高速鐵路橋面防水層纖維混凝土配合比優化設計及施工工藝研究

（合安高鐵股份有限公司，中國 合肥 230601）

0 前言

隨著我國高速鐵路建設的快速發展，我國已全面進入高速時代，截至2019年，中國高速鐵路里程已突破3萬km。我國高速鐵路建設的一大特點是“以橋代路”，橋梁結構在線路中占比高，盡可能減少路基結構在線路中的比例，這樣一方面有效提高線路的整體穩定性和水平精度，另一方面也減少對我國有限耕地的占用率。“以橋代路”的結構設計特點也是保證我國高速鐵路具有高平順性、高穩定性、高安全性的關鍵，同時，也更加凸顯了橋梁結構的壽命對鐵路安全運營起著至關重要的作用。

橋面防水層是高速鐵路橋梁結構組成中直面環境作用的結構部位，其作用主要是防止外部雨水等侵入梁體，引起橋梁混凝土結構中鋼筋銹蝕破壞而影響橋梁正常使用，從而保證橋梁結構的耐久性。橋面防水層從結構設計類型上可分為防水卷材+細石纖維混凝土結構和有機防水涂料結構兩大類，其性能各有優缺點。通過對多條采用防水卷材+細石纖維混凝土結構形式的線路運營情況調研發現，部分線路的橋面防水保護層結構出現了不同程度的損傷，主要表現為細石纖維混凝土保護層結構過早出現開裂破壞和表層受凍粉化剝落等問題，也對列車安全運行造成很大隱患。因此，本文結合合安高鐵建設實際需求，重點研究討論了纖維混凝土配合比設計新理念和施工工藝對纖維混凝土性能的影響規律。

1 高速鐵路橋面防水層結構形式

目前，我國高速鐵路橋面防水層常用結構形式主要有兩種：防水卷材+纖維混凝土保護層復合結構和有機防水涂料結構形式。

防水卷材+纖維混凝土保護層復合結構形式屬于柔性防水+剛性防水復合結構，該結構保護層混凝土強度高，成品防水層受外界因素影響較小，耐久性好，成為高速鐵路橋面防水結構采用的主要形式。但在實際運營中出現防水保護層纖維混凝土易開裂，表層容易受凍粉化和剝落的問題，通過大量實地調研和分析，發現防水保護層纖維混凝土產生易開裂等病害的主要原因是由于纖維混凝土配合比設計與材料選用不合理引起的混凝土收縮變形大，加上施工工藝的不匹配進一步加劇纖維的收縮開裂所致。因此，纖維混凝土質量好壞是決定橋面防水層結構整體使用壽命的關鍵。

有機防水涂料結構形式屬于柔性防水結構，該結構形式具有施工便捷、整體性好的特點，但其施工質量易受施工環境因素（高溫、雨水和冰凍）和界面處理效果的影響；同時，有機材料的抗凍性、抗紫外性和耐老化性不如混凝土，也是影響其使用推廣的關鍵。杜存山等認為聚脲防水涂料受溫度、施工條件和基面狀況影響，在橋面噴涂施工后聚脲防水層容易出現龜裂、剝落甚至大面積掀起等病害；韓小平提到在部分高鐵開通后，聚脲防水層均出現不同程度的病害，并且病害發展趨勢較明顯，嚴重處已影響列車運行安全。

2 橋面防水保護層纖維混凝土技術優化

2.1 試驗概況

合安高鐵全線采用CRTSⅢ型板式無砟軌道結構，橋面防水保護層采用防水卷材+纖維混凝土復合結構形式。本次試驗選在合安高鐵四標于桐城市劉莊村116#墩至118#墩，采用優化后橋面防水保護層纖維混凝土進行施工。

2.2 防水保護層纖維混凝土配合比優化

2.2.1 配合比優化

為降低傳統防水保護層纖維混凝土的開裂敏感性，謝永江、譚鹽賓等提出了采用“三低一高”技術理念來制備低開裂敏感性纖維混凝土，即低坍落度、低膠凝材料用量、低用水量和高含氣量的技術思路。根據該技術思路，試驗將橋面防水層纖維混凝土坍落度由設計的180mm±20mm優化為120mm±20mm，膠凝材料用量由常規的440kg/m優化為不超過400kg/m，用水量由 150kg/m優化為不超過145kg/m，含氣量由設計的2%～4%優化為4%～6%，纖維混凝土初凝時間適當延長，控制在不小于14h。

