鋼纖維硫鋁酸鹽水泥混凝土在古永高速公路橋梁伸縮縫維修中的應(yīng)用

劉萬琴

（武威公路事業(yè)發(fā)展中心高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)中心，甘肅武威 733000）

0 引言

伸縮縫是橋梁中不可缺少的一部分，它起到承擔(dān)動(dòng)力荷載的作用。伸縮縫在橋梁運(yùn)營過程中極容易損壞，對(duì)混凝土性能要求相對(duì)更高。古永高速公路于2002年建成通車，其中武威過境段2006年12月建成通車。全線均采用全封閉雙向四車道高速公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，總共386 座橋梁。經(jīng)過幾年的運(yùn)營，部分橋梁伸縮縫出現(xiàn)了不同程度的破損。2020年的養(yǎng)護(hù)維修工程中，伸縮縫維修使用了鋼纖維硫鋁酸鹽水泥混凝土，此項(xiàng)技術(shù)的引用大大縮短了施工工期。

1 鋼纖維硫鋁酸鹽水泥混凝土的技術(shù)特點(diǎn)

鋼纖維硫鋁酸鹽水泥混凝土具有早強(qiáng)、高強(qiáng)、高抗?jié)B、高抗凍、耐蝕、低堿和低生產(chǎn)能耗等基本特點(diǎn)，契合高速公路養(yǎng)護(hù)維修工程中工期短、開放交通早、要求強(qiáng)度高等實(shí)際需要。鋼纖維硫鋁酸鹽水泥混凝土主要有以下幾個(gè)技術(shù)特點(diǎn)。

1.1 強(qiáng)度較高

傳統(tǒng)混凝土性能相對(duì)較低，強(qiáng)度不高，在使用頻繁的高速公路橋梁伸縮縫維修方面效果不佳，無法滿足現(xiàn)代公路橋梁的施工要求。鋼纖維硫鋁酸鹽水泥混凝土在混凝土中摻和數(shù)量較多的短鋼纖維配合制成，其性能更加優(yōu)越。相比傳統(tǒng)混凝土，在同樣荷載下，鋼纖維硫鋁酸鹽混凝土抗形變能力更強(qiáng)，變形幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通混凝土。公路橋梁采用鋼纖維硫鋁酸鹽混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，能夠降低橋梁出現(xiàn)裂縫的概率，為人們出行安全提供保障。

1.2 抗裂性好

鋼纖維硫鋁酸鹽混凝土雖然比普通混凝土重，但用于公路橋梁施工后，產(chǎn)生的副作用較少，能夠有效降低后期使用過程出現(xiàn)裂縫的風(fēng)險(xiǎn)，特別是用于伸縮縫施工中，其優(yōu)異性能可以保證伸縮縫位置不會(huì)出現(xiàn)裂縫，使用一段時(shí)間后，伸縮縫受到多方面的作用力，變形較大，使用鋼纖維硫鋁酸鹽混凝土可以極大改善此類問題，延長伸縮縫的使用時(shí)間，減少維修次數(shù)、降低成本。

1.3 抗外界沖擊力性能好

根據(jù)試驗(yàn)研究分析，混凝土中加入鋼纖維的比例不同，其性能存在一定的差異，當(dāng)加入比例為2%時(shí)，鋼纖維硫鋁酸鹽混凝土性能提高50 倍，具有較高的抗外界沖擊能力，高速橋梁伸縮縫每天受到不同程度的沖擊，采用鋼纖維硫鋁酸鹽混凝土可以保證其在受到?jīng)_擊的過程中具有較高的抵抗性，避免伸縮縫出現(xiàn)問題。

2 各種材料的技術(shù)要求

2.1 石料的技術(shù)要求

混凝土中集料的選用沒有瀝青混凝土中集料的要求高，但要求石料具備良好的堅(jiān)固性。該工程中粗集料采用的是永登新聯(lián)料場(chǎng)生產(chǎn)的5～10mm、10～20mm 碎石。經(jīng)檢測(cè)，粗集料堅(jiān)硬、清潔、干燥、無風(fēng)化、無雜質(zhì)、粒徑符合規(guī)范要求。細(xì)集料采用武威四壩料場(chǎng)水洗干凈的中粗砂。

