大體積高強(qiáng)纖維素纖維砼研究

徐 樸 ，趙 燕

1.中鐵大橋局集團(tuán)一公司試驗(yàn)檢測中心，河南鄭州 450000

2.洛陽路橋建設(shè)集團(tuán)第一工程有限公司，河南洛陽 471000

0 引言

隨著我國國力日益昌盛，基礎(chǔ)建設(shè)也越來越受到國家的重視，大體積高強(qiáng)纖維砼也越來越多，對此類砼的研究，具有普遍指導(dǎo)意義。本文結(jié)合富陽鹿山大橋工程特點(diǎn)，對該類砼配合比設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行分析研究。

1 工程概況

鹿山大橋位于浙江省富陽市， 是鹿山分區(qū)和春江分區(qū)之間跨越富春江、實(shí)現(xiàn)兩區(qū)連接的重要城市橋梁。工程起點(diǎn)與320國道相交，自北向南跨越富春江及兩條沿江大道，終點(diǎn)與新中公路相接。路線總長2.422km，其中橋梁長約1.502km。該橋主橋?yàn)?18+256+118三跨雙塔單索面預(yù)應(yīng)力砼斜拉橋，主跨跨徑大，技術(shù)比較復(fù)雜。設(shè)計(jì)使用壽命為100年。其中主梁0號塊為C60纖維素纖維砼，其最小邊長3.195m，方量為1200m3，屬于大面積、多方量的大體積砼。

2 砼配合比設(shè)計(jì)原則

2.1 大體積砼定義

現(xiàn)場澆筑的最小邊尺寸為1～3 m ， 且必須采取措施以避免水化熱引起的溫差超過25℃的砼稱為大體積砼。

2.2 設(shè)計(jì)原則

1）選用質(zhì)量穩(wěn)固、低水化熱和含堿量偏低的水泥，盡可能避免使用早強(qiáng)水泥和C3A含量偏高的水泥；

2）選用堅(jiān)固耐久、級配合格、粒形良好的潔凈集料；

3）為降低砼內(nèi)部的溫升和水化熱，盡可能摻加優(yōu)質(zhì)粉煤灰等礦物摻合料；

4）盡可能降低拌合水用量，采用高效減水劑；

5）限制每立方米砼中膠凝材料的最低和最高用量，盡可能減少膠凝材料中水泥的用量；

6）摻加纖維，減少砼裂縫的產(chǎn)生。

3 砼配合比的主要設(shè)計(jì)途徑

大體積高強(qiáng)砼配合比的設(shè)計(jì)及優(yōu)化應(yīng)根據(jù)大體積砼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和溫控要求進(jìn)行，嚴(yán)格控制砼的溫度升降變化，是控制大體積砼溫度裂縫的有效方法。

超細(xì)粉由于其填充效應(yīng)、流化效應(yīng)和后期活性效應(yīng)，添加粉煤灰可以明顯降低泌水率，降低早期水化熱，改善粗集料周圍界面結(jié)構(gòu)，改善砼結(jié)構(gòu)和體積穩(wěn)定性，提高耐久性，而且由于Ⅰ級粉煤灰價(jià)格低于水泥價(jià)格，因而提高取代率從經(jīng)濟(jì)成本比較上也是合理的。

普通大體積砼具有收縮大、抗拉強(qiáng)度低、極限延伸率小以及抗沖擊性差等缺點(diǎn)。在大體積砼中加入纖維素纖維可以提高砼的抗拉強(qiáng)度；限制砼早期由于離析、泌水、收縮等因素形成的原生裂隙的發(fā)生和擴(kuò)展；阻止砼破壞時(shí)裂縫擴(kuò)展，使砼在開裂后仍能保持一定的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)具有較高的荷載傳遞能力。提高了砼的變形能力與彈性模量。纖維素纖維除了能控制砼塑性收縮、干縮、溫度變化等因素引起的微裂紋，防止及抑制裂縫的形成及發(fā)展，大大提高砼的抗?jié)B性能、抗凍融性能等一般纖維的優(yōu)點(diǎn)外，還具有和水泥親和力強(qiáng)，促進(jìn)水泥水化，減少砼泌水等特殊性能。

