公路橋梁施工中高性能混凝土的應(yīng)用

江 舟,程自強

(1.湖南省湘筑工程有限公司,湖南 長沙 410000;2.湖南省高速公路集團有限公司,湖南 長沙 410000)

在如今社會經(jīng)濟快速發(fā)展的背景下,我國公路橋梁工程的建設(shè)規(guī)模在不斷擴大,相應(yīng)的施工技術(shù)工藝也越來越先進。在多年各類工程的施工實踐過程中,高性能混凝土作為一種重要的工程施工材料,對保證施工質(zhì)量、提升施工效率等都做出了突出貢獻。如今,我國多個地區(qū)的公路橋梁工程施工中,高性能混凝土的應(yīng)用率都越來越高,但是受到各方面因素影響也暴露出一些問題。因此,有必要基于公路橋梁工程施工的實際情況,正確認識高性能混凝土的應(yīng)用特征及價值,對該工藝的質(zhì)量控制措施進行深入探討。

1 高性能混凝土概述

1.1 基本定義

高性能混凝土主要是在傳統(tǒng)混凝土材料的基礎(chǔ)上,通過優(yōu)選材料、優(yōu)化配比、創(chuàng)新工藝所制成的一種各方面性能都更為突出的混凝土材料[1]。其“高性能”代表的主要性能包括強度、耐久性、體積穩(wěn)定性等,這些都是混凝土能夠有效發(fā)揮其應(yīng)用價值的關(guān)鍵。通常情況下,高性能混凝土的生產(chǎn)制造,除了要優(yōu)選各類材料及外加劑以外,低水膠比和專用摻合料、外加劑的使用是提升其各方面性能的重要舉措。高性能混凝土的概念最早誕生于上世紀50年代,發(fā)展至今,各國國家或地區(qū)對該材料的定義存在一定差異。比如,美國工程領(lǐng)域普遍認為,高性能混凝土是一種在施工中易于澆筑、振搗,較少產(chǎn)生離析現(xiàn)象,且能夠長期保持足夠強度和穩(wěn)定性的混凝土。日本工程領(lǐng)域一般認為高性能混凝土是一種具備良好填充能力的工程材料,對澆筑過程的振搗要求較低,且具有很好的抗裂、抗老化能力。在我國,高性能混凝土的使用最早是上世紀末,經(jīng)過約30年的發(fā)展,如今已經(jīng)在各類基礎(chǔ)工程、土建工程建設(shè)中得到重要應(yīng)用。在《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(CECS207-2006)中對高性能混凝土進行了標(biāo)準(zhǔn)定義,強調(diào)了該工程材料在具備普通混凝土各項力學(xué)性能的基礎(chǔ)上,具有極高耐用性、工作性及體積穩(wěn)定性。

1.2 特征

(1)高耐久性。作為現(xiàn)代工程建設(shè)中的核心材料,混凝土需要滿足各類工程建設(shè)使用的耐久性需求。因此,在研究和應(yīng)用高性能混凝土?xí)r,高耐久性也是該材料工藝的突出特征之一。尤其在我國各類公路橋梁工程的建設(shè)中,由于相關(guān)工程所在地區(qū)往往擁有復(fù)雜的自然環(huán)境,所以需要混凝土構(gòu)件具有極強的抗老化、抗凍、耐高溫性能。從專業(yè)角度來看,高性能混凝土的CI-滲透率比普通混凝土低很多,意味著其能夠很好適應(yīng)各種露天環(huán)境?；谠撎卣?高性能混凝土構(gòu)件的抗?jié)B性和密實性更強,進而具有更好的抗腐蝕能力[2]。

(2)自密實性。由于高性能混凝土配制時的用水量比較低,所以其抗離析能力較強,加上其具有很好的流動性,所以在混凝土澆筑中的填充性很好。甚至在一些大體積混凝土構(gòu)件施工中,采用配比合適的高性能混凝土可以幾乎不用進行振搗即可達到施工要求。

