橋梁伸縮縫混凝土外摻劑使用及施工要點(diǎn)探討

梁志成

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

橋梁伸縮縫作為橋面系中唯一直接暴露在車輪碾壓下的結(jié)構(gòu)體，其耐用性、穩(wěn)定性、安全性越來越得到設(shè)計(jì)和施工單位的重視。伸縮縫的混凝土體系作為連接縫體和梁板（墩臺(tái)），使梁體與伸縮縫平穩(wěn)過渡的連接部分，保證行車通過性和舒適性的主要結(jié)構(gòu)體，其施工質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響了伸縮縫的使用性能。伸縮縫混凝土體系受力復(fù)雜所處工作環(huán)境惡劣，導(dǎo)致出現(xiàn)損壞的原因很多。下面對(duì)伸縮縫用混凝土各種外摻劑的特性和施工要點(diǎn)進(jìn)行分析和探討。

1 鋼纖維混凝土的重要性和施工要點(diǎn)

鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入適量鋼纖維配制而成的一種復(fù)合材料。鋼纖維的引入能夠大幅提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗折強(qiáng)度、抗裂性能，使脆性的混凝土具有一定的柔韌性。另外鋼纖維混凝土具有較好的能量吸收和良好的抗沖擊能力，使結(jié)構(gòu)的抗震性能提高。所以目前橋梁伸縮縫安裝大多采用鋼纖維混凝土。

通常在實(shí)際施工中，往往使用普通的C50配合比配制混凝土，再加入鋼纖維。這種認(rèn)為只需在C50混凝土中加入鋼纖維的辦法就是鋼纖維混凝土的看法是一種誤區(qū)。因?yàn)殇摾w維的摻入會(huì)改變混凝土的級(jí)配比例，同時(shí)對(duì)混凝土的流動(dòng)性有較大的減低效果。而且為了保證鋼纖維在混凝土中能被足夠的砂漿包裹，所以混凝土的砂率也較一般的混凝土要高。因此鋼纖維混凝土應(yīng)是將鋼纖維也作為集料的一種進(jìn)行專業(yè)化的配合比設(shè)計(jì)。

鋼纖維的長(zhǎng)徑比和體積率是對(duì)新拌鋼纖維混凝土的和易性和硬化后的力學(xué)性能產(chǎn)生影響的最主要因素。通常認(rèn)為，鋼纖維的增強(qiáng)機(jī)理是在混凝土中均勻分布的鋼纖維形成互相交織的網(wǎng)絡(luò)，對(duì)混凝土中的骨料產(chǎn)生約束作用。鋼纖維的摻入能有效降低混凝土內(nèi)部缺陷處的應(yīng)力集中系數(shù)，提高混凝土的極限拉伸應(yīng)變和韌性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)骨料的粒徑為鋼纖維的長(zhǎng)度的1/3～1/2時(shí)，鋼纖維的增強(qiáng)效果最好。從作用機(jī)理上來看，長(zhǎng)于骨料粒徑的鋼纖維才能更好地鏈接各個(gè)骨料，這一點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果正好吻合。但是過長(zhǎng)的鋼纖維容易結(jié)團(tuán)，難以攪拌均勻，反而降低混凝土的性能。所以多采用降低骨料粒徑的方法來保證合理的鋼纖維長(zhǎng)度與骨料粒徑的比例。

長(zhǎng)徑比是選取鋼纖維的主要決定因素。因?yàn)檩^低的長(zhǎng)徑比會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的邊壁效應(yīng)（是指由于受骨料粗糙邊壁的影響，纖維往往會(huì)沿骨料邊壁平行的方向取向），鋼纖維沿骨料界面分布起不到阻裂的作用。而太過纖細(xì)的鋼纖維又缺乏足夠的強(qiáng)度，所以通常取鋼纖維直徑1～2 mm，長(zhǎng)徑比40～60。

