摘要: 橋面鋪裝層是橋梁行車體系的重要組成部分, 它對橋梁耐久性, 保證行車安全、舒適度以及提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益有著極其重要的作用。文章闡述了微膨脹劑聚丙烯纖維在提高橋面鋪裝混凝土的抗裂性、抗?jié)B性、抗沖擊性, 增加混凝土的韌性的作用。
關(guān)鍵詞: 巴東長江大橋; 微膨脹劑; 聚丙烯纖維; 橋面鋪裝
中圖分類號: U443.31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B
1 概況
巴東長江公路大橋是國道209 在鄂西部跨越長江的一座特大型橋梁, 主橋?yàn)?0m+130m+388m+130m+40m的5 跨連續(xù)雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋, 北岸引橋?yàn)?×40mT 梁, 橋長900.6m, 橋面寬19m( 不含錨索區(qū)) 。巴東長江公路大橋橋面鋪裝層采用100mm 厚C40防水混凝土。本文結(jié)合巴東長江公路大橋橋面鋪裝施工, 微膨脹聚丙烯纖維混凝土在橋面鋪裝中的作用。
橋面鋪裝層長期置于自然環(huán)境中, 承受著以交通為主的載荷—卸荷的作用, 因此, 要求橋面鋪裝混凝土具有足夠的抗彎拉強(qiáng)度、低的脆度系數(shù)、高的抗沖擊性能和優(yōu)良的耐磨性能。在橋面鋪裝層中用微膨脹劑替代部分水泥, 減少了混凝土的干縮裂縫, 增強(qiáng)了混凝土結(jié)構(gòu)的抗阻裂能力, 同時(shí), 在橋面鋪裝層中摻入一定數(shù)量的聚丙烯纖維對混凝土的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有很大改進(jìn), 增強(qiáng)了混凝土結(jié)構(gòu)的抗疲勞、抗沖擊、耐磨損和抗阻裂能力,從而滿足橋面鋪裝對韌性、抗裂性能的需要。
2 微膨脹劑的防水機(jī)理
UEA 混凝土膨脹劑(英文名United Expansion Agent,簡稱UEA) 是由硫鋁酸鈣熟料或硫酸鋁熟料與石膏組成的復(fù)合型膨脹劑, 它的防水原理是: 將UEA 加入普通混凝土中, 拌水后產(chǎn)生大量膨脹性結(jié)晶水化產(chǎn)物: 鈣礬石, 使混凝土產(chǎn)生適度膨脹, 其自由膨脹率εl =0.04%～0.06%, 在鋼筋和鄰位的約束下, 其限制膨脹率εz=0.02%～0.04%, 可在混凝土中建立0.2～0.7MPa 的預(yù)壓應(yīng)力, 從而抵消混凝土在硬化過程中產(chǎn)生的全部或部分拉應(yīng)力, 達(dá)到抗裂的目的。此外, 普通混凝土系非勻質(zhì)多孔結(jié)構(gòu), 內(nèi)部存在著許多毛細(xì)孔、沉降孔隙和接觸孔,是滲水通道。UEA 補(bǔ)償收縮混凝土水化硬化時(shí)產(chǎn)生的鈣礬石晶體是針狀或細(xì)柱狀結(jié)構(gòu), 在有限制的情況下, 鈣礬石晶體在這些孔隙或微裂縫內(nèi)生長, 起到填充、堵塞或切斷毛細(xì)孔等滲水通道的作用, 使水泥石的總孔隙率降低, 而且孔徑變小, 形成致密的水泥石結(jié)構(gòu), 從而大大提高混凝土的抗?jié)B能力。
