摘要: 桥面铺装层是桥梁行车体系的重要组成部分, 它对桥梁耐久性, 保证行车安全、舒适度以及提高经济效益和社会效益有着极其重要的作用。文章阐述了微膨胀剂聚丙烯纤维在提高桥面铺装混凝土的抗裂性、抗渗性、抗冲击性, 增加混凝土的韧性的作用。

关键词: 巴东长江大桥; 微膨胀剂; 聚丙烯纤维; 桥面铺装

中图分类号: U443.31 文献标识码: B

1 概况

　　巴东长江公路大桥是国道209 在鄂西部跨越长江的一座特大型桥梁, 主桥为40m+130m+388m+130m+40m的5 跨连续双塔双索面预应力混凝土斜拉桥, 北岸引桥为4×40mT 梁, 桥长900.6m, 桥面宽19m( 不含锚索区) 。巴东长江公路大桥桥面铺装层采用100mm 厚C40防水混凝土。本文结合巴东长江公路大桥桥面铺装施工, 微膨胀聚丙烯纤维混凝土在桥面铺装中的作用。

　　桥面铺装层长期置于自然环境中, 承受着以交通为主的载荷—卸荷的作用, 因此, 要求桥面铺装混凝土具有足够的抗弯拉强度、低的脆度系数、高的抗冲击性能和优良的耐磨性能。在桥面铺装层中用微膨胀剂替代部分水泥, 减少了混凝土的干缩裂缝, 增强了混凝土结构的抗阻裂能力, 同时, 在桥面铺装层中掺入一定数量的聚丙烯纤维对混凝土的结构和性质有很大改进, 增强了混凝土结构的抗疲劳、抗冲击、耐磨损和抗阻裂能力,从而满足桥面铺装对韧性、抗裂性能的需要。

2 微膨胀剂的防水机理

　　UEA 混凝土膨胀剂(英文名United Expansion Agent,简称UEA) 是由硫铝酸钙熟料或硫酸铝熟料与石膏组成的复合型膨胀剂, 它的防水原理是: 将UEA 加入普通混凝土中, 拌水后产生大量膨胀性结晶水化产物: 钙矾石, 使混凝土产生适度膨胀, 其自由膨胀率εl =0.04%～0.06%, 在钢筋和邻位的约束下, 其限制膨胀率εz=0.02%～0.04%, 可在混凝土中建立0.2～0.7MPa 的预压应力, 从而抵消混凝土在硬化过程中产生的全部或部分拉应力, 达到抗裂的目的。此外, 普通混凝土系非匀质多孔结构, 内部存在着许多毛细孔、沉降孔隙和接触孔,是渗水通道。UEA 补偿收缩混凝土水化硬化时产生的钙矾石晶体是针状或细柱状结构, 在有限制的情况下, 钙矾石晶体在这些孔隙或微裂缝内生长, 起到填充、堵塞或切断毛细孔等渗水通道的作用, 使水泥石的总孔隙率降低, 而且孔径变小, 形成致密的水泥石结构, 从而大大提高混凝土的抗渗能力。

　　在混凝土中用微膨胀剂替代部分水泥阻裂效应的意义不仅在于有效地阻止了早期混凝土塑性裂缝的发生和发展, 更在于通过提高材料介质的连续性, 能使硬化后混凝土的性能得到显著改善。对于桥面混凝土, 由于所承受的弯拉荷载和反复冲击荷载, 对混凝土内原生裂隙数量和尺度的敏感性较高, 原生裂隙在数量和尺度上的减小对提高其使用性能是非常有利的。抗动荷载能力的强弱更接近真实的材料使用性能水平, 而小试件抗压或抗折强度则是在试验机加载速率下测得的准静载强度。

3 微膨胀混凝土的抗裂性

　　添加膨胀剂配制成膨胀混凝土, 较成功地解决了混凝土的开裂问题, 但膨胀剂混凝土有一定的应用范围和使用条件, 并且需要较为严格的养护措施, 否则不仅不能防裂, 反而有可能使混凝土出现裂缝。混凝土的开裂会引起桥面铺装层在使用过程中过早出现断角、碎裂等病害。这些病害的出现, 不仅影响了车辆的正常行驶,妨碍了交通安全, 而且雨水很容易渗透到桥梁内部, 从而危害桥梁的耐久性。因此, 对于桥面铺装层混凝土的开裂问题要予以足够的重视。