鋼纖維的添加量也至關(guān)重要（我們常用體積率來表現(xiàn)添加量的大小）。按照不同的體積率配制鋼纖維混凝土，我們觀察混凝土力學(xué)性能的變化。在圖1中，隨著鋼纖維體積率的增加，7 d抗壓強(qiáng)度較快增長(zhǎng)，但是當(dāng)鋼纖維體積率超過1%后，抗壓強(qiáng)度的增加則顯著變緩。在圖2中，抗折強(qiáng)度在添加量較小時(shí)幾乎沒有變化，而到0.6%時(shí)開始快速增長(zhǎng)，超過1.0%后抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)變緩，但是還繼續(xù)增加。可以看到在體積率比較小的情況下，鋼纖維混凝土與普通混凝土在力學(xué)性能上差別微小，這一點(diǎn)也符合上文所述的鋼纖維作用機(jī)理。在體積率超過1%之后，強(qiáng)度的增量則明顯減小。而過大的摻入量，甚至?xí)箍箟簭?qiáng)度下降。所以在實(shí)際工程中取值1.0%是比較合理的。通常在設(shè)計(jì)中每立方添加70～80 kg恰符合上述的取值范圍。

圖1 7 d抗壓強(qiáng)度和鋼纖維體積率關(guān)系圖

圖2 7 d抗折強(qiáng)度和鋼纖維體積率關(guān)系圖

在實(shí)際施工中，我們還要注意以下幾點(diǎn)：

a）為避免纖維產(chǎn)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，不宜將水泥與鋼纖維直接混合，應(yīng)采取“集料+鋼纖維+集料+水泥”的投料方法。

b）必須采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)。鋼纖維混合料采用“先干后濕”的攪拌方法，干料攪拌時(shí)間大于等于120 s，然后加水濕拌時(shí)間大于等于60 s。

c）為保證鋼纖維的長(zhǎng)度要2～3倍于骨料的粒徑，我們通常選用20 mm以下粒徑的骨料。砂率要較普通混凝土略高，從施工的考慮控制砂率在60%較合適。

2 粉煤灰的優(yōu)、缺點(diǎn)

伸縮縫用混凝土是否應(yīng)使用粉煤灰具有非常大的爭(zhēng)議。

首先因?yàn)榉勖夯覝p慢了新拌混凝土的水化反應(yīng)速度，故摻加粉煤灰后混凝土的早期強(qiáng)度低于普通混凝土，且粉煤灰摻量越高早期強(qiáng)度越低。在伸縮縫施工中，澆筑后的混凝土為保證盡早開放交通，所以需要較高的初期強(qiáng)度，且為了避免終凝時(shí)間過長(zhǎng)，一般只添加很少的粉煤灰或者不添加。

一些試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為粉煤灰會(huì)造成早期干縮開裂，降低抗碳化性，甚至對(duì)強(qiáng)度有影響。但是有些研究結(jié)果卻與此截然相反。這一現(xiàn)象的主要原因是不同品質(zhì)的粉煤灰其化學(xué)成分存在較大的差異。同時(shí)由于其和水泥適配性的差別，形成了不同的試驗(yàn)結(jié)果。例如，若粉煤灰的玻璃項(xiàng)中的CaO含量高而Fe2O3含量低，則會(huì)導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生膨脹性破壞。某些摻入高鈣粉煤灰的混凝土內(nèi)會(huì)形成大量的鈣礬石，也導(dǎo)致混凝土的破壞。而通過對(duì)摻入高品質(zhì)粉煤灰混凝土的研究結(jié)果表明，適量地使用粉煤灰不僅不會(huì)造成早期開裂，同時(shí)還可以極大地改善混凝土的性能。

a）粉煤灰填充骨料顆粒的空隙并包裹它們形成潤(rùn)滑層，同時(shí)能和氫氧化鈣發(fā)生火山灰反應(yīng)，對(duì)改善混凝土的各項(xiàng)性能有顯著作用。

