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、舒適度以及提高經濟效益和社會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、抗滲性、抗沖擊性, 增加混凝土的韌性的作用。
關鍵詞: 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 文獻標識碼: 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, 主橋為40m+130m+388m+130m+40m的5 跨連續雙塔雙索面預應力混凝土斜拉橋, 北岸引橋為4×40mT 梁, 橋長900.6m, 橋面寬19m( 不含錨索區) 。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度、低的脆度系數、高的抗沖擊性能和優良的耐磨性能。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, 增強了混凝土結構的抗阻裂能力, 同時, 在橋面鋪裝層中摻入一定數量的聚丙烯纖維對混凝土的結構和性質有很大改進, 增強了混凝土結構的抗疲勞、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, 拌水后產生大量膨脹性結晶水化產物: 鈣礬石, 使混凝土產生適度膨脹, 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 的預壓應力, 從而抵消混凝土在硬化過程中產生的全部或部分拉應力, 達到抗裂的目的。此外, 普通混凝土系非勻質多孔結構, 內部存在著許多毛細孔、沉降孔隙和接觸孔,是滲水通道。UEA 補償收縮混凝土水化硬化時產生的鈣礬石晶體是針狀或細柱狀結構, 在有限制的情況下, 鈣礬石晶體在這些孔隙或微裂縫內生長, 起到填充、堵塞或切斷毛細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構, 從而大大提高混凝土的抗滲能力。
在混凝土中用微膨脹劑替代部分水泥阻裂效應的意義不僅在于有效地阻止了早期混凝土塑性裂縫的發生和發展, 更在于通過提高材料介質的連續性, 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沖擊荷載, 對混凝土內原生裂隙數量和尺度的敏感性較高, 原生裂隙在數量和尺度上的減小對提高其使用性能是非常有利的。抗動荷載能力的強弱更接近真實的材料使用性能水平, 而小試件抗壓或抗折強度則是在試驗機加載速率下測得的準靜載強度。
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用范圍和使用條件, 并且需要較為嚴格的養護措施, 否則不僅不能防裂, 反而有可能使混凝土出現裂縫。混凝土的開裂會引起橋面鋪裝層在使用過程中過早出現斷角、碎裂等病害。這些病害的出現, 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, 主要是由干毛細管壓力造成的。混凝土中的毛細管孔隙, 在混凝土干燥過程中逐步失水, 毛細管也逐步變形, 產生很大的毛細管張力,混凝土產生體積收縮( 外觀體積收縮<0.2%) 。如果混凝土中用水量增加, 水灰比增大, 毛細管孔隙也增多, 混凝土體積收縮增大, 會產生干燥收縮裂縫。
混凝土發生收縮變形時, 由于周圍存在約束, 內部產生應力( 拉應力) , 這個應力超過混凝土材料的抗拉強度, 就發生收縮開裂。摻入膨脹劑的混凝土是通過化學反應生成膨脹性的AFt 晶體, 以膨脹受約束而產生的壓應力抵消了部分因干縮而產生的拉應力, 從而達到阻裂作用。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, 故能在混凝土內部構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量的微細筋, 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、干縮等非結構性裂縫的有效手段。同時, 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滲能力。
聚丙烯纖維混凝土阻裂效應的意義不僅在于有效地阻止了早期混凝土塑性裂縫的發生和發展, 更在于通過提高材料介質的連續性, 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沖擊荷載, 對混凝土內原生裂隙數量和尺度的敏感性較高, 原生裂隙在數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, 增強混凝土抵抗溫度應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絡結構, 起到了支撐集料的作用, 阻止了粗、細集料的下沉, 減少了離析, 提高了混凝土的均質性,故而也就減少甚至完全阻止了混凝土表面裂縫的產生。
(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力; 混凝土的變形能力增強, 減少了混凝土早期塑性開裂的概率。
(6) 阻止混凝土內微裂縫的形成與擴展。混凝土中微裂縫的形成與發展在3～7 天內可大致完成, 此時混凝土的抗拉強度小于1MPa, 而聚丙烯纖維的抗拉強度大于500MPa, 因而它可以阻止混凝土內微裂縫的形成與擴展, 尤其是有效抑制了連通裂縫的產生, 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變和斷裂能, 極大地提高混凝土的抗滲能力, 自然也就可以起到防水的作用。
(7) 減少混凝土表面與內部應力梯度, 應力松弛增大, 殘余拉應力減小。
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。從阻裂的角度看, 宜選用直徑細的纖維, 因為纖維摻量一定時, 纖維越細, 單位體積混凝土中纖維的根數越多, 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: 葛洲壩水泥廠生產的“ 三峽”牌42.5 普通硅酸鹽水泥, 強度為: 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任公司生產的UEA- I 型膨脹劑。
(5) 粗集料: 宜昌石灰巖碎石, 5～25mm 連續級配。
(6) 細集料: 岳陽中粗河砂, 細度模數2.85。
6.2 配合比( 見表1)
6.3 注意事項
(1) 加強混凝土養護。膨脹劑在混凝土早期養護過程中必須有充足的水才可以發揮作用, 如早期養護保濕不當, 過早暴露于干燥空氣中, 則其膨脹作用會停止。巴東長江公路大橋橫跨長江, 風較大, 為避免塑性收縮開裂, 抹面后及時采用了塑料薄膜或土工布進行覆蓋以防水分蒸發。為了充分發揮膨脹劑的補償收縮作用, 對橋面鋪裝層這樣較薄的混凝土結構中摻微膨脹劑, 養護時間應保證在10～14 天內進行灑水養護。
(2) 適當延長混凝土攪拌時間。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, 攪拌時間應比普通混凝土適當延長30～60s, 但不宜攪拌時間過長, 否則會損壞纖維。
(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, 橋面施工現場氣溫達到27~36℃, 為避免混凝土開裂, 以夜間澆注混凝土為主。
(4) 加強整平飾面。聚丙烯纖維的加入, 使得抹面比普通混凝土困難些, 因此, 要適當增加抹面、抹平人員。
(5) 加強混凝土養護。不能因為摻了阻裂的聚丙烯纖維而放松對混凝土的養護, 大橋橫跨長江, 風較大,為避免塑性收縮開裂, 抹面后及時采用麻袋進行覆蓋以防水分蒸發。混凝土終凝時立即用麻袋替換薄膜進行覆蓋潮濕養護, 潮濕環境下的養護時間應在14 天左右。
(6) 刻痕機刻痕。聚丙烯纖維混凝土壓紋效果很差, 壓紋時纖維易從表層混凝土中帶出, 影響表觀質量。應采用硬刻痕方式制造抗滑構造, 刻痕深度為3~5mm, 由于刻痕機的刀片是等距離的, 為減少噪聲的影響, 每兩組之間, 采用不等距的方式, 隨機調整距離。
7 結語
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, 抗滲等級超過S22, 氯離子擴散系數滿足高性能混凝土對該指標的要求。
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行了全面施工應用, 施工過程中沒有出現有害裂縫, 橋梁通車兩年來沒有發現橋面鋪裝層開裂現象, 混凝土澆注質量優良, 且比較常用的鋼纖維增強聚合物水泥混凝土經濟許多。
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, 現場留樣的混凝土的28天抗壓強度檢測結果為: 49.3~51.4MPa, 均大于配制強度48MPa, 抗滲等級>S22, 這些結果完全滿足設計要求。