　　混凝土的干燥收缩开裂, 主要是由干毛细管压力造成的。混凝土中的毛细管孔隙, 在混凝土干燥过程中逐步失水, 毛细管也逐步变形, 产生很大的毛细管张力,混凝土产生体积收缩( 外观体积收缩<0.2%) 。如果混凝土中用水量增加, 水灰比增大, 毛细管孔隙也增多, 混凝土体积收缩增大, 会产生干燥收缩裂缝。

　　混凝土发生收缩变形时, 由于周围存在约束, 内部产生应力( 拉应力) , 这个应力超过混凝土材料的抗拉强度, 就发生收缩开裂。掺入膨胀剂的混凝土是通过化学反应生成膨胀性的AFt 晶体, 以膨胀受约束而产生的压应力抵消了部分因干缩而产生的拉应力, 从而达到阻裂作用。膨胀剂的加入, 可以使混凝土的塑性裂缝减少约25%～30%。

4 聚丙烯纤维混凝土的防水机理

　　混凝土中掺入聚丙烯纤维后, 可以迅速而轻易地与混凝土材料混合, 分布极其均匀、彻底, 每立方厘米的混凝土中有将近20 条纤维丝, 故能在混凝土内部构成一种均匀的乱向支撑体系。纤维的加入犹如在混凝土中掺入巨大数量的微细筋, 这些纤维筋抑制了混凝土开裂的过程, 提高了混凝土的断裂韧性, 因此, 在混凝土中加入聚丙烯纤维, 是控制混凝土塑性收缩、干缩等非结构性裂缝的有效手段。同时, 均匀分布在混凝土中彼此相粘连的大量纤维起了“ 承托”骨料的作用, 降低了混凝土表面的析水与集料的离析, 从而有效地提高了混凝土的抗渗能力。

　　聚丙烯纤维混凝土阻裂效应的意义不仅在于有效地阻止了早期混凝土塑性裂缝的发生和发展, 更在于通过提高材料介质的连续性, 能使硬化后混凝土的性能得到显著改善。对于桥面混凝土, 由于所承受的弯拉荷载和反复冲击荷载, 对混凝土内原生裂隙数量和尺度的敏感性较高, 原生裂隙在数量和尺度上的减小对提高其使用性能是非常有利的。虽然掺入聚丙烯纤维对混凝土的静载强度无显著影响, 却能使混凝土的抗冲击能力和抗疲劳能力显著提高。

5 聚丙烯纤维混凝土阻裂作用机理

　　聚丙烯纤维的弹性模量较低, 且在混凝土中的掺量也较低, 它的主要作用是减少混凝土的收缩变形量, 提高混凝土的早期抗裂性, 增强混凝土抵抗温度应力和温差变形的能力。具体说来, 聚丙烯纤维在混凝土中主要效用有:

　　(1) 减少泌水, 提高混凝土的工作性。聚丙烯纤维混凝土的工作性良好, 聚丙烯纤维掺入后显著降低了混凝土的泌水性。

　　(2) 众多乱向均匀散布的聚丙烯纤维在混凝土中形成三维网络结构, 起到了支撑集料的作用, 阻止了粗、细集料的下沉, 减少了离析, 提高了混凝土的均质性,故而也就减少甚至完全阻止了混凝土表面裂缝的产生。

　　(3) 减少混凝土体积收缩变形量。

　　(4) 减少原始微缺陷, 改善混凝土的抗裂性能。

　　(5) 聚丙烯纤维的掺入, 使混凝土早期弹性模量降低, 因而降低了混凝土中的拉应力; 混凝土的变形能力增强, 减少了混凝土早期塑性开裂的概率。

　　(6) 阻止混凝土内微裂缝的形成与扩展。混凝土中微裂缝的形成与发展在3～7 天内可大致完成, 此时混凝土的抗拉强度小于1MPa, 而聚丙烯纤维的抗拉强度大于500MPa, 因而它可以阻止混凝土内微裂缝的形成与扩展, 尤其是有效抑制了连通裂缝的产生, 从而使混凝土中直径大于50nm 的孔隙的含量大大降低, 提高了混凝土极限拉伸应变和断裂能, 极大地提高混凝土的抗渗能力, 自然也就可以起到防水的作用。