在混凝土中用微膨脹劑替代部分水泥阻裂效應(yīng)的意義不僅在于有效地阻止了早期混凝土塑性裂縫的發(fā)生和發(fā)展, 更在于通過提高材料介質(zhì)的連續(xù)性, 能使硬化后混凝土的性能得到顯著改善。對于橋面混凝土, 由于所承受的彎拉荷載和反復(fù)沖擊荷載, 對混凝土內(nèi)原生裂隙數(shù)量和尺度的敏感性較高, 原生裂隙在數(shù)量和尺度上的減小對提高其使用性能是非常有利的。抗動(dòng)荷載能力的強(qiáng)弱更接近真實(shí)的材料使用性能水平, 而小試件抗壓或抗折強(qiáng)度則是在試驗(yàn)機(jī)加載速率下測得的準(zhǔn)靜載強(qiáng)度。
3 微膨脹混凝土的抗裂性
添加膨脹劑配制成膨脹混凝土, 較成功地解決了混凝土的開裂問題, 但膨脹劑混凝土有一定的應(yīng)用范圍和使用條件, 并且需要較為嚴(yán)格的養(yǎng)護(hù)措施, 否則不僅不能防裂, 反而有可能使混凝土出現(xiàn)裂縫?；炷恋拈_裂會(huì)引起橋面鋪裝層在使用過程中過早出現(xiàn)斷角、碎裂等病害。這些病害的出現(xiàn), 不僅影響了車輛的正常行駛,妨礙了交通安全, 而且雨水很容易滲透到橋梁內(nèi)部, 從而危害橋梁的耐久性。因此, 對于橋面鋪裝層混凝土的開裂問題要予以足夠的重視。
混凝土的干燥收縮開裂, 主要是由干毛細(xì)管壓力造成的?；炷林械拿?xì)管孔隙, 在混凝土干燥過程中逐步失水, 毛細(xì)管也逐步變形, 產(chǎn)生很大的毛細(xì)管張力,混凝土產(chǎn)生體積收縮( 外觀體積收縮<0.2%) 。如果混凝土中用水量增加, 水灰比增大, 毛細(xì)管孔隙也增多, 混凝土體積收縮增大, 會(huì)產(chǎn)生干燥收縮裂縫。
混凝土發(fā)生收縮變形時(shí), 由于周圍存在約束, 內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力( 拉應(yīng)力) , 這個(gè)應(yīng)力超過混凝土材料的抗拉強(qiáng)度, 就發(fā)生收縮開裂。摻入膨脹劑的混凝土是通過化學(xué)反應(yīng)生成膨脹性的AFt 晶體, 以膨脹受約束而產(chǎn)生的壓應(yīng)力抵消了部分因干縮而產(chǎn)生的拉應(yīng)力, 從而達(dá)到阻裂作用。膨脹劑的加入, 可以使混凝土的塑性裂縫減少約25%～30%。
4 聚丙烯纖維混凝土的防水機(jī)理
混凝土中摻入聚丙烯纖維后, 可以迅速而輕易地與混凝土材料混合, 分布極其均勻、徹底, 每立方厘米的混凝土中有將近20 條纖維絲, 故能在混凝土內(nèi)部構(gòu)成一種均勻的亂向支撐體系。纖維的加入猶如在混凝土中摻入巨大數(shù)量的微細(xì)筋, 這些纖維筋抑制了混凝土開裂的過程, 提高了混凝土的斷裂韌性, 因此, 在混凝土中加入聚丙烯纖維, 是控制混凝土塑性收縮、干縮等非結(jié)構(gòu)性裂縫的有效手段。同時(shí), 均勻分布在混凝土中彼此相粘連的大量纖維起了“ 承托”骨料的作用, 降低了混凝土表面的析水與集料的離析, 從而有效地提高了混凝土的抗?jié)B能力。
聚丙烯纖維混凝土阻裂效應(yīng)的意義不僅在于有效地阻止了早期混凝土塑性裂縫的發(fā)生和發(fā)展, 更在于通過提高材料介質(zhì)的連續(xù)性, 能使硬化后混凝土的性能得到顯著改善。對于橋面混凝土, 由于所承受的彎拉荷載和反復(fù)沖擊荷載, 對混凝土內(nèi)原生裂隙數(shù)量和尺度的敏感性較高, 原生裂隙在數(shù)量和尺度上的減小對提高其使用性能是非常有利的。雖然摻入聚丙烯纖維對混凝土的靜載強(qiáng)度無顯著影響, 卻能使混凝土的抗沖擊能力和抗疲勞能力顯著提高。
