聚丙烯纖維混凝土在鍋盔河大橋橋面鋪裝中的應用分析

　　摘 要：通過聚丙烯纖維材料的應用，控制橋面鋪裝混凝土裂縫的發(fā)生，避免鋪裝層混凝土早期破壞，提高鋪裝層的防水抗?jié)B性能，延長其使用壽命。

　　關鍵詞：聚丙烯纖維,橋面鋪裝混凝土,裂縫防治,阻裂

　　一、概述

　　水泥混凝土具有“抗壓不抗拉”的弱點，尤其在凝固期間由于體積變化或其他原因容易出現(xiàn)早期、后期裂紋，嚴重者形成裂縫，這些裂縫嚴重地影響了混凝土結構的性能和使用壽命，在面積與厚度比較大的結構中這種情況更為突出。人們?yōu)榱丝朔�這種不利現(xiàn)象，采用了很多方法。“纖維混凝土”以其效果好、施工方便被越來越廣泛地采用，2010年被國家住建部列入“建筑業(yè)十項新技術”名錄中。

　　我公司參與施工的建雞高速公路A14標段K129+175鍋盔河大橋地處黑龍江省密山市郊外，屬高寒地區(qū)，其橋面鋪裝混凝土即采用了這種新技術。

　　該橋橋面鋪裝面積約4000平方米、鋪裝厚度10cm，設計采用了C50F350S86高強抗凍抗?jié)B混凝土，并且加入“聚丙烯纖維”組成“纖維混凝土”。

　　二、問題提出

　　橋面鋪裝混凝土本身就具有斷面尺寸薄，外露面積大，早期強度高，穩(wěn)定性差、開裂風險高而且結構防水、防滲的要求高等特點，且在車輛等活荷載反復作用下，橋面鋪裝層極易產(chǎn)生破壞�；炷�土開裂后，直接導致鋪裝層防水功能失效結構使用壽命降低。

　　混凝土橋面鋪裝結構的早期開裂主要由體積變形引起，當體積變形引發(fā)的約束應力超過其極限應力時，混凝土便產(chǎn)生開裂形成裂紋，這些裂紋成為薄弱點，嚴重者將構成結構性裂紋�；�于導致體積變形的不同作用機理，早齡期混凝土的收縮變形主要包括以下四類：

　　(1)溫度變化引起的溫度變形;

　　(2)濕度變化引起的濕度變形;

　　(3)化學作用(主要指水泥水化過程)引起的體積減縮，俗稱化學收縮;

　　(4)混凝土塑性階段由于沉降作用引起的體積減縮。

　　早齡期混凝土由于濕度降低引起的收縮變形主要與毛細作用有關，當水泥石內(nèi)部毛細孔中的水分由于水化作用或蒸發(fā)作用減少后，毛細孔產(chǎn)生的彎月面會引發(fā)對毛細孔壁的負壓，因此引起混凝土宏觀體積的收縮。相關研究表明，在混凝土中加入一定量的減縮劑，可使減縮劑在毛細孔形成的凹液面上富集，降低孔溶液的氣-液界面張力，從而減小毛細孔中的附加應力，減小混凝土收縮。綜上所述，利用復合纖維的保濕、限縮作用和通過添加化學外加劑減小毛細孔內(nèi)的氣-液界面張力，是減小混凝土濕度收縮的兩種有效途徑。

　　同時，控制混凝土的流動性能、入模溫度，加強混凝土早期的濕度養(yǎng)護，采取有效措施控制混凝土基體在水化放熱和環(huán)境溫度綜合作用下的溫度變化幅度等，也是避免混凝土早期開裂的必要舉措。

　　三、“聚丙烯纖維”作用機理

　　“聚丙烯纖維”又稱“杜拉纖維”，用于混凝土結構中主要是起到增強、防裂的作用。引入我國后在多個混凝土工程中應用，取得了較好的效果，收到建筑工程界設計、施工等方面的關注，國家住建部于2010年將其作為建筑業(yè)十項新技術推廣使用。