2.2 硫鋁酸鹽水泥的技術(shù)要求

硫鋁酸鹽水泥采用景泰景順特種水泥廠生產(chǎn)的專用水泥，該水泥屬于快硬硫鋁酸鹽水泥的一種，具備以下技術(shù)特點(diǎn)。

2.2.1 早強(qiáng)高強(qiáng)性能

該類型水泥具有很好的早期強(qiáng)度，并且在后期養(yǎng)護(hù)中強(qiáng)度還能繼續(xù)增長。同時(shí)，該品種水泥能可以滿足水泥凝結(jié)時(shí)間要求，有利于施工和運(yùn)輸。通過試驗(yàn)檢測(cè)得到該水泥1d 抗壓強(qiáng)度可到達(dá)35～50MPa，抗折強(qiáng)度接近7.5MPa。3d 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別高達(dá)70MPa 和8.5MPa。

2.2.2 高抗凍性能

硫鋁酸鹽水泥具有良好的抗凍性能，當(dāng)環(huán)境溫度為0～10oC 時(shí)，其強(qiáng)度為普通硅酸鹽水泥的8 倍，當(dāng)環(huán)境溫度在-20～0oC 時(shí)，該水泥添加適量防凍劑后，只要保證混凝土入模溫度不低于5oC，便可正常施工，不影響施工進(jìn)度。

2.2.3 耐腐蝕性能

該水泥表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性能，在經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn)，硫鋁酸鹽水泥對(duì)氯鹽、海水以及硫酸鹽等具有非常強(qiáng)的抗腐蝕能力，用于橋梁伸縮縫施工非常合適。

2.2.4 保護(hù)鋼筋性能

快硬硫鋁酸鹽水泥是一種弱堿性的水泥，pH 值小于12，所以該水泥難以形成對(duì)鋼筋具有保護(hù)作用的鈍化膜。早期混凝土中含有一定的水分和空氣，導(dǎo)致鋼筋出現(xiàn)微弱腐蝕的情況，但是隨著齡期增加，混凝土中不再有水分和空氣，這種腐蝕逐漸減弱。經(jīng)過試驗(yàn)室長期研究和觀察，快硬硫鋁酸鹽水泥中加入堿性外加劑，提高酸堿度，鋼筋表面會(huì)形成鈍化膜，保護(hù)鋼筋不被腐蝕。

2.3 外加劑的技術(shù)指標(biāo)

外加劑是混凝土不可缺少的輔助材料，在混凝土中加入一定量的外加劑，可以進(jìn)一步改善混凝土性能，提高混凝土質(zhì)量，減少混凝土用水量，不僅可以加快施工進(jìn)度，還能節(jié)約材料成本。該項(xiàng)目鋼纖維硫鋁酸鹽混凝土主要添加緩凝劑和減水劑。緩凝劑能夠延緩混凝土的硬化時(shí)間、便于運(yùn)輸和施工、配合施工所需時(shí)間。該高速公路橋梁伸縮縫維修施工采用十六合四硼酸作為緩凝劑，解決鋼纖維硫鋁酸鹽水泥初凝時(shí)間較短導(dǎo)致施工難度增加的問題。減水劑是混凝土重要的添加劑之一，它能夠保證混凝土在坍落度不變的情況下，減少拌和時(shí)用水量。該工程中采用的是甘肅鐵科鼎盛工程材料有限公司生產(chǎn)的鋼纖維，養(yǎng)護(hù)研究院調(diào)配的緩凝減水劑，添加量為2%～2.5%。

3 配合比設(shè)計(jì)

