泽西混凝土护栏是由混凝土和钢筋骨架组成，在工程应用中，撒盐除雪是一种常见的方法，图7是新泽西护栏的结构示意图和工程应用图，护栏总高度 1 100 mm，最宽处为 325 mm，其中埋入路面之下的高度为 100 mm。由于护栏部分埋入路面中，在此情况下产生氯离子侵蚀不可避免，根据 Fick 第二定律，在 t 时刻，x深度处，混凝土中氯离子浓度公式如下：
(1)
式中：Cs为暴露于混凝土构件表面处的氯离子浓度； Dc 为氯离子扩散系数；erf（⋅）为误差函数，erf（ u）=。
相关研究表明：由于进行干湿交替的氯离子浓度峰值可以看作是毛细管吸附和扩散两种迁移方式，对低孔隙下的抗渗能力影响很大[19]。氯离子侵蚀引起的钢筋腐蚀将导致结构耐久性退化。在混凝土构件中，钢筋锈蚀降低了其自身的力学性能，且混凝土之间的裹紧力也减弱或消失。Mangat 等[20] 研究证实，在钢筋混凝土构件中，腐蚀深度和广度越大，混凝土构件的力学性能越差，并推导出余下承载力的预测模型如下：
(2)
式中：B%为承载力降低百分比；T 为腐蚀时间；D 为钢筋直径；i为腐蚀电流密度。
图7 新泽西混凝土预制护栏
Figure7 New Jersey precast concrete safety barrier
按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082—2009），采用优化的混凝土配比制备 ϕ100 mm×50 mm 的圆柱试件来评估混凝土抗氯离子渗透性能；采用电通量法对整体振捣和振动棒振捣的护栏混凝土的电通量进行对比；使用混凝土氯离子电通量测定仪测定试件在电解质溶液中 60 V 直流电压下 6 h内的电通量。其试验结果如图8所示。
图8 两种成型方式混凝土电通量
Figure8 Two molding methods for electrical flux of concrete
由图8可知：对比振动棒振捣和整体振捣两种成型方式，混凝土 7 d 电通量由 1 923 C 降至 1 522 C；混凝土 28 d 电通量由 1 603 C 降至 1 369 C；混凝土 56 d 电通量由 1 351 C 降至 990 C，电通量下降幅度明显，提高了混凝土抗氯离子渗透性能。其主要原因为：相比于振动棒成型，整体振捣平台激振力更均匀，能使骨料中大小颗粒相互填充空隙，依靠自重达到稳定位置，大量气泡外溢，游离水被挤压上升，粉煤灰的填充效应也使得水泥石和界面结构更加致密，大大降低混凝土的孔隙率，减少孔径尺寸，阻断渗透通路的形成。
4 结论
本文对新泽西混凝土预制护栏的配比进行优化，并对比研究自动化生产工艺整体振捣和人工振动棒成型预制护栏性能，主要结论如下：
（1）新泽西混凝土护栏采用掺入 15% 粉煤灰的 C30 混凝土性能效果和经济性较好，混凝土 28 d 抗压强度达到 38.2 MPa、坍落度为 185 mm。
（2）对比整体振捣和人工振动棒成型的混凝土，整体振捣各龄期混凝土抗压强度都大于振动棒成型。其中，7 d 抗压强度增加了 8.7%，28 d 抗压强度增加了 8.0%，平均变异系数减小了 58%，结果表明整体振捣混凝土更密实、更均匀。
（3）对比振动棒振捣和整体振捣混凝土的电通量，整体振捣下混凝土 7 d、28 d、56 d 电通量下降幅度明显，表明整体振捣下混凝土孔隙率少，混凝土抗氯离子渗透性能更好。
