超高韌性混凝土特性與應(yīng)用研究*

郭永偉

(中交一公局第三工程有限公司，北京 101102)

1 工程概況

容易線設(shè)計(jì)為一級(jí)公路，為雄安新區(qū)建設(shè)主要材料運(yùn)輸通道，以重載車輛通行為主。為保證大水大街跨干渠橋、津海大街跨干渠橋橋面鋪裝層耐久性，特采用C120超高韌性混凝土輕型組合橋面結(jié)構(gòu)，由于2座橋梁結(jié)構(gòu)形式類似，以大水大街跨干渠橋?yàn)槔M(jìn)行介紹，項(xiàng)目效果如圖1所示。

圖1 大水大街跨干渠橋項(xiàng)目效果

大水大街跨干渠橋處于容易線支線，上跨南水北調(diào)天津干渠，設(shè)計(jì)為單跨下承式鋼桁架拱橋，長35.92m，寬19m，桁架拱高4.5m，主梁設(shè)計(jì)為鋼箱梁，橋面板設(shè)計(jì)為正交異性橋面板，橫斷面形式為1m主桁區(qū)+0.5m防撞護(hù)欄+16m機(jī)動(dòng)車道+0.5m防撞護(hù)欄+1m主桁區(qū)。橋面鋪裝層設(shè)計(jì)為6cm厚C120超高韌性混凝土，橋面板頂面設(shè)置φ13×40剪力釘，布置間距為300mm×300mm，鋪裝層內(nèi)設(shè)置1層φ10@100×100鋼筋網(wǎng)片(見圖2)。

圖2 橋面鋪裝層

2 工作機(jī)理

普通正交異性鋼橋面在重型車輛荷載長期作用下，易出現(xiàn)破損、開裂、坑洞等病害，為解決上述問題，超高韌性混凝土輕型組合橋面結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。該結(jié)構(gòu)在普通正交異性鋼橋面的基礎(chǔ)上，將混凝土鋪裝層抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度提高，使設(shè)有鋼筋網(wǎng)片的高強(qiáng)、高韌性混凝土與鋼橋面栓釘有效結(jié)合，利用混凝土高強(qiáng)、高韌性的特點(diǎn)，進(jìn)一步提高橋面板整體性和耐久性。養(yǎng)生結(jié)束后，超高韌性混凝土抗拉強(qiáng)度可達(dá)30MPa以上，抗壓強(qiáng)度可達(dá)120MPa以上。

超高韌性混凝土干混料主要成分為石英砂、水泥(52.5R普通硅酸鹽水泥)、硅灰、粉煤灰、石英粉、石英砂、鋼纖維、減水劑等，最低抗壓強(qiáng)度120MPa，試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度達(dá)150MPa以上。超高韌性混凝土配合比設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)混合料最大堆積密度為基礎(chǔ)，通過剔除粗骨料增加細(xì)集料用量，以最佳比例形成最緊密的堆積體，即毫米級(jí)顆粒堆積間隙由微米級(jí)顆粒填充，微米級(jí)顆粒堆積間隙由亞微米級(jí)顆粒填充；增加膠凝材料用量，減少用水量，提高強(qiáng)度，將水膠比降至0.16～0.22；增加鋼纖維用量(鋼纖維體積比為2.5%)，使鋼纖維在混凝土中形成致密的纖維網(wǎng)，以增加混凝土抗拉強(qiáng)度。

3 超高韌性混凝土與常規(guī)混凝土的區(qū)別

1)超高韌性混凝土強(qiáng)度高、剛度大，不易開裂。

2)與常規(guī)混凝土相比，超高韌性混凝土中無粗骨料。

3)超高韌性混凝土混合料以桶裝干混料的形式運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，由于配合比特殊，具有水膠比低、漿體黏度大等特點(diǎn)，且摻加大量鋼纖維，常規(guī)攪拌站不具備拌合能力，施工時(shí)需自制專用拌合設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)拌合。拌合時(shí)使用叉車將桶裝干混料送至專用拌合設(shè)備上，拌合設(shè)備利用自動(dòng)翻斗將干混料倒入拌合機(jī)內(nèi)攪拌，而常規(guī)混凝土在攪拌站拌合即可。

4)超高韌性混凝土較常規(guī)混凝土攪拌時(shí)間長，加水?dāng)嚢柚粱旌狭贤耆骰笮枥^續(xù)攪拌120s，攪拌時(shí)間對(duì)超高韌性混凝土性能的影響如表1所示。