與普通混凝土配合比設(shè)計(jì)類似，鋼纖維硫鋁酸鹽混凝土同樣要采用計(jì)算法設(shè)計(jì)配合比。工程施工前期按照養(yǎng)護(hù)研究院提供的目標(biāo)配合比調(diào)配了多種施工配合比。在實(shí)驗(yàn)室成型3 組試塊，保持室溫28oC 的情況下，成型1h 后脫模，脫模后進(jìn)行養(yǎng)生，并在成型后3h、1d、3d 進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，最終確定適宜的施工配合比。

3.1 混凝土抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度

根據(jù)設(shè)計(jì)要求或工程強(qiáng)度要求，也可以根據(jù)混凝土強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值確定。

3.2 水灰比

通常控制在0.45～0.50，但要根據(jù)混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算得到具體值，可以用普通混凝土水灰比的計(jì)算公式求取。

3.3 鋼纖維體積率

結(jié)合抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)規(guī)范規(guī)定計(jì)算，通常控制在1.0%～1.5%之間。

3.4 單位體積用水量

一般通過試驗(yàn)方式確定，當(dāng)混凝土摻和外加劑時(shí)則要綜合考慮。

3.5 砂率

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)材料種類、水灰比以及鋼纖維體積率等參數(shù)值合理選擇，大致范圍為1.1%～1.6%。

3.6 配合比

以體積為單位，計(jì)算各原料比例。

3.7 性能檢測(cè)

按照配合比制定混凝土檢測(cè)方案，制樣進(jìn)行性能檢測(cè)，并根據(jù)施工要求進(jìn)行調(diào)整。

4 施工控制

4.1 鋼纖維的質(zhì)量檢驗(yàn)

鋼纖維檢驗(yàn)要求如下：第一，每次到貨抽檢10 根以上，長度偏差低于標(biāo)準(zhǔn)長度的10%。第二，鋼纖維尺寸合格率超過90%，每次抽檢100 根，使用天平和游標(biāo)卡尺完成檢驗(yàn)。第三，鋼纖維抗拉強(qiáng)度不得低于380MPa。第四，鋼纖維抗折性能每次抽檢不低于10根，要求Φ3mm 尺寸鋼筋彎折90o不斷。第五，通過目檢，確認(rèn)鋼纖維表面無雜質(zhì)、油污等，以免影響鋼纖維黏結(jié)性能。

4.2 原材料的檢驗(yàn)

此次維修養(yǎng)護(hù)施工所采用的材料均符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，滿足高速公路施工技術(shù)規(guī)范，到場(chǎng)材料均已經(jīng)過檢查和檢驗(yàn)，能夠出具質(zhì)量合格證書。

4.3 鋼纖維硫鋁酸鹽混凝土的檢驗(yàn)

鋼纖維硫鋁酸鹽混凝土檢驗(yàn)需要重點(diǎn)關(guān)注和易性、水灰比以及坍落度等關(guān)鍵指標(biāo)。通過控制上述指標(biāo)設(shè)計(jì)配合比，拌和得到混凝土后，觀察混凝土中鋼纖維的分布情況，若出現(xiàn)鋼纖維結(jié)團(tuán)的現(xiàn)象，則需要延長拌和時(shí)間，使鋼纖維均勻分布。

4.4 鑿除舊伸縮縫混凝土，取出伸縮縫構(gòu)件

高速公路橋梁伸縮縫維修首先要鑿除舊的混凝土，清理干凈后取出伸縮縫構(gòu)件。施工中要注意采用小型的破碎機(jī)，比如電鎬、小鐵鑿等，注意控制范圍，避免梁頭端受到破壞。鑒于施工采用半幅施工方式，所以在伸縮縫中點(diǎn)部位切割開。這種施工方式能夠避免車輛行駛導(dǎo)致橋梁構(gòu)件震動(dòng)而損壞橋梁。由于范圍小，施工相對(duì)方便，僅鑿除伸縮縫區(qū)域內(nèi)的混凝土不會(huì)對(duì)橋面鋪裝混凝土造成破壞。