b）可以改善混凝土拌合料的流動(dòng)性、黏聚性和保水性，使混凝土拌合料易于泵送、澆筑成型，并可減少坍落度的經(jīng)時(shí)損失。

c）由于其低活性形成的二次水化作用，進(jìn)一步提高混凝土的密實(shí)度，界面結(jié)構(gòu)得到改善。同時(shí)提高混凝土的抗?jié)B性和抗硫酸鹽腐蝕性和抗鎂鹽腐蝕性等。由于粉煤灰比表面積巨大，粉煤灰顆?？梢晕剿嘀械膲A，并與堿發(fā)生反應(yīng)而消耗其數(shù)量，可以抑制或減少堿集料反應(yīng)。

d）粉煤灰可以降低混凝土的徐變，粉煤灰的減水效應(yīng)也使得粉煤灰混凝土的干縮較普通混凝土略低。

e）在與其他外加劑互相作用下還可以產(chǎn)生優(yōu)勢(shì)擴(kuò)大的效果，如和引氣劑配合使用能顯著提高混凝土的抗凍能力。

因我國(guó)燃煤電廠眾多，煤種來源也不同，排出的粉煤灰品質(zhì)也差別巨大。質(zhì)量差異較大的粉煤灰用于混凝土結(jié)構(gòu)中使構(gòu)件外觀出現(xiàn)了明顯的色差和性質(zhì)的不穩(wěn)定。所以在實(shí)際施工中確實(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的質(zhì)量隱患，這也是粉煤灰爭(zhēng)議的主要原因。

3 外加劑的使用和配合比設(shè)計(jì)

外加劑的使用要高度重視水泥與外加劑的適應(yīng)性，二者間的相容性絕不容忽視。

混凝土中參與水化反應(yīng)的水只占很少一部分，大部分以游離水的形式存在。游離水會(huì)產(chǎn)生大且不封閉的孔隙降低混凝土的密實(shí)度，所以控制用水量是保證混凝土質(zhì)量的重要手段。減水劑能顯著減少混凝土的拌合用水量，可以增加流動(dòng)性、改善混凝土拌合物的泌水、離析現(xiàn)象延緩混凝土的凝結(jié)時(shí)間，減慢水泥水化放熱速度、提高混凝土強(qiáng)度。同時(shí)有研究認(rèn)為，減水劑對(duì)于混凝土的防止早期開裂也有一定的效果。在坍落度控制在11～18 cm之間，加入高效減水劑的情況下，可以明顯減少混凝土的干燥收縮，增強(qiáng)混凝土的抗裂性能。在實(shí)際施工過程中，在坍落度的損失比較大的時(shí)候，我們還可以使用后摻法，在澆筑前摻入少量減水劑來提高施工過程的坍落度。

炎熱或需要長(zhǎng)距離運(yùn)輸混凝土的情況下，我們還可以在新拌混凝土中加入緩凝劑。但通常這種外加劑不應(yīng)用在伸縮縫施工中。因?yàn)闈仓瓿珊?，要?jīng)行“抹面”作業(yè)，如果混凝土終凝時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)極大地增加混凝土表面早期開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

引氣劑能在混凝土拌合過程中引入大量分布均勻的微小氣泡，以減少混凝土拌合物的泌水、離析，改善和易性，增加坍落度。長(zhǎng)久以來認(rèn)為引氣劑會(huì)降低混凝土強(qiáng)度，這種觀點(diǎn)是不全面的。大量的試驗(yàn)和理論研究表明，正確使用引氣劑對(duì)混凝土強(qiáng)度沒有明顯的影響。使用性能優(yōu)異的引氣劑，一般可以減少混凝土用水量的7%～8%，從而可補(bǔ)償因孔隙率增加而引起的強(qiáng)度下降。在引氣劑和粉煤灰配合使用的情況下，還可以顯著提高混凝土的抗?jié)B性。由于伸縮縫混凝土直接暴露在外，抗?jié)B能力對(duì)于伸縮縫混凝土的耐久性有重大的影響，同時(shí)引氣劑還可以顯著提高混凝土的抗凍融能力。所以在伸縮縫混凝土中添加引氣劑是十分必要的，這一點(diǎn)應(yīng)引起設(shè)計(jì)和施工單位的重視[1]。