(3)體積穩(wěn)定性。高性能混凝土擁有低收縮、低徐變、高彈性模量特點,受溫度變化而產(chǎn)生的形變較小。常用的普通混凝土彈性模量一般在20 GPa左右,而高性能混凝土彈性模量可以超過50 GPa。在實際應(yīng)用中,通過使用強度高、彈性模量高的粗集料,同時減少水泥用量,可以極大程度上減少混凝土的干縮性。在實際應(yīng)用中,配制得當(dāng)?shù)母咝阅芑炷?0 d干縮量甚至不超過0.04%。

2 高性能混凝土在公路橋梁工程中的應(yīng)用價值

2.1 有助于提升工程環(huán)境適應(yīng)性

眾所周知,我國地緣廣闊,各個地區(qū)地勢地貌、氣候條件存在很大的差異,意味著不同公路橋梁工程所處的環(huán)境是不同的。作為直接受到各種環(huán)境因素影響的工程,公路橋梁工程需要具有極強的環(huán)境適應(yīng)性[3]。而高性能混凝土的應(yīng)用,可以有效提升公路橋梁的耐用性、穩(wěn)定性。例如,較好的自密實性可以有效提升公路橋梁構(gòu)件的防水防滲能力,避免野外環(huán)境中的地下水、地表水、自然降水侵蝕工程結(jié)構(gòu),造成工程質(zhì)量問題。再比如,高性能混凝土可以有效抵抗各種腐蝕,便于在不同環(huán)境下建造可靠耐用的公路橋梁。

2.2 可有效減少沉降問題

在公路橋梁工程的建造施工和運行中,沉降問題備受關(guān)注。無論是道路路基還是橋梁基礎(chǔ),有效控制沉降是確保工程運行安全的關(guān)鍵,也是延長其使用壽命的核心手段。高性能混凝土坍落度控制性能較好,在配制、振搗施工時,該材料粘性較大的特點意味著水泥、粗骨料之間的結(jié)構(gòu)強度更好。在澆筑完成之后,粗骨料不會大量下沉,從而保證混凝土構(gòu)件的均勻性和穩(wěn)定性,提高了公路橋梁基礎(chǔ)的抗剪性能,進而有效減少沉降率。

2.3 可以滿足大體積、大跨境構(gòu)件施工需求

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,我國各地區(qū)公路橋梁工程的建設(shè)規(guī)模在不斷擴大,尤其是在一些山區(qū),涉及到大量大跨境橋梁工程的建設(shè)施工。顯然,傳統(tǒng)混凝土無論是強度、穩(wěn)定性還是耐用性都無法達到這類工程構(gòu)件的建造要求。而高性能混凝土在大體積及大跨境工程構(gòu)件的建造中,可以有效達到工程設(shè)計要求。值得一提的是,相對于普通混凝土,高性能混凝土的自重也相對較輕,在橋梁離岸結(jié)構(gòu)物、大跨徑橋梁建造中的應(yīng)用優(yōu)勢更為明顯[4]。

2.4 具有很好的經(jīng)濟性優(yōu)勢

得益于高性能混凝土多方面良好的特性優(yōu)勢,在公路橋梁施工中可以很大程度上減少工程量,提高施工效率,減少施工人力成本及時間成本。其次,在橋梁工程中應(yīng)用高性能混凝土,可以一定程度上減少鋼筋用量,尤其是在結(jié)合預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)技術(shù)之后,進一步減少了橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度。實踐案例可以證明,相較于傳統(tǒng)的C40、C60混凝土,通過使用C137高性能混凝土,可以減少約20%的鋼筋用量,同時水泥用量減少幅度甚至可以達到60%以上,這足以說明高性能混凝土在公路橋梁工程中的使用具有極佳的經(jīng)濟性優(yōu)勢。當(dāng)然,采用高性能混凝土施工建成的公路、橋梁具有更好的穩(wěn)定性和耐用性,意味著可以減少過你剛才后續(xù)維護檢修成本。綜上所述,這也是為什么如今我國大多數(shù)公路橋梁工程施工中都開始著手使用高性能混凝土的主要原因。

