C50快硬聚丙烯纖維混凝土在橋面鋪裝層中的應(yīng)用

趙 暉

（上海市道路運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心，上海市200023）

0 引言

隨著交通運(yùn)輸壓力的增加，道路路面大規(guī)模修復(fù)的需求也逐漸擴(kuò)大。為盡量減少維修對交通的影響，滿足快速通車要求，對路面材料提出了更高的要求。

當(dāng)前，鋼纖維混凝土施工技術(shù)已廣泛應(yīng)用于橋面鋪裝中。鋼纖維混凝土作為一種復(fù)合型材料，相比于普通混凝土，其抗壓性能和抗沖擊性能提升顯著，且抗裂性、抗剪性、耐磨性也較好。鋼纖維混凝土應(yīng)用于橋面鋪裝時(shí)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）顯著提升橋面的剛度與抗折性；（2）增加橋面抗裂性和耐久性；（3）顯著提升橋面的剛度，可以有效減小鋪裝厚度和橋梁自重；（4）改善橋梁的受力結(jié)構(gòu)[1-2]。

近年來，聚丙烯粗纖維作為鋼纖維的替代材料，開始應(yīng)用于公路橋梁路面和隧道襯砌工程中，簡稱塑鋼纖維。塑鋼纖維具有不會(huì)銹蝕、對混凝土和易性施工性能影響較小、成本較低的優(yōu)點(diǎn)[3]。

1 工程概況和設(shè)計(jì)要求

S20公路滬寧滬杭鐵路立交橋大修工程為上海市公路局于2020年立項(xiàng)的重點(diǎn)工程項(xiàng)目，工程跨度范圍約1.4km，覆蓋雙向8車道。原橋主體為空心板梁橋結(jié)構(gòu)，本次大修需對原有瀝青和鋪裝混凝土進(jìn)行銑刨鑿除重新施工，進(jìn)一步提升橋梁質(zhì)量和延長橋梁使用壽命，更高效地保障外環(huán)線的交通運(yùn)輸通暢。

混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)采用分段施工，以橋面收縮縫為界，單段長度約90m，混凝土厚度110~150mm，雙層鋼筋網(wǎng)片?；炷猎O(shè)計(jì)要求為：泵送C50快硬聚丙烯纖維混凝土，抗壓強(qiáng)度1d達(dá)到30MPa，7d達(dá)到40MPa，28d達(dá)到50MPa。

C50快硬聚丙烯纖維混凝土中改善收縮性能的原材料要求為：28d限制膨脹率（水中7d轉(zhuǎn)空氣中21d）不小于-0.02%。

C50快硬聚丙烯纖維混凝土技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 泵送型C50快硬聚丙烯纖維混凝土技術(shù)指標(biāo)

借鑒既有經(jīng)驗(yàn)配比，通過常用材料驗(yàn)證C50快硬聚丙烯纖維混凝土各項(xiàng)性能，初步比選試驗(yàn)配合比。比選參數(shù)有水膠比、總漿量、砂率、空隙率以及外加劑摻量等，通過初步比選試驗(yàn)，測試混凝土坍落度、坍落度擴(kuò)展度以及工作性經(jīng)時(shí)損失，選擇拌合物性能較好、較優(yōu)的配合比。C50快硬聚丙烯纖維混凝土性能指標(biāo)及配合比設(shè)計(jì)參數(shù)范圍選擇[4]見表2，配合比設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整范圍見表3。

2 混凝土配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)

C50快硬聚丙烯纖維混凝土配合比試驗(yàn)時(shí)，首先通過常規(guī)材料優(yōu)選確定其規(guī)格型號(hào)，然后通過配合比參數(shù)設(shè)計(jì)，選擇功能材料和纖維并調(diào)整參數(shù)用量，使得C50快硬聚丙烯纖維混凝土性能達(dá)到設(shè)計(jì)和施工要求[5]。

表2 泵送型C50快硬聚丙烯纖維混凝土性能指標(biāo)

2.1 主要材料

（1）52.5PII南方水泥，其主要性能指標(biāo)見表4。

表4 52.5PII南方水泥主要性能指標(biāo)

（2）上海寶田S95級礦粉，其主要性能指標(biāo)見表5。

表5 上海寶田S95級礦粉主要性能指標(biāo)