3.1 砼的原材料選用

3.1.1 水泥

水泥廠應(yīng)能穩(wěn)定工藝，控制水泥質(zhì)量波動，降低水泥質(zhì)量的離散性，盡量不使用立窯水泥，不宜使用早強(qiáng)水泥、水化熱較高和高C3A含量的水泥，控制熟料中C3A含量可以降低水泥早期水化熱、降低水泥與外加劑適應(yīng)性問題?；诖耍覀儍?yōu)選采用了浙江尖峰P·O 52.5水泥，其主要檢測技術(shù)指標(biāo)如表1。

表1 水泥的技術(shù)指標(biāo)

3.1.2 粉煤灰

大體積砼通過等量或超量取代的方法摻加粉煤灰可以防止早期裂紋，還可以提高砼的耐久性，其作用如下：

2）顯著改善砼和易性；

3）提高砼的密實(shí)性和強(qiáng)度；

4）提高砼抗?jié)B性；

5）提高抗Cl-離子滲透；

6）提高抗堿——集料反應(yīng)；

7）提高抗硫酸鹽侵蝕。

本橋采用寧波北侖電廠生產(chǎn)的I 級粉煤灰， 其技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 粉煤灰的技術(shù)指標(biāo)

需水量比（%） ≤95 93燒失量（%） ≤5.0 4.61三氧化硫（%） ≤3.0 0.21游離氧化鈣（%） ≤1.0 0.54

3.1.3 粗集料

農(nóng)歷正月十六，家中的老奶奶或媽媽聞雞而起，從北鍋臺鍋底取下鍋底黑灰，在睡夢香甜中的兒孫們的腦門上或臉上抹上點(diǎn)黑灰，目的是避免兒孫們受到鬼怪邪魔的侵?jǐn)_，保佑兒孫們一年平安。年輕人都起得很早，帶著鍋底黑灰到親屬家、到左臨右舍家相互涂抹黑灰。有的懶散的人起的晚了，在被窩里就被人家抹的滿臉黑，走在大街上的人們不論認(rèn)識與否，都會趁對方不備，突然襲擊，抹個(gè)滿臉黑。這一天，最倒霉的是當(dāng)嫂子的，她們成了前來抹黑者的主攻對象，孩子們也屋里屋外你追我趕，相互涂抹，活動場面非?；钴S熱鬧。

粗集料的級配和顆粒形狀對砼的性能至關(guān)重要，級配好、粒形好的碎石在砼中與水泥石的界面結(jié)合狀態(tài)好，配制的砼密實(shí)度高、流動性大。大體積砼宜優(yōu)先選擇連續(xù)級配的粗集料配制。使用連續(xù)級配的粗集料配制的砼工作性能較好， 可以減少用水量和水泥用量， 減小絕對溫升，從而降低了砼的溫升。這里我們采用了富陽下際石料廠的5～10mm和10～25mm兩級配組合碎石，其壓碎指標(biāo)5.0%，針片狀含量4%，堅(jiān)固性2.0%，含泥量0.5%，泥塊含量0.20%。

3.1.4 細(xì)集料

采用贛江產(chǎn)的中粗砂，其細(xì)度模數(shù)2.7，含泥量1.1%，泥塊含量0.4%，云母含量0.2%。

3.1.5 減水劑

減水劑的性能是降低砼水灰比、增大坍落度的關(guān)鍵，我們采用山西黃騰減水劑廠生產(chǎn)的HT-HPC聚羧酸類高效減水劑，其主要檢測技術(shù)指標(biāo)如表3。

表3 減水劑的技術(shù)指標(biāo)

3.1.6 拌合及養(yǎng)生用水

拌合及養(yǎng)生用水采用富春江水，其主要檢測技術(shù)指標(biāo)如表4。

表4 水的技術(shù)指標(biāo)

3.1.7 纖維素纖維

在這里我們采用瑞高實(shí)業(yè)所提供的WEYTHIN纖維素纖維，它是新型的復(fù)合纖維，屬于低彈模級材料，基體采用美國本土經(jīng)基因改良的沼澤松木中提取到的高純度纖維素纖維，單絲纖維外形成扁平狀。在大體積砼中添加纖維素纖維可以大幅提高砼的均質(zhì)性，有效抑制早期的塑性裂縫和干縮裂縫，同時(shí)可以改善砼的抗?jié)B性、抗凍融性，提高砼的耐久性。其比表面積2490m2/kg，彈性模量8.5GPa，抗拉強(qiáng)度960MPa，推薦摻量0.9kg/m3。