　　(7) 减少混凝土表面与内部应力梯度, 应力松弛增大, 残余拉应力减小。

　　综上所述, 膨胀剂聚丙烯纤维使混凝土中原始缺陷减少, 微观性能得到改善, 混凝土的早期阻裂能力增强。从阻裂的角度看, 宜选用直径细的纤维, 因为纤维掺量一定时, 纤维越细, 单位体积混凝土中纤维的根数越多, 纤维的间距越小, 阻裂效果越明显。

6 混凝土桥面的施工

6.1 材料

　　(1) 水泥: 葛洲坝水泥厂生产的“ 三峡”牌42.5 普通硅酸盐水泥, 强度为: 3 天抗折5.3 MPa, 3 天抗压27.2 MPa, 28 天抗折9.8 MPa, 28 天抗压58.3 MPa。

　　(3) 外加剂: 武钢浩源外加剂厂FDN- 9000A 缓凝高效减水剂( 粉剂) 。

　　(4) 膨胀剂: 武汉三源特种建材有限责任公司生产的UEA- I 型膨胀剂。

　　(5) 粗集料: 宜昌石灰岩碎石, 5～25mm 连续级配。

　　(6) 细集料: 岳阳中粗河砂, 细度模数2.85。

6.2 配合比( 见表1)

6.3 注意事项

　　(1) 加强混凝土养护。膨胀剂在混凝土早期养护过程中必须有充足的水才可以发挥作用, 如早期养护保湿不当, 过早暴露于干燥空气中, 则其膨胀作用会停止。巴东长江公路大桥横跨长江, 风较大, 为避免塑性收缩开裂, 抹面后及时采用了塑料薄膜或土工布进行覆盖以防水分蒸发。为了充分发挥膨胀剂的补偿收缩作用, 对桥面铺装层这样较薄的混凝土结构中掺微膨胀剂, 养护时间应保证在10～14 天内进行洒水养护。

　　(2) 适当延长混凝土搅拌时间。聚丙烯纤维混凝土桥面铺装与普通混凝土桥面铺装的施工工艺相差不大,但由于加入了聚丙烯纤维, 为保证它们在混凝土中的均匀分散, 搅拌时间应比普通混凝土适当延长30～60s, 但不宜搅拌时间过长, 否则会损坏纤维。

　　(3) 夜间施工。巴东长江公路大桥桥面铺装施工集中在5~6 月, 桥面施工现场气温达到27~36℃, 为避免混凝土开裂, 以夜间浇注混凝土为主。

　　(4) 加强整平饰面。聚丙烯纤维的加入, 使得抹面比普通混凝土困难些, 因此, 要适当增加抹面、抹平人员。

　　(5) 加强混凝土养护。不能因为掺了阻裂的聚丙烯纤维而放松对混凝土的养护, 大桥横跨长江, 风较大,为避免塑性收缩开裂, 抹面后及时采用麻袋进行覆盖以防水分蒸发。混凝土终凝时立即用麻袋替换薄膜进行覆盖潮湿养护, 潮湿环境下的养护时间应在14 天左右。

　　(6) 刻痕机刻痕。聚丙烯纤维混凝土压纹效果很差, 压纹时纤维易从表层混凝土中带出, 影响表观质量。应采用硬刻痕方式制造抗滑构造, 刻痕深度为3~5mm, 由于刻痕机的刀片是等距离的, 为减少噪声的影响, 每两组之间, 采用不等距的方式, 随机调整距离。

7 结语

　　利用9%的UEA- Ⅰ膨胀剂替代水泥, 在混凝土中掺入聚丙烯纤维, 配制的微膨胀聚丙烯纤维混凝土, 增加硬化混凝土的抗冲击、抗弯曲、耐磨、延性、韧性、抗疲劳等性能, 抗渗等级超过S22, 氯离子扩散系数满足高性能混凝土对该指标的要求。

　　膨胀剂聚丙烯纤维混凝土在巴东长江大桥桥面铺装层中进行了全面施工应用, 施工过程中没有出现有害裂缝, 桥梁通车两年来没有发现桥面铺装层开裂现象, 混凝土浇注质量优良, 且比较常用的钢纤维增强聚合物水泥混凝土经济许多。

　　巴东长江公路大桥膨胀剂聚丙烯纤维混凝土坍落度控制在60~70mm 范围内, 现场留样的混凝土的28天抗压强度检测结果为: 49.3~51.4MPa, 均大于配制强度48MPa, 抗渗等级>S22, 这些结果完全满足设计要求。