（3）FII榮迪粉煤灰。

（4）外加劑為瑞士SIKA公司V1220-A3型（液）高效聚羧酸系外加劑(A3西卡)，具有減水率高、摻量低、與水泥適應(yīng)性好、坍落度損失小和無污染等特點(diǎn)，并輔助添加消泡組分，可減少混凝土內(nèi)部的氣泡數(shù)。

（5）中砂，級配見表6。

表6 砂篩分

（6）改性礦物摻合料為DENKA改性粉和蘇博特改性粉，其主要性能指標(biāo)見表7、表8。

表7 DENKA改性粉主要性能指標(biāo)

表8 蘇博特改性粉主要性能指標(biāo)

（7）聚丙烯纖維為長堅(jiān)細(xì)纖維（簡稱細(xì)纖維）和Bar Chip長纖維（簡稱粗纖維），其主要性能指標(biāo)見表9、表10。

表9 長堅(jiān)細(xì)纖維主要性能指標(biāo)

表10 Bar Chip長纖維主要性能指標(biāo)

2.2 基準(zhǔn)配合比[6]

初步采用的基準(zhǔn)配合比為：水膠比0.33，砂率38%，外加劑摻量0.8%；膠凝總量470kg/m3，其中水泥70%，礦粉18%，粉煤灰12%?；鶞?zhǔn)配合比見表11。

表11 基準(zhǔn)配合比 單位：kg/m3

在基準(zhǔn)配合比基礎(chǔ)上，對比摻加2種聚丙烯纖維和2種改性粉料，測試混凝土工作性能、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度后進(jìn)行優(yōu)選，確定最佳的纖維類型和改性粉品種及其摻量。

2.3 單摻聚丙烯纖維

聚丙烯纖維分為細(xì)纖維和粗纖維2種，前者纖維直徑在0.06mm以下，長度在20mm以下，在混凝土中摻加的體積分?jǐn)?shù)一般不超過0.1%，主要起減少混凝土早期塑性收縮裂縫與沉降裂縫的作用；后者直徑在0.1mm以上，長度在30mm以上，其主要作用是減少混凝土的干縮裂縫，大幅度提高混凝土的延性、韌性與抗沖擊性，若在混凝土中摻加的體積分?jǐn)?shù)達(dá)0.5%以上，可起到與鋼纖維類似的作用[7]。本次研究采用正交試驗(yàn)方法，對比纖維類型和摻量對混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)的影響，具體試驗(yàn)情況見表12。

由表12可知，摻入聚丙烯纖維后，混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均有一定增長，但隨著摻量的提高，提升的幅度不大。細(xì)纖維摻量增加對混凝土工作性能影響較大，需要通過增加外加劑摻量來調(diào)整；粗纖維摻量增加對混凝土工作性能影響不大。

2.4 單摻改性粉

近幾年來，為提高混凝土相應(yīng)指標(biāo)性能，滿足不同工況條件要求，各種混凝土改性粉狀摻合料也得到開發(fā)和應(yīng)用。本次研究采用的DENKA改性粉和蘇博特改性粉都具有一定的微膨脹作用，能減小混凝土自收縮，降低混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)（產(chǎn)品性能描述）[8]。

對比單摻20kg/m3、30kg/m3改性粉對混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)的影響，具體試驗(yàn)情況見表13。

由表13可知，單摻改性粉對混凝土工作性能影響不大；單摻DENKA改性粉的混凝土3d、7d抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度增加較大，28d抗折強(qiáng)度有一定增加；單摻蘇博特改性粉的混凝土，因?yàn)槠渲械臏乜亟M分對其早期水化反應(yīng)有一定抑制作用，使其早期抗壓強(qiáng)度有所下降，28d后差距減?。浑S著改性粉摻量增加，混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均有一定幅度增加[9]。

2.5 復(fù)摻纖維和改性粉

取纖維2.5kg/m3，改性粉30kg/m3，外加劑摻量為0.8%，進(jìn)行混凝土性能指標(biāo)試驗(yàn)，具體試驗(yàn)情況見表14。

由表14可知，復(fù)摻纖維和改性粉的混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)與前述單摻時(shí)相似，摻細(xì)纖維時(shí)工作性稍差，摻粗纖維時(shí)工作性較好，摻DENKA改性粉時(shí)早期性能發(fā)展較快，摻蘇博特改性粉時(shí)早期性能發(fā)展較慢；選擇Bar Chip粗纖維+DENKA改性粉的組合能夠更好滿足實(shí)際工程要求。