混凝土的早期裂縫主要為收縮型裂縫，包括塑性收縮裂縫、溫度收縮裂縫、干燥收縮裂縫、碳化收縮裂縫和自身收縮裂縫等。為避免這類裂縫的產(chǎn)生，除了要加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)外，還應(yīng)采取限制和補(bǔ)償收縮的措施。在混凝土中加入膨脹劑可以起到減少和補(bǔ)償收縮的作用，特別是對(duì)于有較高抗裂要求的伸縮縫混凝土有良好的使用效果。由于伸縮縫混凝土多為鋼纖維混凝土，為了保證對(duì)鋼纖維的包裹，這就需要較大的膠凝材料的用量，而膠凝材料的增加也會(huì)加大混凝土的收縮，所以在伸縮縫混凝土中使用膨脹劑則更為必要。同時(shí)因鋼纖維約束作用，二者互相配合，可以很好地控制干縮值，完全可以滿足實(shí)際工程的需要[2]。

在各種外加劑共同作用下，可以使混凝土的工作性能有不同程度的改變。所以在不同施工環(huán)境中，甚至在同一工地的不同施工部位中，對(duì)外加劑的使用都要區(qū)別和謹(jǐn)慎對(duì)待。

根據(jù)以上論述對(duì)配合比的設(shè)計(jì)提供以下參考：水泥強(qiáng)度等級(jí)52.5 MPa，水泥用量400～450 kg/m3，鋼纖維摻量0.9%～1.1%，砂率0.5～0.6，粗集料為5～20 mm連續(xù)級(jí)配碎石，使用高效引氣性減水劑、膨脹劑、高品質(zhì)粉煤灰，坍落度12～15 cm。

4 澆筑和養(yǎng)護(hù)

在澆筑前應(yīng)灑水潤(rùn)濕預(yù)留槽，但是要注意不能使預(yù)留槽內(nèi)有積水。積水在受混凝土擠壓的情況下，在上升過程中會(huì)形成一些薄弱環(huán)節(jié)，可能是一些早期裂縫的產(chǎn)生原因，這一點(diǎn)在施工過程中往往得不到重視。

振搗是混凝土澆筑過程的最后一步，振搗效果直接影響混凝土最終的工作性能。振搗務(wù)必要細(xì)致，要注意下振動(dòng)棒的間距，不能發(fā)生漏振，特別是位移箱處要格外注意。在振動(dòng)過程中務(wù)必保證水泥漿已泛上表面，拌合物中的氣泡不再冒出來。對(duì)于預(yù)留槽深度超過50 cm的情況，最好分層振搗，以保證密實(shí)度。

在實(shí)際施工作業(yè)過程中，對(duì)伸縮縫混凝土進(jìn)行常規(guī)養(yǎng)護(hù)是非常麻煩的，同時(shí)養(yǎng)護(hù)效果也并不理想。但由于伸縮縫混凝土對(duì)養(yǎng)護(hù)的要求又非常高，養(yǎng)護(hù)不到位不僅產(chǎn)生很多收縮裂縫，嚴(yán)重的甚至造成早期破壞。所以伸縮縫過渡區(qū)混凝土的養(yǎng)護(hù)方法通常采用在表面覆蓋塑料薄膜的方法，這種方法不僅簡(jiǎn)單適用，同時(shí)也可以免去不斷地灑水保濕。在抹面完成后先覆蓋一層土工布，然后在土工布上覆蓋薄膜，覆蓋的薄膜要大于土工布，把土工布和伸縮縫完全覆蓋，在覆蓋后，用沙土把薄膜的外緣全部封死，使內(nèi)部形成一個(gè)密不透氣的空間。為了減少早期干縮裂縫選擇傍晚和涼爽天氣澆筑也十分必要。

現(xiàn)在市場(chǎng)上有一種混凝土養(yǎng)護(hù)劑，對(duì)于表面積較小的伸縮縫混凝土很適用。在使用養(yǎng)護(hù)劑的同時(shí)配合常規(guī)養(yǎng)護(hù)也可以取得非常好的養(yǎng)護(hù)效果，同時(shí)使用也十分簡(jiǎn)單易行。