5 聚丙烯纖維混凝土阻裂作用機(jī)理
聚丙烯纖維的彈性模量較低, 且在混凝土中的摻量也較低, 它的主要作用是減少混凝土的收縮變形量, 提高混凝土的早期抗裂性, 增強(qiáng)混凝土抵抗溫度應(yīng)力和溫差變形的能力。具體說來, 聚丙烯纖維在混凝土中主要效用有:
(1) 減少泌水, 提高混凝土的工作性。聚丙烯纖維混凝土的工作性良好, 聚丙烯纖維摻入后顯著降低了混凝土的泌水性。
(2) 眾多亂向均勻散布的聚丙烯纖維在混凝土中形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 起到了支撐集料的作用, 阻止了粗、細(xì)集料的下沉, 減少了離析, 提高了混凝土的均質(zhì)性,故而也就減少甚至完全阻止了混凝土表面裂縫的產(chǎn)生。
(3) 減少混凝土體積收縮變形量。
(4) 減少原始微缺陷, 改善混凝土的抗裂性能。
(5) 聚丙烯纖維的摻入, 使混凝土早期彈性模量降低, 因而降低了混凝土中的拉應(yīng)力; 混凝土的變形能力增強(qiáng), 減少了混凝土早期塑性開裂的概率。
(6) 阻止混凝土內(nèi)微裂縫的形成與擴(kuò)展?；炷林形⒘芽p的形成與發(fā)展在3～7 天內(nèi)可大致完成, 此時(shí)混凝土的抗拉強(qiáng)度小于1MPa, 而聚丙烯纖維的抗拉強(qiáng)度大于500MPa, 因而它可以阻止混凝土內(nèi)微裂縫的形成與擴(kuò)展, 尤其是有效抑制了連通裂縫的產(chǎn)生, 從而使混凝土中直徑大于50nm 的孔隙的含量大大降低, 提高了混凝土極限拉伸應(yīng)變和斷裂能, 極大地提高混凝土的抗?jié)B能力, 自然也就可以起到防水的作用。
(7) 減少混凝土表面與內(nèi)部應(yīng)力梯度, 應(yīng)力松弛增大, 殘余拉應(yīng)力減小。
綜上所述, 膨脹劑聚丙烯纖維使混凝土中原始缺陷減少, 微觀性能得到改善, 混凝土的早期阻裂能力增強(qiáng)。從阻裂的角度看, 宜選用直徑細(xì)的纖維, 因?yàn)槔w維摻量一定時(shí), 纖維越細(xì), 單位體積混凝土中纖維的根數(shù)越多, 纖維的間距越小, 阻裂效果越明顯。
6 混凝土橋面的施工
6.1 材料
(1) 水泥: 葛洲壩水泥廠生產(chǎn)的“ 三峽”牌42.5 普通硅酸鹽水泥, 強(qiáng)度為: 3 天抗折5.3 MPa, 3 天抗壓27.2 MPa, 28 天抗折9.8 MPa, 28 天抗壓58.3 MPa。
(3) 外加劑: 武鋼浩源外加劑廠FDN- 9000A 緩凝高效減水劑( 粉劑) 。
(4) 膨脹劑: 武漢三源特種建材有限責(zé)任公司生產(chǎn)的UEA- I 型膨脹劑。
(5) 粗集料: 宜昌石灰?guī)r碎石, 5～25mm 連續(xù)級配。
(6) 細(xì)集料: 岳陽中粗河砂, 細(xì)度模數(shù)2.85。
6.2 配合比( 見表1)
6.3 注意事項(xiàng)