　　“聚丙烯纖維”主要技術指標有單絲抗拉強度、斷裂延伸率、抗老化能力、摻加量等。其特點是纖維經(jīng)過表面特殊處理，使其能均勻地分散在混凝土中，從而有效地發(fā)揮作用。摻入混凝土當中可以改善混凝土的抗拉性能差、阻裂性能差等缺點。適量均勻分布的微細纖維握裹水泥集料，極大地保持了混凝土的整體強度，混凝土在受力時，纖維吸收了大量的能量，有效地減少了集中應力的作用，抑制了混凝土早期塑性收縮和離析裂縫等微細裂紋的產(chǎn)生和繼續(xù)發(fā)展，增強了混凝土的抗沖擊、抗震動能力，提高了混凝土抗疲勞壽命。同時有于其抑制了溫度裂紋的產(chǎn)生，還有助于改善混凝土的泌水性、提高早期養(yǎng)護效果。

　　一定摻量的復合纖維(如聚丙烯纖維等)可在混凝土中起到較好的保濕、限縮作用。利用復合纖維的保濕、限縮作用和通過添加化學外加劑減小毛細孔內(nèi)的氣-液界面張力，是減小混凝土濕度收縮的兩種有效途徑，對降低混凝土初期的塑性開裂效果顯著。

　　四、課題研究

　　在施工現(xiàn)場，我項目部聘請了有關專家對橋面鋪裝 “纖維混凝土”在C50強度等級的普通硅酸鹽水泥混凝土中摻加不同摻量、不同長度、不同直徑聚丙烯纖維的混凝土開裂性能，根據(jù)試驗結果和分析可對聚丙烯纖維的摻量、長度和直徑進行實驗優(yōu)選。

　　根據(jù)《混凝土結構耐久性設計與施工指南》(CCES 01-2004,2005年修訂版，中國土木工程學會標準，陳肇元等編著)，混凝土的塑性開裂試驗采用平板試件，用裂縫的開裂面積作為主要評定指標的實驗結果表明，在普通與高強混凝土中摻加一定量的聚丙烯纖維可明顯改善其塑性開裂性能，裂縫開裂面積可降低30%到50%，最多可達60%到70%以上。其中不同規(guī)格的纖維對不同等級的混凝土的限裂效果不同，纖維直徑(D)、長度(L)、摻量(S)三個因素對C50混凝土的影響比較顯著。有試驗結果表明：聚丙烯纖維各參數(shù)中，直徑、長度和摻量的交互作用對C50強度等級的混凝土塑性開裂的影響很小;長度和摻量的交互作用的影響較大，但不顯著。在C50混凝土中，各因素影響顯著性從大到小的基本規(guī)律為：摻量>長度>直徑，其中摻量的影響較為顯著。

　　我們?yōu)榱舜_定聚丙烯纖維在各強度等級混凝土中的作用效果，對摻量0.6 kg/m3和0.8kg/m3等摻量情況下的纖維混凝土塑性開裂結果做了對比試驗。試驗以素混凝土塑性開裂面積作為對照，考察纖維混凝土的阻裂效果。在顯著性水平0.05下：纖維摻量0.6 kg/m3時，在C50混凝土中裂縫降低系數(shù)分別為23%;纖維摻量0.8 kg/m3時在C50混凝土中的裂縫降低系數(shù)分別為54%。摻量0.8 kg/m3的阻裂效果明顯好于摻量0.6 kg/m3時的阻裂效果。

　　根據(jù)試驗得出的纖維各參數(shù)對混凝土塑性開裂的影響程度和作用效果的可靠性，我們在實際工程中選用纖維時按下列順序確定纖維參數(shù)：摻量>長度>直徑。在C50混凝土中優(yōu)先選用摻量0.8 kg/m3的長于臨界長度的聚丙烯纖維，可使混凝土塑性開裂性能得到穩(wěn)定、明顯的改善。

　　鍋盔河大橋工程項目中采用的混凝土強度等級為C50，根據(jù)以上試驗結果，擬采用摻量0.8 kg/m3，長16 mm，纖維直徑45 μm的聚丙烯纖維，以求最大程度地控制其塑性開裂性。

　　五、施工控制

　　1、配合比設計：混凝土設計強度等級C50，要求為抗凍防滲混凝土，抗凍等級為F350級、抗?jié)BS8，含氣量為5.5%，氣泡間距系數(shù)為≤0.33mm，我單位采用混凝土拌合站強制攪拌、砼罐車運輸。水泥用量不低于480kg/m3，水灰比0.44左右，要求混凝土落度為90-110mm。