5 寒冷季節(jié)施工和主要病害

混凝土的硬化是由于水和水泥水化反應(yīng)的作用。隨著溫度的降低水化反應(yīng)速度也會(huì)降低，當(dāng)溫度降到0℃，混凝土中的一部分水會(huì)從液相變成固相，水化作用會(huì)進(jìn)一步減慢。當(dāng)溫度繼續(xù)下降，混凝土中的水會(huì)完全變成冰，水化作用也趨近于停止，此時(shí)強(qiáng)度也就不再增長(zhǎng)。水在變成冰后，隨著體積的增大會(huì)產(chǎn)生2 500 kg/m2的膨脹應(yīng)力，在混凝土初期強(qiáng)度低于這個(gè)值的階段，混凝土?xí)艿讲煌潭鹊钠茐?，?huì)嚴(yán)重降低混凝土的抗壓強(qiáng)度和耐久性，對(duì)抗凍融能力也有巨大的破壞作用。所以防止凍害的關(guān)鍵就是要在環(huán)境溫度降到0℃以下之前使混凝土具有足夠抵御冰脹應(yīng)力的強(qiáng)度，我國(guó)規(guī)定“不低于設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)的30%，也不得低于35 kg/m2”，也被稱為臨界強(qiáng)度。所以伸縮縫施工應(yīng)盡可能在高于5℃的環(huán)境溫度下施工，而當(dāng)晝夜平均溫度低于-5℃的情況下不應(yīng)進(jìn)行混凝土澆筑。在晝夜平均氣溫在-5℃～0℃之間施工時(shí)，則要采取措施來保證混凝土施工質(zhì)量。

防凍劑可以使水的冰點(diǎn)降低，在低于0℃時(shí)仍能保持液態(tài)。引氣劑可以改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生很多小而封閉的孔洞，使得混凝土受凍后不產(chǎn)生負(fù)壓水的流動(dòng)。為了使混凝土能最短時(shí)間達(dá)到臨界強(qiáng)度，還應(yīng)該摻入一定量的早強(qiáng)劑，同時(shí)采用80℃～90℃的加熱水拌制混凝土，保證澆筑時(shí)混凝土的溫度不低于15℃?；炷恋倪\(yùn)輸距離也要盡可能的短。外加劑可以顯著地提高混凝土的抗凍能力，但是往往忽視了水泥本身的抗凍能力，選擇抗凍性能高的水泥也十分重要。在新拌混凝土中，最終參與水化反應(yīng)的水分只占30%左右，游離水會(huì)產(chǎn)生大且不封閉的孔隙降低混凝土的密實(shí)度，甚至?xí)Y(jié)冰使后期的抹面工作難以進(jìn)行。所以一定要控制好水灰比，不宜超過0.4。

在寒冷季節(jié)施工，應(yīng)使用保溫效果好的材料支模，如泡沫塑料。若使用鋼板支模，則應(yīng)在鋼板之間再填充泡沫塑料。在澆筑完成后，需采用電熱毯等措施加溫養(yǎng)護(hù)，當(dāng)混凝土獲得的初期強(qiáng)度較高后（達(dá)到臨界強(qiáng)度），則可只以常規(guī)方式繼續(xù)養(yǎng)護(hù)，但需延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)期至14 d以上。

凍融破壞是我國(guó)北部地區(qū)新修伸縮縫最主要的病害形式。往往一到兩個(gè)冬季，伸縮縫混凝土體表層就大量脫落。為防止凍融破壞，不僅要注重混凝土本身的抗凍融能力，同時(shí)在冬季下雪后，應(yīng)及時(shí)將覆蓋在伸縮縫上的積雪清理干凈。研究表明一些融雪劑（通常主要成分為氯鹽）可以使混凝土的表面更易在受凍后剝落，所以在除冰時(shí)不應(yīng)在伸縮縫上使用融雪劑。在施工時(shí)，適當(dāng)增大引氣量可以使混凝土在凍融環(huán)境下能更加耐久，同時(shí)也要避免在面層上過多地操作（抹面）。