纖維素纖維混凝土在裝配式橋梁預制墩柱中的應用研究

張 旭， 閆興非， 宗 霏， 張 彥， 周 杰， 馬保平

(成都交投建筑工業(yè)化有限公司技術研發(fā)中心， 四川成都 610042)

常見的市政橋梁工程除小箱梁和鋼箱梁外，其它部分基本上以現(xiàn)澆為主，但現(xiàn)澆施工常常因為現(xiàn)場工人施工技術水平的良莠不齊而出現(xiàn)各種問題[1]。特別是施工過程的圍擋支護等導致施工現(xiàn)場污染嚴重，對交通影響較大，橋梁預制拼裝成套技術的提出也就順理成章[2]。四川省成都市羊犀立交全互通改造項目是成都市首個預制裝配式橋梁工程，也是四川省預制裝配式橋梁工程的樣板工程，更是預制裝配式橋墩在西南地區(qū)的第一次應用。作為綠色橋梁施工技術在西南地區(qū)的首次推廣應用，我公司對承接的裝配式預制墩柱生產(chǎn)應用項目做了大量研究，其中，如何保證預制墩柱的自身質量和表觀效果，是研究重點。

隨著市政施工工程領域的不斷拓展，特殊工程的種類和應用不斷增加，對混凝土自身性能的要求也越來越高?，F(xiàn)有混凝土特別是單節(jié)節(jié)段長，模板拼接面多的項目施工過程中常常會存在表面微裂縫[3]，氣孔甚至有蜂窩麻面等現(xiàn)象。對于混凝土自身來說，抗拉強度低，抗拉極限變形值小，如何改善混凝土這種“本性”，就成為了現(xiàn)代混凝土工程師們研究的方向。纖維素纖維作為一種安全、易施工型纖維材料，可以改善混凝土結構力學性能，大幅提高混凝土及砂漿的均質性，有效抑制早期的塑性裂縫和干縮裂縫，因此摻加纖維素纖維可以改善混凝土自身的抗開裂性能[4-7]。在現(xiàn)有條件下，改善混凝土自身性能，纖維素纖維混凝土就成了研究方向。

本文通過研究復合纖維素纖維對C40自密實混凝土的性能影響和纖維素纖維混凝土性能特點及其在預制立柱生產(chǎn)中的方式來研究纖維素纖維等特種組分對混凝土性能的影響，從而研發(fā)出適用于裝配式橋梁應用生產(chǎn)的預制立柱產(chǎn)品、地下管廊制品以及有特殊性能要求的其它相關市政產(chǎn)品的纖維素纖維混凝土，并在此基礎上實現(xiàn)了工程示范應用。在示范工程應用的基礎上總結經(jīng)驗，對公司生產(chǎn)制品制備方式和制備方法進行調整優(yōu)化，進而生產(chǎn)出各指標滿足結構性能需求，且性價比優(yōu)良，便于推廣的市政預制構件產(chǎn)品。

1 原材料的選取及實驗技術路線

1.1 原材料

膠凝材料主要成分化學分析見表1。

表1 原材料主要成分化學分析 %Wt

(1)水泥：P·O 42.5R水泥，四川峨勝水泥股份有限公司，其基本參數(shù)指標如表2所示。

表2 水泥基本技術指標

(2)粉煤灰：火山灰活性指數(shù)70～85 %，瀘州地博粉煤灰開發(fā)有限公司風選Ⅰ級原灰。

(3)CTF纖維素纖維：上海某新材料有限公司。

(4)減水劑：固含量12.5～15 %，減水率37 %，預制構件專用聚羧酸減水劑。

(5)砂、石：四川省汶川沙場專用砂、石。

制備預制墩柱的纖維素纖維混凝土的產(chǎn)品骨料參數(shù)及表觀形貌如圖1和表3所示。

1.2 測試內(nèi)容及測試方法

砂石粗細骨料檢測按照JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》進行檢測，摻合料基礎性能測試按照GBT 51003-2014《礦物摻合料應用技術規(guī)范》、JG/T486-2015《混凝土用復合摻合料》進行測試，抗壓強度等力學性能測定按GB/T 50081-2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行。

(a)碎石(10～20mm)

(b)細石(5～10mm)

(c)機制砂(Mx:2.4～3.0)

機制砂石頭性能指標技術要求性能指標技術要求細度模數(shù)2.4～3.0含泥量≤0.5%石粉含量≤10%泥塊含量≤0.2%MB值≤1.0%針片狀顆粒含量≤5%泥塊含量≤0.5%壓碎指標≤10%石含量≤5%Dmax≤25mm松散堆積空隙率≤43%松散堆積空隙率≤42%