　　2、原料選擇：

　　(1)水泥的技術指標要求：因橋面纖維混凝土鋪裝特殊的工作條件、厚度小，故橋面鋪裝混凝土應盡可能采用強度高、干縮性小、抗磨性及抗凍性好的水泥。 施工現(xiàn)場選用牡丹江P.0 42.5水泥：1)氧化鎂含量：≤5% ，2)三氧化硫含量：≤3.5%。3)細度指標：80μm方孔篩余>10% 。4)初凝時間不得早于45min。5)終凝時間不得遲于10h。所檢項目均符合GB175-2007 P.O 42.5要求。

　　(2)集料：粗骨料(粒徑大于7mm)，宜采用石質(zhì)堅硬、清潔、不含風化顆粒、表面粗糙，近立方體顆粒的碎石，最大粒徑不宜大于20mm和鋼纖維長度的2/3.(鋼纖維長度一般為3-4cm)，含泥量不大于1%，細長、扁平顆粒及風化石、針片狀含量不大于10%，不宜采用石灰?guī)r碎石，必要時應將含有土顆粒的碎石用水沖洗。

　　細集料(粒徑小于5mm)宜采用天然中粗砂或機制砂，沙粒必須堅硬、潔凈、干燥、無雜質(zhì)、顆粒均勻，細度模數(shù)為2.0-3.0，含泥量不大于3%，含泥量超過標準的砂必須過篩。細集料的潔凈程度，天然砂以不小于0.075mm含量的百分比表示，機制砂以砂當量或亞甲藍值表示，其質(zhì)量必須滿足規(guī)范要求。

　　施工現(xiàn)場碎石使用雞東永安采石站的9.5-19mm、4.75-16mm的碎石，壓碎值不大于10%，9.5-19mm碎石和4.75-16mm碎石的摻配比例為2:8，各項檢測指標符合設計和JTJ 041-2000規(guī)范要求。中砂來源于新河砂場，細度模數(shù)為2.74，符合Ⅱ區(qū)要求，為中砂，各項檢測指標應符合設計和JTJ 041-2000規(guī)范要求。

　　(3)拌合用水：自來水或無污染的天然水。

　　(4)外加劑：UNF-5型高效減水劑，摻量為水泥用量的1.0%，此外加劑引氣量為5.5%，減水率為23%，抗?jié)B能力P≥20.經(jīng)外委檢驗，UNF-5型高效減水劑符合國家標準。

　　(5)聚丙烯纖維：設計摻量0.8kg/m3 ;長16 mm，纖維直徑45 μm。

　　3、施工過程控制

　　(1)確定施工要領：為保證質(zhì)量且便于施工中混凝土運輸及澆筑，確定分幅進行、以角鋼或鋼管作為振搗橫梁前進軌道，控制橋面鋪裝標高，力爭保證橋面鋪裝設計厚度、保護層厚度、上表面平整度。尤其要注意東北地區(qū)氣候的特殊性，干燥、多風，由于橋面鋪裝設計厚度只有10cm，在干燥環(huán)境下，風吹使混凝土表面快速失水極易形成干縮性裂紋，控制好裂縫是橋面鋪裝的關鍵。

　　(2)具體施工工藝：1)橋面基層處理：橋面鋪裝施工前應對橋面進行全面測量，以確保鋪裝層的設計厚度和頂面高程。然后對梁頂面進行全面鑿除浮渣、浮漿，清除其它雜物，并用高壓水槍沖洗干凈，保證橋面鋪裝與底層緊密結合。精確放樣與高程控制：對所使用的高程控制點與附近的高程點進行聯(lián)測，以保證橋面標高的準確性。為了施工方便，用四等水準測量在橋面引出4個高程控制點。用全站儀每30米定一個里程控制點。曲線每10米定一個里程控制點。以安放的振搗橫梁軌道(角鋼或鋼管)的頂面進行高程控制。2)鋪裝前橋面潤濕：針對東北氣候的特點，我們經(jīng)過多次實踐，發(fā)現(xiàn)鋪裝前的濕潤是在干燥，多風地帶進行橋面鋪裝施工的關鍵工藝，實踐中總結鋪裝前三天就對要施工的梁頂面進行濕潤，在三天時間內(nèi)始終保持梁頂面濕潤，這樣可使梁頂面充分濕潤，并儲存一定的富余水份，經(jīng)實踐證明這對進行鋪裝后的橋面防止裂縫產(chǎn)生具有特別好的效果�；炷�土施工：混凝土所用原料應經(jīng)過嚴格檢驗，配合比設計應準確，坍落度控制在9mm～11mm。3)混凝土的拌合：拌合是保證纖維在混凝土基體中均勻分布的重要環(huán)節(jié)，混凝土攪拌均采用電子計量系統(tǒng)的強制式拌合站拌和，以保證投料準確和混凝土混合料的拌合質(zhì)量。采用“先干后濕”工藝，投料順序：砂-纖維-碎石-水泥-水，首先干拌1min加水后再拌合2min，總拌合時間不得少于3min，且不要過長，過長的攪拌時間對纖維混凝土的均勻性并無顯著作用，反而會造成纖維結團。