2.2.2 原材料優化

水泥：為了降低混凝土開裂敏感性，水泥建議優先選用低開裂敏感性的低熱硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，不宜使用早強水泥。

粉煤灰：為了提高混凝土工作性能，粉煤灰宜選用燒失量低、需水量少、細度小品質穩定的Ⅰ級粉煤灰，摻量宜大于30%。

C40纖維混凝土配合比（kg/m3） 表1

C40纖維混凝土工作性能 表2

C40纖維混凝土力學性能和耐久性能 表3

細骨料：優化后的纖維混凝土膠凝材料用量低，砂率也較常規纖維混凝土小，為提高纖維混凝土和易性，細骨料宜選擇級配良好、含泥低的河砂，細度模數宜控制在2.4～2.6之間。

粗骨料：同樣，對于優化后的低坍落度、低膠凝材料用量纖維混凝土，粗骨料宜選擇整形后，粒型良好、干凈整潔、緊密空隙率不大于40%的5mm～10mm碎石。

減水劑：優化后的纖維混凝土坍落度小，為了保證混凝土的可施工性，減水劑宜選用保坍能力好、敏感性低的聚羧酸系減水劑，同時，摻入引氣劑。

纖維：按標準規定，常規防水保護層纖維混凝土所用纖維為聚丙烯纖維網或聚丙烯腈纖維，但該兩種纖維的摻入容易引起混凝土需水量的大幅增加，降低混凝土密實度，增大混凝土收縮變形，使得纖維的防裂作用大幅降低。因而，謝永江、譚鹽賓等提出采用需水量低的高鋯耐堿玻璃纖維代替傳統有機纖維來制備纖維混凝土。試驗采用了混雜型高鋯耐堿玻璃纖維，即集束型+分散型高鋯耐堿玻璃纖維代替聚丙烯腈纖維的方式。

2.3 優化后纖維混凝土性能

表1所示是試驗配合比，混凝土設計強度等級為C40，編號B-1組為工程常用常規橋面防水保護層有機纖維混凝土配合比，S-2為按照優化思路設計的玻璃纖維混凝土配合比；表2為兩組纖維混凝土工作性能，表3為兩組纖維混凝土力學性能和耐久性能結果。

由表2和表3可知：優化后的纖維混凝土S-2較常規配合比B-1，初、終凝結時間均有所延長，其早期3d抗壓強度發展明顯低于B-1，這樣有利于降低混凝土早期收縮應力增加，降低早期開裂敏感性。隨著齡期的增長，S-2組纖維混凝土7d和28d抗壓強度略低于B-1組，但56d抗壓強度與其基本相當；S-2組纖維混凝土56d劈拉強度高于B-1組，也說明其抗裂性能得到提高。

3 橋面防水保護層纖維混凝土施工工藝優化

3.1 基層處理

橋面防水層施工前需對橋面基層進行處理，基層應做到不起砂、不起皮、無尖銳異、物及無凹凸不平等現象；若不符合上述要求時，則需進行打磨或鑿毛處理，鑿完后用水泥砂漿進行找平，整個梁面需整潔，確保無浮渣、浮灰、油污等雜物，若存在需人工用高壓風槍及鐵刷等對梁面進行清理。基層處理完畢后對梁面進行防水涂料和高聚物改性瀝青材料等基層處理劑進行涂刷，涂刷前基層應干燥，待基層處理劑不粘手時方可鋪設卷材。

3.2 卷材鋪設

卷材在鋪設過程中，通過噴燈烘烤基層上的處理劑和卷材底面的瀝青層，卷材底面熔化以瀝青接近流淌，呈黑亮為度，不得過分加熱或燒穿卷材，將卷材底面瀝青層融化后，向前滾鋪，卷材鋪貼應從一端開始，橋面縱、橫向由低向高順序進行。鋪設過程中需保證卷材平整、卷材與基層間無異物，不能出現空鼓脫粘等不良現象。鋪設至泄水孔位置時需對卷材裁剪，確保卷材與泄水管下口外壁密貼。卷材鋪設完成后方可進行混凝土施工。