1.3 試驗技術路線圖

試驗技術路線圖如圖2所示。

圖2 纖維素纖維混凝土試驗技術路線

2 實驗室試驗結果分析

2.1 纖維素纖維性能特點

隨著纖維工業(yè)的發(fā)展，用于混凝土的纖維產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展到了第五代(圖3)。我們對比之前經(jīng)驗和各種纖維使用情況，選擇了CTF纖維素纖維，CTF纖維素纖維作為工程纖維應用發(fā)展的第五代產(chǎn)品，具有突出的性能及施工優(yōu)勢。

CTF纖維素纖維相對合成纖維長度與直徑較小，對混凝土工作性的影響很小，對纖維素纖維的應用提供了可能，而且有非常明顯的優(yōu)勢，解決了合成纖維對混凝土工作性能影響的頑癥，克服了傳統(tǒng)合成纖維及化學類添加劑在混凝土應用中的不足，對纖維混凝土的性能有相當好的優(yōu)化作用。通過實際對比，CTF纖維素纖維具有圖4所示性能特點。

(a)第一代聚丙烯單絲

(b)第三代單片狀纖維素纖維

(c)第四代合成粗纖維

(d)第五代CTF條形卷曲狀纖維素纖維

圖4 CTF纖維素纖維性能特點

2.2 C40自密實混凝土基礎配合比選定

在普通配合比的基礎上,我們主要從水灰比、膠材基準、砂率、粗細骨料配比等方面對混凝土拌合物的基礎性能進行對比研究，經(jīng)過試驗，整理匯總的不同配合比下混凝土基礎性能如表4所示。

由表4幾組數(shù)據(jù)對比可知，混凝土隨著膠材總量的提高，強度隨之提高，砂率提高，混凝土的強度有所減低，但流動性有所改善，減少用水量，將明顯影響混凝土的流動性和粘聚性。綜合考慮混凝土的和易性，強度及工作性能，選定表4編號5的配合比為基準配合比，此時混凝土的和易性良好，強度達到51.9 MPa，滿足生產(chǎn)混凝土性能要求，為后期加入纖維素纖維提供較好的基礎性能。

表4 不同配合比下混凝土基礎性能對比

2.3 纖維素纖維對C40自密實混凝土性能的影響

預制墩柱常規(guī)混凝土生產(chǎn)采用C40自密實混凝土，在實驗室配合比的基礎上又做了大量摻加纖維素纖維的試驗進行對比，現(xiàn)選取兩組具有代表性的配合比試驗情況進行對比。纖維素纖維摻加量為1.2 kg/m3，其它配比如表5所示，實驗室試驗拌合物工作性能情況如圖5所示。

在表5所示的配合比下，混凝土初始拌合物的工作性能良好，坍落度、擴展度都滿足預制墩柱混凝土的泵送及澆筑要求。由圖5可以看出，不加纖維的混凝土工作性能良好，基本滿足自密實混凝土的要求，同時摻加纖維素纖維的混凝土拌合物能夠均勻鋪展開而不離析泌水，勻質性和包裹性良好。

由表6可以看出，摻加纖維的混凝土的強度比未加纖維混凝土有所提高，28 d強度達到51.1 MPa，遠高于C40的強度要求，這是因為CTF纖維素纖維的親水性和空腔結構，可使尚未參與水化反應的水泥顆粒沿CTF纖維素纖維表面完全水化，對混凝土強度增長、提高混凝土密實度大有好處；并且改善混凝土的均質性，使孔隙分布均勻，有效降低空隙率，使水泥漿體和骨料結合更加緊密,從而提高了混凝土的強度和耐久性。

表5 摻加纖維素纖維混凝土配合比對比

(a)未加纖維混凝土

(b)纖維素纖維混凝土

表6 實驗室制備的混凝土性能對比

由圖6可知，在同樣振搗密實的情況下，加纖維素纖維的混凝土整體表觀較好，側面模具面氣孔相對較少，有較好的表觀質量。由圖7可知，纖維素纖維克服了普通纖維在混凝土中易結團。纏繞的缺點，分散均勻，自身不易斷裂，起到較好的搭接作用，混凝土中加入纖維材料可控制基體混凝土裂紋的進一步發(fā)展，從而提高了抗裂性；CTF纖維素纖維與混凝土漿體的充分結合對纖維混凝土的工作性能上也有很大改善。且纖維素纖維混凝土無需特殊養(yǎng)護工藝，CTF纖維素纖維內(nèi)含獨有空腔具有一定的保水性能，能夠在水化初期儲存部分自由水，對混凝土起到內(nèi)養(yǎng)護作用，不僅對混凝土的坍落度影響小，有效降低過早拆模開裂風險，而且在混凝土拆模后表面光整，內(nèi)部密實，減少了蜂窩孔洞及麻面。