　　混凝土的運輸采用混凝土攪拌車運輸，避免運輸過程中混凝土發(fā)生離析現(xiàn)象。同時應注意混凝土的配制和運送速度應與澆筑速度相適應，避免混凝土混合料停滯時間過長而造成混凝土澆筑困難。4)混凝土的攤鋪與成型：混凝土的澆筑是整個橋面鋪裝施工最重要的環(huán)節(jié)，其工藝流程為：混凝土人工攤鋪——平板振搗器振實——振搗橫梁二次振搗整平——真空吸水——抹光機粗平——方鋼管刮尺刮平——直尺檢查、人工精平——養(yǎng)生。5)施工要求：澆筑前，橋面應充分濕潤，并以不積水為度�；炷�土混合料攤鋪要均勻，布料高度略高于橋面標高2cm左右，以備整平和收漿。人工粗平后，用振動梁橫向平行振搗密實。用人工一邊整平，一邊用75mm直徑的滾筒滾壓數(shù)遍進行提漿滾平。進行真空吸水，吸水時間視氣溫而定，一般為10min左右，然后進行提漿及粗平，此時可起到表層致密作用。采用長為6m，斷面為100mm×60mm的鋁合金直尺縱橫反復檢測，使平整度符合要求為止。由熟練工人用木抹抹面2遍，收漿再用鐵抹精平。在人工精平的同時仍應再用直尺檢查平整度。采用無紡土工布養(yǎng)生對橋面無污染，且有保水性能好，節(jié)水，施工方便，周轉(zhuǎn)次數(shù)多，成本較低等優(yōu)點。橋面鋪裝施工盡可能連續(xù)作業(yè)，在施工過程中如突遇下雨，應采取遮雨篷、塑料布遮蓋等措施。

　　夏季炎熱天氣施工應避免在11點至15點時間內(nèi)的日高溫時段施工，因為在高溫條件下施工平整度和裂縫的控制是非常困難的。

　　由于本橋面鋪裝層面積較大，采用分幅施工，后施工的一幅會受到先施工的一幅的污染，因此要派專人在鋪裝施工前使用鋼絲刷、高壓水清除另半幅橋面污染的砼及水泥漿，以保證橋面的整潔。

　　六、施工要點

　　1、拌合過程：聚丙烯纖維能否在混凝土中均勻地亂向分布，是關系到纖維能否起到“阻裂”作用的關鍵。纖維能夠在混凝土基體中均勻地亂向分布才能夠起到應有的作用。微裂縫在發(fā)展過程中遭遇到纖維的阻擋，殘余的能量不足以應付其繼續(xù)發(fā)展的需要，從而阻斷了應力達到抗裂的要求。要使纖維達到“均勻亂向分布”的要求，攪拌過程就必須嚴格控制，對使用的拌合設備和攪拌時間予以規(guī)定。

　　施工配合比應由工地實驗室根據(jù)骨料含水量變化的具體情況進行及時調(diào)整，不應采用一個配合比一用到底。

　　施工現(xiàn)場可憑據(jù)經(jīng)驗，比較相同配合比、不含纖維混凝土的塌落度來判斷所用聚丙烯纖維的質(zhì)量。如果加入纖維后的混凝土塌落度沒有損失，那么所用的纖維不是分散不好就是握裹力不良，可能造成纖維的阻裂作用不良，應重新選用。

　　另外，不要為了防止出現(xiàn)攪拌不均出現(xiàn)難以打散的絮狀結團而隨意增減纖維用量，這是從功能實現(xiàn)和混凝土制備兩個方面都是不允許的。

　　2、纖維質(zhì)量：質(zhì)量差的纖維不但不會對混凝土產(chǎn)生增強、增韌的作用，反而會有負面的影響。由于工程所用的纖維生產(chǎn)屬于化工行業(yè)，使用者屬于工程建設界，使用者對化纖不能從直觀上判斷優(yōu)劣，能夠直接目視所關心的是其分散性，就是說纖維的抗拉強度、伸展極限、握裹力等內(nèi)在質(zhì)量是無法從直觀上判斷的。所以選擇一個信譽良好的供方、加強材料的復試檢測，以求得質(zhì)量良好的纖維材料尤為重要。