3 公路橋梁工程施工中高性能混凝土的配制要求

高性能混凝土作為一種現(xiàn)代工程建造施工中的主要材料,其核心優(yōu)勢的發(fā)揮,需要建立在科學(xué)的配制工藝基礎(chǔ)之上。接下來主要從選料、配制工藝等角度,闡述公路橋梁施工中高性能混凝土材料的配制要求。

3.1 骨料

高性能混凝土較高的強度和耐用性,很大程度上取決于骨料的選擇。和普通混凝土不同的是,高性能混凝土配制時一般選擇強度較高的骨料,包括硬質(zhì)砂巖、石灰石及花崗巖等[5]。在此基礎(chǔ)上,還要結(jié)合工程建設(shè)的實際情況,對骨料粒徑、吸水率、含泥量及用量等進行科學(xué)分析。通常情況下,高性能混凝土使用的骨料最大粒徑不超過25 mm,并且要確保顆粒形狀大小均勻。

3.2 水泥

在高性能混凝土的配制中,水泥的選材和使用十分重要。在公路橋梁工程施工中用到的高性能混凝土,通常使用低水化熱且標(biāo)準(zhǔn)水體粘度較小的高標(biāo)號水泥(一般不低于42.5)。這種水泥在滿足混凝土強度及耐用性需求的同時,還可以具備良好的流動性,以充分發(fā)揮高性能混凝土在大體積混凝土構(gòu)件中高填充性的優(yōu)勢。

3.3 水灰比

對水灰比的科學(xué)控制,是配制高性能混凝土的重要環(huán)節(jié),通常適當(dāng)降低水灰比,可以有效提升混凝土的密實性,進而提高混凝土構(gòu)建的耐久性和強度。在公路橋梁工程施工中,高性能混凝土水灰比一般控制在0.3左右,同時混凝土配制時的用水量不超過165 kg/m3。

3.4 礦物摻合料

高性能混凝土如此強的性能離不開礦物摻合料的使用,在實際施工中一般使用粉煤灰、天然沸石粉及抄襲礦渣,在我國部分公路橋梁工程施工中,還會視情況加入硅粉,目的是改善混凝土拌合物的流變性能。礦物參合料的質(zhì)量對混凝土構(gòu)件強度、耐用性都有重要影響,因此在實際的高性能混凝土配制中需要基于規(guī)范化的試驗流程進行把控[6]。

3.5 外加劑

外加劑是在混凝土配制中為進一步優(yōu)化其性能而添加的材料,比如為了提升高性能混凝土拌合物的流動性及和易性,一般會加入高效減水劑,這種典型的表面活性劑,可以在保持低水灰比的基礎(chǔ)上,提升混凝土坍落度。同時,在添加高效減水劑的情況下還可以減少混凝土水泥用量,進而有效控制混凝土凝固期間的水化熱現(xiàn)象,降低構(gòu)件內(nèi)外溫差,進而降低開裂風(fēng)險。當(dāng)然,在公路橋梁的大體積混凝土澆筑施工中,高效減水劑這類外加劑的合理使用,可以有效提高混凝土構(gòu)件強度及耐用性。

4 高性能混凝土在公路橋梁施工中的應(yīng)用

某高速公路橋梁改造工程項目位于湖北省境內(nèi),通過現(xiàn)場勘察和大量的實驗論證,項目單位明確對既有橋梁進行利用,通過擴建的方式滿足該項目建設(shè)需求。在該項目中,施工單位重點用到了高性能混凝土施工技術(shù),其具體施工及質(zhì)量控制要點如下。