3.3 混凝土生產

纖維混凝土攪拌采用雙臥軸強制攪拌機進行生產，每盤生產2m，攪拌時間不低于4min。考慮到長時間攪拌會造成集束型玻璃纖維斷折，影響其防裂效果，因此通過試驗，最終確定攪拌工藝采用“2+1”的攪拌方式，即分散型玻璃纖維可與骨料同時加入攪拌機，然后加入粉料、水以及外加劑，當攪拌至2min時，再投入集束型玻璃纖維，攪拌1min后出料。因為玻璃纖維摻量很少，為保證稱量準確性，玻璃纖維投料采用人工稱量后從攪拌機觀察孔投入的方式。混凝土出機坍落度控制在100mm～120mm，含氣量5%～6%。

3.4 混凝土運輸

由于纖維混凝土坍落度比較小，因此對罐車的要求較高，罐車進料溜槽和卸料溜槽要求光滑、平坦，不得粘有混凝土硬塊，以降低混凝土入罐和放料難度。罐車在裝混凝土前需對內部罐體做潤濕處理，用砂漿潤濕最佳，潤濕完成后把砂漿排空后再裝入纖維混凝土；混凝土在運輸過程中盡量不能對罐車卸料口或溜槽進行沖洗，防止沖洗水進入罐體，嚴禁在運輸過程向罐體內加水。

3.5 混凝土施工

橋面防水層混凝土施工分為布料、攤鋪、振搗和抹面四個步驟，具體施工工藝如下：

圖1 多點均勻布料

①混凝土到達現場后，采用吊車吊掛料斗進行布料，禁止采用泵送方式，料斗布料過程中采用多點均勻布料方式，盡量減少振搗趕料；

②布料后立即進行攤鋪分料，用鐵鍬鏟料，采用反扣的方式進行攤鋪，底座板位置攤鋪厚度按彈線進行控制，擋水沿位置攤鋪厚度與擋水沿平齊；

③攤鋪均勻后，用自制的橫梁式振搗器進行振搗，振搗器移動速度不宜過快，行走速度宜控制1.5m/min左右，既要保證振搗充分又不能出現過振泌漿現象；

圖2 人工攤鋪

圖3 振搗

④振搗完成約3m左右立即進行第一次收面，用木抹子或帶格子的塑料抹子抹平提漿，自中間往兩邊收面，保證橫坡；然后緊接著進行第二次、第三次收面，二、三次收面用鐵抹子把防水層表面漿體抹平，防水層表面整體不露石即可。若天氣比較干燥、氣溫比較高、風比較大，兩次收面可縮減為一次，并在線間梁邊、梁縫對應處以及相應部位（每2m一道）設置引導縫；若天氣比較干燥或氣溫比較高或風比較大，需立即進行最后一次收面，最后一次收面為精細抹面，其目的是修補防水層表面的砂眼、蜂窩麻面、氣泡集聚的缺陷，保證成品的外觀質量，若現場氣溫不高，氣候比較濕潤，最后一次抹面可滯后于第三次5min～10min。

圖4 三次收面

3.6 混凝土養護

最后一次收面完成后約0.5h～2h，用塑料薄膜進行覆蓋，然后用噴霧器灑水于塑料薄膜上，灑水厚度控制在1mm，灑水目的是防止薄膜被風吹起。待混凝土完全硬化后再用土工布完全硬化并澆水養護至28d。

3.7 實際效果

圖5所示為采用B-1組傳統纖維混凝土和優化后S-2組纖維混凝土澆筑的橋面防水保護層混凝土硬化效果。可以看出，優化后的纖維混凝土在澆筑1個月后基本未見可見裂紋圖5（b），而傳統混凝土則在1個月左右出現明顯的橫向裂縫，如圖5（a）所示。

圖5 橋面防水層保護層纖維混凝土

4 結語

通過對高速鐵路橋面防水保護層纖維混凝土原材料選擇、配合比設計的優化，同時采用與低坍落度纖維混凝土相匹配的施工工藝，能有效改善傳統纖維混凝土抗裂工作性差、防裂效果差的問題，且通過試驗段的實測效果，證明了相關技術措施的有效性。