(a)未加纖維混凝土

(b)纖維素纖維混凝土

由圖7可以看出，混凝土的纖維大多是在試塊被壓時的剪切力拉斷的，這是因為纖維在纖維混凝土中的主要作用，在于限制在外力作用下水泥基料中裂縫的擴展。在受荷(拉、彎)初期，當配料合適并摻有適宜的高效減水劑時，水泥基料與纖維共同承受外力，而前者是外力的主要承受者；當基料發(fā)生開裂后，橫跨裂縫的纖維成為外力的主要承受者，這也是纖維素纖維提高了混凝土抗裂能力的一個佐證。

(a)混凝土拌合物及

(b)成型混凝土試塊中的分散形式

3 生產(chǎn)中試及施工應用

在前期實驗室試配試驗分析的基礎上，我們進行了生產(chǎn)中試，分兩批澆筑了四根預制墩柱,合計約80 m3。為了更好的試驗纖維素纖維混凝土的性能，考慮到摻加纖維后混凝土的需水量有所提高，且強度有所提高，為取得最好的試驗效果和經(jīng)濟性，中試配合比在實驗室前期試驗的基礎上進行了微調，減少了20 kg總膠材用量，降低了砂率，同時把水灰比提高到了0.35，試配合比情況如表7所示。

表7 纖維素纖維配合比對比

圖8是生產(chǎn)中試預制立柱時未加纖維混凝土、加纖維混凝土的拌合物情況。結合表8可以知道，雖然加入了纖維素纖維需水量有所提高，但只需提高0.02個點的水灰比后，工作性能就能得到保證，有交好的泵送性能，并且增加了纖維提高了混凝土拌合物自身的包裹性。同時由表8也可以看出，在降低20 kg膠材的前提下，強度基本沒有變化，從側面證明了纖維素纖維對混凝土自身起到一定內(nèi)養(yǎng)護的作用。

(a)未加纖維混凝土

(b)加纖維素纖維混凝土

種類強度等級坍落度/mm擴展度/mm工作性能抗壓強度/MPa7d28d實驗室C40245595良好37.948.8中試C40215570良好37.249.6

圖9為用纖維素纖維混凝土澆筑成型的裝配式橋梁預制墩柱構件脫模后表觀(圖9正中墩柱)，可以看出與常規(guī)立柱混凝土(圖9右邊墩柱)相比較，減少了表面氣孔及微裂紋的現(xiàn)象，且混凝土勻質性的提高也使預制墩柱表面色澤一致，表觀效果較好。且后續(xù)的實際施工效果也較好，說明此時的混凝土早期及中后期的性能良好，可以用于裝配式橋梁預制墩柱的生產(chǎn)。圖10為采用的灌漿套筒干接法預制拼裝工藝的成都市羊犀立交擴容改造項目裝配式橋梁預制異形墩柱吊裝現(xiàn)場圖，也是纖維素纖維混凝土實驗墩柱在西南地區(qū)裝配式橋梁應用的首例，正是通過生產(chǎn)中試的高標準要求、現(xiàn)場實踐應用及中長期的質量追蹤保障，以優(yōu)秀的質量獲得了業(yè)主和施工方的滿意好評。

4 結論

(1)纖維素纖維在混凝土中易于分散，無再團聚、纏繞現(xiàn)象，纖維素纖維混凝土只需普通振搗工藝，可有效降低離析、泌水現(xiàn)象的可能，改善混凝土的抗壓強度、抗折強度及彎曲韌性力學性能，保證強度的前提下可以減少膠材用量。

圖9 生產(chǎn)中試預制墩柱脫模后表觀

圖10 預制異形墩柱吊裝現(xiàn)場

(2)纖維素纖維對混凝土立柱生產(chǎn)產(chǎn)品的表觀質量有一定的改善效果，具體為表面收縮裂縫、溫度裂縫、表面蜂窩孔洞、分層和色澤一致性等方面都有一定的改善效果。

(3)C40自密實纖維素纖維混凝土性能最佳配合比如表9所示, 在實際工程施工應用中性能良好，但纖維素纖維對混凝中長期土耐久性方面的作用還需要時間驗證。

表9 纖維素纖維混凝土生產(chǎn)配合比