3.2 砼配合比試配

確定了配合比的各種材料及骨料的級配，然后依據(jù)《普通砼配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55- 2000）和纖維砼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（CECS 38- 2004）的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行大體積砼配合比設(shè)計(jì)，再按《普通砼拌和物性能試驗(yàn)法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080- 2002）和《普通砼力學(xué)性能試驗(yàn)法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081- 2002）的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行砼的室內(nèi)試拌和新拌砼性能的各項(xiàng)試驗(yàn)以及試件的力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5。

由上表可看出，A#、B#配比較理想，但A#配比砼比B#較為粘滯，不利于現(xiàn)場砼泵送施工，且A#配比水泥用量較多會產(chǎn)生更大的水化熱，因此從砼耐久性、工藝性、經(jīng)濟(jì)性和現(xiàn)場控制要求綜合考慮，配比初步采用B#為基準(zhǔn)配比。接著我們對B#配比砼進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，結(jié)果見表6。

表6 選定配合比砼耐久性技術(shù)指標(biāo)

經(jīng)耐久性試驗(yàn)B#配比所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合要求，因此選用B#配比。

4 砼的現(xiàn)場控制和質(zhì)量控制

為提高砼的工藝性能、降低砼溫升，粗細(xì)集料盡量在拌和前先潤濕，同時(shí)，由于砼中水泥用量小、相對減水劑摻量較大，因此砼性能對原材料和環(huán)境溫度等變化較為敏感，適時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)頗為重要。

由于該砼粘聚性大，攪拌困難，現(xiàn)場宜采用雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)。攪拌時(shí)，先向攪拌機(jī)投入骨料、水泥、粉煤灰、纖維素纖維和水，攪拌60s后，再加入減水劑繼續(xù)攪拌至攪拌均勻，即減水劑采用滯水法摻入，以提高減水效果和砼性能。因摻入纖維素纖維所以攪拌時(shí)間宜適當(dāng)延長20～40s直至纖維素纖維能完全分散到砼拌合物中去。

由于該砼水膠比小、密實(shí)度大，砼表層水分蒸發(fā)后，內(nèi)部靠毛細(xì)管難以補(bǔ)充，造成表面干燥失水，形成干縮裂紋，因此應(yīng)提前保濕養(yǎng)護(hù)，采用一層塑料膜加二層草袋，較厚處采用二層塑料膜加三層草袋保持表面潤濕，并適當(dāng)延長濕潤養(yǎng)護(hù)的時(shí)間，可提高后期強(qiáng)度、彈模和耐久性，提高結(jié)構(gòu)表層砼的密實(shí)性、均勻性，降低砼硬化收縮應(yīng)力，防止裂縫產(chǎn)生。

現(xiàn)場取樣立方體抗壓強(qiáng)度試件12 組， 在標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，28天平均強(qiáng)度69.6MPa，達(dá)到室內(nèi)試配強(qiáng)度的94.3%，最低強(qiáng)度68.9MPa， 標(biāo)準(zhǔn)差3.60MPa， 全部滿足C60 設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級的要求。主梁0#塊經(jīng)業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理各方根據(jù)規(guī)范要求檢查， 未發(fā)現(xiàn)裂縫、滲漏及其它質(zhì)量問題。

5 結(jié)論

1）大體積砼配合比設(shè)計(jì)， 應(yīng)從控制溫度差的角度出發(fā)， 防止產(chǎn)生溫度裂縫；

2）嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量是避免大體積砼裂縫的關(guān)鍵；

3）控制水泥用量，合理摻用礦物摻合料，延長砼齡期、合理選用高效減水劑等方法是降低水化熱的有效途徑；

4）在砼中可適當(dāng)摻入纖維素纖維，對抑制早期的塑性裂縫和干縮裂縫有明顯的效果，還可提高砼的耐久性；

5）砼澆搗完畢后， 做好混凝土水化熱溫度的觀測記錄，及時(shí)開啟冷卻循環(huán)水管，冬季應(yīng)及時(shí)用保溫材料覆蓋， 并澆水保濕控制溫差。

表5 砼配合比試配試驗(yàn)結(jié)果

[1]公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范（JTJ41-2000）.

[2]普通砼配比設(shè)計(jì)規(guī)程（JGJ55-2000）.

[3]普通砼拌和物性能試驗(yàn)法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T50080-2002）.

[4]普通砼力學(xué)性能試驗(yàn)法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T50081-2002）.

[5]水泥砼和砂漿用合成纖維（GB/T21120-2007）.

[6]纖維砼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（CECS38-2004）.

[7]孫忠義,王建華.公路工程試驗(yàn)工程師手冊.人民交通出版社,2004(1).