4.5 清除縫內(nèi)雜物

在維修過程中，要及時(shí)清理干凈伸縮縫內(nèi)的雜物，同時(shí)還要嚴(yán)格控制伸縮縫內(nèi)的酸堿雜質(zhì)，否則會(huì)加快混凝土的損壞。還要保證預(yù)埋在臺(tái)背及梁端的鋼件齊平切除，避免在澆筑混凝土過程中連接成塊，導(dǎo)致伸縮縫無法自由伸縮。

4.6 混凝土拌和

鋼纖維硫鋁酸鹽水泥混凝土的拌和必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的配合比進(jìn)行，在拌和之前，按照比例稱量各種材料。考慮到高速公路橋梁伸縮縫維修的施工總量少，所以對(duì)此類施工采用人工投料的方式進(jìn)行生產(chǎn)，過程中要嚴(yán)格注意以下事項(xiàng)：

第一，混凝土拌和前要將設(shè)備清洗干凈，并且杜絕混入硅酸鹽水泥。第二，施工前要測(cè)定砂石含水率，根據(jù)施工時(shí)期的天氣變化及時(shí)調(diào)整施工用料比例，避免鋼纖維硫鋁酸鹽水泥中鋼纖維纏繞成團(tuán)。第三，按照以下程序進(jìn)行：預(yù)先攪拌粗集料和鋼纖維，然后投入細(xì)集料、水泥、外加劑和水?dāng)嚢杈鶆?，攪拌時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長。此操作的目的是限制混凝土裂縫的擴(kuò)展，增強(qiáng)其抗彎、抗剪及抗拉強(qiáng)度，提高混凝土質(zhì)量、耐久性與抗沖擊能力。使原本屬于脆性材料的混凝土變成具有一定塑性能的復(fù)合材料。第四，加入緩凝劑，保證施工過程中有足夠的時(shí)間澆筑、振搗及整平。根據(jù)研究分析，緩凝劑摻量應(yīng)為水泥質(zhì)量的2%。緩凝劑添加量不足，則無法延長初凝時(shí)間，導(dǎo)致混凝土施工還沒有完成就開始初凝，緩凝劑添加量過多，則初凝時(shí)間過長，達(dá)不到預(yù)期目的，還會(huì)影響混凝土后期強(qiáng)度。

4.7 混凝土澆筑

鋼纖維硫鋁酸鹽水泥混凝土澆筑程序與普通混凝土澆筑過程一樣。該工程伸縮縫混凝土澆筑厚20cm。

第一，采用插入插入式震動(dòng)棒震動(dòng)密實(shí)后，再用平板震動(dòng)器振動(dòng)混凝土表面，最后用抹子找平。在澆筑混凝土?xí)r，應(yīng)控制澆筑高度，使其與老橋面兩側(cè)平齊，不得超過老橋面高度，也不能比老橋面高度低。

第二，施工中各個(gè)工序要緊密配合，混凝土澆筑時(shí)立即插入式振搗器振搗。一旦時(shí)間過長，混凝土就會(huì)失去流動(dòng)性，增加施工難度。一旦混凝土坍落度過低，施工過程操作會(huì)面臨困難。由于嚴(yán)禁二次加水?dāng)嚢?，?dǎo)致混凝土接近初凝時(shí)失去流動(dòng)性后被遺棄。

4.8 混凝土的養(yǎng)護(hù)

鋼纖維硫鋁酸鹽水泥混凝土要重視早期養(yǎng)護(hù)，當(dāng)施工完成后，要及時(shí)用浸濕的草袋或塑料薄膜覆蓋工作面。當(dāng)氣溫在20oC 以上時(shí)，鋼纖維硫鋁酸鹽水泥混凝土?xí)诎胄r(shí)左右終凝，此時(shí)要立即澆水養(yǎng)護(hù)。