2.6 配合比確定

根據(jù)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，確定聚丙烯纖維為Bar Chip粗纖維、改性礦物摻和料為DENKA改性粉。該混凝土和易性能優(yōu)良，抗壓強(qiáng)度早期和28d齡期最高，劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度較高。所確定的配合比見表15。

表12 單摻纖維試驗(yàn)情況

表13 單摻改性粉試驗(yàn)情況

表14 復(fù)摻纖維和改性粉試驗(yàn)情況

表15 配合比確定 單位：kg/m3

經(jīng)檢測，該優(yōu)選配合比混凝土膨脹率為-0.01%，滿足設(shè)計(jì)施工要求。

混凝土收縮試驗(yàn)：在確定的混凝土配合比基礎(chǔ)上，當(dāng)混凝土達(dá)到最佳泵送流淌效果并保持其性能時(shí)，進(jìn)行混凝土收縮測試。測試得到的混凝土收縮值及混凝土收縮平均值（收縮值/試件長度）見表16。

表16 混凝土7d、28d收縮檢測

由表16可知，摻加纖維和改性粉后，混凝土7d、28d收縮平均值均符合設(shè)計(jì)要求，更有利于混凝土收縮裂縫和耐久性的質(zhì)量控制[10]。

3 實(shí)體工程應(yīng)用

混凝土生產(chǎn)過程中，摻合料和纖維采用定量包裝、人工投料方式添加，為保證攪拌均勻性，攪拌時(shí)間延長至120s一盤。運(yùn)輸過程中攪拌車保持罐體轉(zhuǎn)動(dòng)，并在卸料前快速轉(zhuǎn)動(dòng)2min以保證出料的均勻性。

實(shí)體工程中，單向4車道分2次施工，2根車道封閉，2根開放。混凝土施工以泵送施工為主，盡量安排在夜間車流量較小時(shí)進(jìn)行，可以減少交通壓力以及對混凝土擾動(dòng)的影響。長度方向上以1聯(lián)約90m長為1個(gè)施工段，采用跳倉法施工。每晚施工2聯(lián)左右，全部混凝土施工完成后，進(jìn)行表面鑿毛后攤鋪瀝青，隨后開放交通。

截至2020年8月底，已完成1條單向4車道的作業(yè)施工并通車。期間澆筑的C30快硬聚丙烯纖維混凝土施工性能良好，無明顯有害裂縫。DENKA改性粉的混凝土早期3d、7d抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度增加較大，抗折強(qiáng)度有一定增加；摻蘇博特改性粉的混凝土，因?yàn)槠渲械臏乜亟M分對其早期水化反應(yīng)有一定抑制作用，導(dǎo)致其早期指標(biāo)有所下降，28d后差距減??；隨著改性粉摻量增加，混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均有一定幅度增加。

（3）復(fù)摻纖維和改性粉的混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)與單摻時(shí)相似，摻長堅(jiān)細(xì)纖維時(shí)工作性稍差，摻Bar Chip粗纖維時(shí)工作性較好；摻DENKA改性粉時(shí)早期性能發(fā)展較快，摻蘇博特改性粉時(shí)早期性能發(fā)展較慢；選擇Bar Chip粗纖維+DENKA改性粉的組合能夠更好滿足實(shí)際工程要求。

（4）通過優(yōu)化混凝土配合比，添加纖維和改性礦物摻合料等功能材料，提高了混凝土早期強(qiáng)度和抗裂性能，一方面能快速修復(fù)車道并恢復(fù)交通，減少施工對交通通行的影響，另一方面延長了混凝土的使用壽命，避免了反復(fù)修、經(jīng)常修的情況，降低了道路的維護(hù)成本。

（5）通過攪拌站集中預(yù)拌快硬混凝土，膠凝材料主要使用硅酸鹽系列，更有利于結(jié)構(gòu)耐久性要求。同時(shí)解決了現(xiàn)場拌制快硬混凝土效率低下問題，也解決了現(xiàn)場生產(chǎn)帶來的揚(yáng)灰、噪音等環(huán)境污染問題。

4 結(jié)語

（1）摻入聚丙烯纖維后，混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均有一定增長，但隨著纖維摻量的提高，其提升的幅度不大。細(xì)纖維摻量增加對混凝土工作性能影響較大，需要通過增加外加劑摻量來調(diào)整。粗纖維摻量增加對混凝土工作性能影響不大。

（2）摻入含有微膨脹組分的改性粉，混凝土收縮性能得到改善，但對混凝土工作性能影響不大；摻入