4.1 橋梁主體結(jié)構(gòu)施工方案

在針對既有橋梁進行擴建時,提升其承載力是首要任務(wù)。在該項目中,即有互通立交橋采用的是15 m+20 m+15 m混凝土連續(xù)空心板,按照位置關(guān)系分為寬度分別為21.0 m和13.1 m的兩幅構(gòu)造?？辈旆治鲈摌蛄嚎招陌灞旧硇阅鼙容^好,遂決定采用增大界面的方式,使用高性能混凝土對橋面板進行加固。由高性能混凝土外層和緣由普通混凝土結(jié)構(gòu)形成復(fù)合結(jié)構(gòu),有效提升橋梁承載力,使之達到設(shè)計要求[7]。值得一提的是,這一施工方案的應(yīng)用,事實上也利用高性能混凝土在既有結(jié)構(gòu)上形成了保護層,使既有普通混凝土構(gòu)件免于外部環(huán)境的繼續(xù)影響,進而提高整個工程的耐用性。在該項目中,通過植筋的方式對橋面板進行加固,并且讓新建混凝土層和既有構(gòu)件進行連接,確保高性能混凝土構(gòu)件可以有效發(fā)揮作用。在實際施工中應(yīng)用中,高性能混凝土本身較強的材料性能可以對橋梁構(gòu)件整體剛度和延性進行提升。同時,高性能混凝土具有較強的表面粘結(jié)力,可以加強其和既有普通混凝土構(gòu)件的連接緊密度,進而提升整個工程結(jié)構(gòu)的抗剪性能。

在該橋梁改擴建工程的具體施工中,施工單位使用普通攪拌站進行高性能混凝土的拌和,采用泵送的方式進行混凝土澆筑,配合振搗施工,確?；炷翝仓|(zhì)量。高性能混凝土配比設(shè)計及相關(guān)實測技術(shù)參數(shù)見表1?？梢?該施工方案在構(gòu)件荷載強度、耐用性方面都達到了理想狀態(tài)。

表1 高性能混凝土設(shè)計要求及同條件實測數(shù)據(jù)表

4.2 橋梁路面施工方案

在公路橋梁工程施工中應(yīng)用高性能混凝土施工技術(shù),在保證施工流程規(guī)范性的基礎(chǔ)上,還需要對澆筑完成的混凝土進行合理養(yǎng)護,以進一步發(fā)揮該技術(shù)工藝的應(yīng)用優(yōu)勢。在該項目中,施工單位考慮到擴建過程勢必會導(dǎo)致橋梁荷載增大,為了有效規(guī)避荷載增大帶來的風(fēng)險,決定在橋梁拓寬部分采用高強輕骨混凝土材料。在實際施工中,關(guān)于高強輕骨混凝土材料的配合比設(shè)計參考的是《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ 51-2002)的相關(guān)規(guī)定,結(jié)合大量的下次拿試配試驗,完善配合比方案。該方案中,選用的礦物參合料配合比為25 kg/m3,鋼纖維為10～12 kg/m3,另外還加入了聚合物纖維(5～6 kg/m3)。然后,將輕骨料均勻分布于混凝土中,保證澆筑完成后的混凝土構(gòu)件的強度及均勻性達到設(shè)計要求。具體施工中,施工單位將既有橋梁路面找平層刨除,然后鋪設(shè)約8 cm厚的LC50高性能輕骨料混凝土材料。為了有效保證高性能混凝土和既有路面粘結(jié)性能,在刨除既有路面找平層時進行了鑿毛處理,并且均勻種植剪切銷釘,配合短筋連接的方式,提高施工質(zhì)量[8]。施工中具體采用的是12 mm鋼筋,植筋間距控制在40 cm。在LC高性能輕骨混凝土施工中,使用普通混凝土攪拌站進行拌和,泵送澆筑施工。

5 結(jié) 語

綜上所述,現(xiàn)代社會經(jīng)濟發(fā)展迅速,各類路橋工程的建設(shè)規(guī)模也越來越大,對涉及到的施工工藝技術(shù)要求越來越高。高性能混凝土作為一種強度高、耐用性強、經(jīng)濟性佳的混凝土材料,在現(xiàn)代公路橋梁工程施工中的應(yīng)用尤為關(guān)鍵。為此,相關(guān)施工單位應(yīng)當(dāng)重視對高性能混凝土特性的研究,通過優(yōu)選各類材料,優(yōu)化配合比設(shè)計,結(jié)合公路橋梁工程的實際情況,做好混凝土拌和、澆筑、振搗及后期養(yǎng)護管理。唯有如此,才能更好發(fā)揮高性能混凝土施工技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢,提高公路橋梁工程的施工質(zhì)量,為社會的穩(wěn)步發(fā)展打下堅實基礎(chǔ)。