(1) 加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)。膨脹劑在混凝土早期養(yǎng)護(hù)過程中必須有充足的水才可以發(fā)揮作用, 如早期養(yǎng)護(hù)保濕不當(dāng), 過早暴露于干燥空氣中, 則其膨脹作用會(huì)停止。巴東長江公路大橋橫跨長江, 風(fēng)較大, 為避免塑性收縮開裂, 抹面后及時(shí)采用了塑料薄膜或土工布進(jìn)行覆蓋以防水分蒸發(fā)。為了充分發(fā)揮膨脹劑的補(bǔ)償收縮作用, 對橋面鋪裝層這樣較薄的混凝土結(jié)構(gòu)中摻微膨脹劑, 養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)保證在10～14 天內(nèi)進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)。
(2) 適當(dāng)延長混凝土攪拌時(shí)間。聚丙烯纖維混凝土橋面鋪裝與普通混凝土橋面鋪裝的施工工藝相差不大,但由于加入了聚丙烯纖維, 為保證它們在混凝土中的均勻分散, 攪拌時(shí)間應(yīng)比普通混凝土適當(dāng)延長30～60s, 但不宜攪拌時(shí)間過長, 否則會(huì)損壞纖維。
(3) 夜間施工。巴東長江公路大橋橋面鋪裝施工集中在5~6 月, 橋面施工現(xiàn)場氣溫達(dá)到27~36℃, 為避免混凝土開裂, 以夜間澆注混凝土為主。
(4) 加強(qiáng)整平飾面。聚丙烯纖維的加入, 使得抹面比普通混凝土困難些, 因此, 要適當(dāng)增加抹面、抹平人員。
(5) 加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)。不能因?yàn)閾搅俗枇训木郾├w維而放松對混凝土的養(yǎng)護(hù), 大橋橫跨長江, 風(fēng)較大,為避免塑性收縮開裂, 抹面后及時(shí)采用麻袋進(jìn)行覆蓋以防水分蒸發(fā)。混凝土終凝時(shí)立即用麻袋替換薄膜進(jìn)行覆蓋潮濕養(yǎng)護(hù), 潮濕環(huán)境下的養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)在14 天左右。
(6) 刻痕機(jī)刻痕。聚丙烯纖維混凝土壓紋效果很差, 壓紋時(shí)纖維易從表層混凝土中帶出, 影響表觀質(zhì)量。應(yīng)采用硬刻痕方式制造抗滑構(gòu)造, 刻痕深度為3~5mm, 由于刻痕機(jī)的刀片是等距離的, 為減少噪聲的影響, 每兩組之間, 采用不等距的方式, 隨機(jī)調(diào)整距離。
7 結(jié)語
利用9%的UEA- Ⅰ膨脹劑替代水泥, 在混凝土中摻入聚丙烯纖維, 配制的微膨脹聚丙烯纖維混凝土, 增加硬化混凝土的抗沖擊、抗彎曲、耐磨、延性、韌性、抗疲勞等性能, 抗?jié)B等級超過S22, 氯離子擴(kuò)散系數(shù)滿足高性能混凝土對該指標(biāo)的要求。
膨脹劑聚丙烯纖維混凝土在巴東長江大橋橋面鋪裝層中進(jìn)行了全面施工應(yīng)用, 施工過程中沒有出現(xiàn)有害裂縫, 橋梁通車兩年來沒有發(fā)現(xiàn)橋面鋪裝層開裂現(xiàn)象, 混凝土澆注質(zhì)量優(yōu)良, 且比較常用的鋼纖維增強(qiáng)聚合物水泥混凝土經(jīng)濟(jì)許多。
巴東長江公路大橋膨脹劑聚丙烯纖維混凝土坍落度控制在60~70mm 范圍內(nèi), 現(xiàn)場留樣的混凝土的28天抗壓強(qiáng)度檢測結(jié)果為: 49.3~51.4MPa, 均大于配制強(qiáng)度48MPa, 抗?jié)B等級>S22, 這些結(jié)果完全滿足設(shè)計(jì)要求。