4.9 開放交通

在伸縮縫施工過程中，采用同樣性質(zhì)的混凝土制作試塊，保證伸縮縫維修部位和試塊在同等條件下養(yǎng)生，24h 后對(duì)試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，當(dāng)混凝土強(qiáng)度超過設(shè)計(jì)值的80%時(shí)，就可以開放交通，對(duì)另外一個(gè)車道進(jìn)行施工。

4.10 施工技術(shù)注意事項(xiàng)

鋼纖維硫鋁酸鹽水泥混凝土對(duì)水灰比要求極高，在設(shè)計(jì)配合比時(shí)，要根據(jù)施工要求進(jìn)行合理控制，當(dāng)氣候條件不好，如刮風(fēng)下雨時(shí)，要禁止施工。出現(xiàn)陰雨天氣時(shí)也要及時(shí)停止施工，并且使用土工布將施工完成的部分全部覆蓋，避免尚未凝固的混凝土受到雨水沖刷而破壞，影響工程質(zhì)量。當(dāng)降水量較大時(shí)且施工接近末尾時(shí)，可以搭建臨時(shí)防雨棚加快施工，完成剩余部分。鋼纖維硫鋁酸鹽水泥混凝土拌和需要使用滾動(dòng)式拌和設(shè)備，拌和過程中，各配合原料需要按照順序投入，先干拌約80s，初步混合后加入水拌和100s，拌和時(shí)間可以適當(dāng)調(diào)整，但要保證干拌和濕拌時(shí)間在300s 以內(nèi)。鋼纖維投放分3 次進(jìn)行，適當(dāng)控制時(shí)間間隔，以拌和時(shí)不出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象為宜。不僅如此，還要根據(jù)拌和時(shí)的天氣情況，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整水量，為提高混凝土的和易性，最好在環(huán)境溫度低于22oC 時(shí)進(jìn)行施工，并且在施工完后要用濕潤的土工布將其覆蓋養(yǎng)生。

5 施工工藝

此次施工工藝如下：第一，做好準(zhǔn)備工作，在混凝土施工之前，首先要將破損的橋面鋪裝進(jìn)行清除，并進(jìn)一步清理干凈橋面，然后才能將水泥漿均勻地噴灑在橋面上。第二，仔細(xì)檢查維修區(qū)域鋼筋網(wǎng)片，保證鋼筋搭接部分正常，若發(fā)現(xiàn)錯(cuò)位的情況，要擺正它們的位置。第三，鋼纖維硫鋁酸鹽混凝土鋪到橋面上以后，要人工進(jìn)行找平，然后振搗，最后用振平板粗平，粗平時(shí)要保證重疊為1/2。第四，振平后再進(jìn)行滾動(dòng)碾壓和滾平提漿，確保鋼纖維沒有外露。第五，精平使用3m 長的鋁合金方尺，從模板一側(cè)向外刮平，注意在刮平過程中要保證交叉1/3 以上。第六，待混凝土初凝后，拉毛處理使橋面粗糙。第七，最后采用濕潤的透水土工布覆蓋養(yǎng)生。

6 結(jié)論

綜上所述，鋼纖維硫鋁酸鹽混凝土各項(xiàng)性能均要強(qiáng)于普通混凝土，文章詳細(xì)研究了該混凝土在古永高速橋梁伸縮縫維修的實(shí)踐應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

其一，鋼纖維硫鋁酸鹽混凝土1d 抗壓強(qiáng)度就可到達(dá)35～50MPa，抗折強(qiáng)度接近7.5MPa。3d 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別高達(dá)70MPa 和8.5MPa，當(dāng)環(huán)境溫度為0～10oC 時(shí)，其強(qiáng)度為普通硅酸鹽水泥的8 倍。其二，采用鋼纖維混凝土施工時(shí)特別要注意拌和時(shí)間以及配合比，保證鋼纖維分布的均勻性和連續(xù)性。其三，鋼纖維硫鋁酸鹽水泥混凝土能夠完全滿足古永高速橋梁伸縮縫維修施工要求，并且有利于縮短施工周期，值得大力推廣使用。