表1 攪拌時(shí)間對(duì)超高韌性混凝土性能的影響

5)超高韌性混凝土坍落度較常規(guī)混凝土大，一般為180～280mm。

6)超高韌性混凝土澆筑時(shí)，需利用小型翻斗裝載機(jī)將其倒入泵車內(nèi)泵送。

7)超高韌性混凝土攤鋪時(shí)需采用專用布料機(jī)，對(duì)于工程量小、小跨徑橋梁，可采用高頻振搗梁攤鋪，但平整度較攤鋪機(jī)稍差。

8)由于超高韌性混凝土強(qiáng)度較高，在強(qiáng)度增加過程中水化反應(yīng)劇烈，極易開裂，為此，混凝土終凝后(初凝時(shí)間約10h、終凝時(shí)間約36h，終凝強(qiáng)度約20MPa)需搭設(shè)保溫棚，并進(jìn)行蒸汽養(yǎng)生(與施工季節(jié)無關(guān))。保溫棚內(nèi)溫度為70～90℃時(shí)，養(yǎng)生時(shí)間為72h；溫度為90℃及以上時(shí)，養(yǎng)生時(shí)間≥48h。要求養(yǎng)生濕度>95%，通過蒸汽養(yǎng)生的方式使混凝土達(dá)到早期強(qiáng)度，并使混凝土充分水化，在蒸汽養(yǎng)生階段完成混凝土收縮，確保后期不收縮，避免開裂。不同養(yǎng)生條件對(duì)超高韌性混凝土強(qiáng)度的影響如表2所示。

表2 不同養(yǎng)生條件對(duì)超高韌性混凝土強(qiáng)度的影響

蒸汽養(yǎng)生前覆蓋節(jié)水保濕膜，灑水養(yǎng)生。蒸汽養(yǎng)生結(jié)束后超高韌性混凝土抗拉強(qiáng)度可達(dá)30MPa以上，抗壓強(qiáng)度可達(dá)120MPa以上。養(yǎng)生過程中通過傳感器調(diào)整蒸汽量，控制保溫棚內(nèi)養(yǎng)生溫度和濕度，升溫速度≤12℃/h；養(yǎng)生結(jié)束后，以≤15℃/h的降溫速度將溫度逐漸降至現(xiàn)場(chǎng)溫度。蒸汽養(yǎng)生結(jié)束且拋丸后攤鋪磨耗層，超高韌性混凝土強(qiáng)度增長周期較常規(guī)混凝土短。

4 超高韌性混凝土與環(huán)氧瀝青混凝土的區(qū)別

在重載橋梁或大跨徑橋梁中，常用橋面鋪裝材料包括環(huán)氧瀝青混凝土。在瀝青中加入適量環(huán)氧樹脂和固化劑得到環(huán)氧瀝青混凝土，利用環(huán)氧材料強(qiáng)度提高瀝青混凝土強(qiáng)度，使橋面板具有高強(qiáng)、抗疲勞特性。如果施工工序銜接不緊密，易導(dǎo)致環(huán)氧瀝青混凝土固化，固化后無法采取補(bǔ)救措施，視為廢棄物處理。環(huán)氧瀝青混凝土對(duì)施工環(huán)境要求嚴(yán)格，施工過程中不能接觸水，遇水后易出現(xiàn)鼓包等病害，進(jìn)而發(fā)生開裂，影響耐久性。環(huán)氧瀝青混凝土養(yǎng)生周期較超高韌性混凝土長，根據(jù)拌合溫度常分為溫拌體系(拌合溫度為110～130℃)和熱拌體系(拌合溫度為170～180℃)，溫拌體系養(yǎng)生時(shí)間通常為30d左右，熱拌體系通常為7d左右。超高韌性混凝土與環(huán)氧瀝青混凝土性能對(duì)比如表3所示，由表3可知，超高韌性混凝土在養(yǎng)生時(shí)間和經(jīng)濟(jì)性方面具有優(yōu)勢(shì)。

表3 超高韌性混凝土與環(huán)氧瀝青混凝土性能對(duì)比

5 超高韌性混凝土適用范圍

超高韌性混凝土適用于鋼箱梁橋面，尤其適用于重載橋梁、大跨徑橋梁，如懸索橋、斜拉橋等，大跨徑橋梁主梁撓度較大，易造成鋪裝層疲勞破壞(鋼箱梁橋尤為明顯)。超高韌性混凝土利用高強(qiáng)、高韌性，有效解決了鋪裝層疲勞破壞問題。超高韌性混凝土輕型組合橋面結(jié)構(gòu)已在洞庭湖大橋、海南海文大橋、株洲楓溪大橋等工程中得到成功應(yīng)用，取得良好施工效果。

6 經(jīng)濟(jì)效益分析

大水大街跨干渠橋橋面鋪裝面積為574.72m2，津海大街跨干渠橋橋面鋪裝面積為862.08m2，共1 436.8m2，如果采用環(huán)氧瀝青混凝土，需花費(fèi)1 436.8×1 600=229.888萬元，如果采用超高韌性混凝土，需花費(fèi)1 436.8×1 200=172.416萬元，可節(jié)省57.472萬元。

7 結(jié)語

通過應(yīng)用超高韌性混凝土輕型組合橋面結(jié)構(gòu)，有效解決橋面鋪裝層開裂、疲勞損壞等問題，確保鋪裝層不在運(yùn)營期內(nèi)頻繁出現(xiàn)嚴(yán)重破損現(xiàn)象，無須常年檢測(cè)加固，提高橋面板強(qiáng)度和韌性，有助于提高交通通行效率，保障交通安全。

目前大水大街跨干渠橋、津海大街跨干渠橋已投入運(yùn)行，通行車輛多為重載車輛，未出現(xiàn)橋面鋪裝層開裂等病害。