　　施工現(xiàn)場目視，質(zhì)量不良的“聚丙烯纖維”經(jīng)攪拌后可能分散，但是隔不久就會重新上浮在混凝土表面呈絮狀層，這說明這種纖維的表面分散性不良，應予以更換。

　　不可認為質(zhì)量不良的纖維可以通過增加摻量來彌補效用。過量的、不合理摻加反而會因為結塊、結團而造成混凝土結構上產(chǎn)生蜂窩、空洞甚者更為嚴重的問題。說到摻量，目前國家尚未出臺實用技術規(guī)范，工程應用還是處于探索階段，到底用多大的摻量最為適宜、有多大的差異理論根據(jù)不足。我們認為：按照工程項目具體情況進行試配，將適配結果進行比較，在0.6~1.2kg/m3范圍做幾個摻量的配比，這樣選出的配比比較貼合實際。

　　3、結構養(yǎng)生：聚丙烯纖維在混凝土中能夠起到“阻裂”的作用，但說到底還是一種輔助的作用。它只能對“非結構性微裂紋”起到阻裂作用，不可能完全消滅裂縫，尤其是養(yǎng)護不當引起的裂縫和結構裂紋，這種方法是無能為力的，絕不可認為添加了纖維就可以忽視正常的養(yǎng)護條件。施工中應該與普通混凝土一樣進行及時的養(yǎng)生。當混凝土鋪裝層二次抹面完成1.5~2.0小時后，表面用手指輕壓不出痕跡、具有了一定的硬度可以覆蓋養(yǎng)生，覆蓋材料按照施工條件可以使用草袋、麻袋、塑料布等。本工程我們采用的是“土工布”覆蓋灑水保濕養(yǎng)生。養(yǎng)生應視天氣溫度情況每天灑水數(shù)次，保持潮濕狀態(tài)，養(yǎng)生期不少于7天。

　　七、結論

　　根據(jù)我公司在鍋盔河大橋橋面鋪裝層，“聚丙烯纖維混凝土”施工，我們歸納為：“選好原料，合理摻量、重在攪拌、規(guī)范養(yǎng)護”的經(jīng)驗，有效地防止了早期和后期裂縫的產(chǎn)生。

　　1、在混凝土中摻加摻量0.8 kg/m3、長16 mm、纖維直徑45 μm的聚丙烯纖維， 以增強其塑性開裂性能，降低塑性開裂風險;

　　2、控制混凝土的流動性能，提高混凝土的澆筑品質(zhì);

　　3、控制混凝土的入模溫度;采取有效措施控制混凝土基體在水化放熱和環(huán)境溫度綜合作用下的溫度變化幅度;切實做好混凝土早期的保濕、防風、防曬等養(yǎng)護措施。

　　4、不可認為使用了“纖維混凝土”這種新技術就一勞永逸，忽略了其他的施工環(huán)節(jié)。橋面鋪裝混凝土表面極容易發(fā)生不規(guī)則的微裂縫，這主要是混凝土內(nèi)部變形受到阻礙而產(chǎn)生的自應力超過混凝土容許應力，引起混凝土開裂的變形裂縫。通過施工實踐，鋪裝層在鋪裝前對梁體的充分潤濕、澆筑完成進行真空吸水及抹光機抹面三道工序?qū)�控制和消除變形裂縫會起到很好的效果。

　　5、施工時在干燥、多風的氣候條件下，使用“聚丙烯纖維混凝土”并結合其他措施進行的橋面鋪裝，混凝土的質(zhì)量不論是從內(nèi)在密實度，還是從外觀平整度及裂縫現(xiàn)象都收到很好的效果，使橋面鋪裝混凝土整體質(zhì)量有了很大的提高。

　　參考文獻：

　　[1] 交通部公路科學研究院：《公路工程水泥混凝土外加劑與摻合料應用技術指南》

　　[2] 陳肇元：《混凝土結構耐久性設計與施工指南》(CCES 01-2004,2005年修訂版，中國土木工程學會標準)