輕骨料混凝土在公路橋梁施工中的實(shí)施與應(yīng)用

殷奉軍，孫洪江

（菏澤市公路勘測設(shè)計(jì)院，山東 菏澤 274000）

在道路交通運(yùn)輸持續(xù)發(fā)展的背景下，公路橋梁建設(shè)事業(yè)與發(fā)展速度是相當(dāng)客觀的，尤其一些既有公路橋梁隨著建設(shè)年限的延長，無法與當(dāng)前交通運(yùn)輸能力要求相匹配，橋梁損壞事件頻頻發(fā)生。長期以來，針對公路橋梁建設(shè)項(xiàng)目，尤其舊橋改造項(xiàng)目所使用的混凝土原料多為容重在2 500.0 kg/m3左右的普通混凝土，受舊橋自身承載能力已經(jīng)有所下降的因素影響，這種自重較大的普通混凝土原料在實(shí)際使用中勢必會(huì)對公路橋梁使用壽命以及通行能力產(chǎn)生影響與危害。為解決這一問題，近年來工程實(shí)踐中提出對輕骨料混凝土的應(yīng)用概念。相較于常規(guī)混凝土原料而言，輕骨料混凝土原料造價(jià)低廉，輕質(zhì)特點(diǎn)突出，可以十分有效地減少構(gòu)造物自身重量與相應(yīng)的處理成本，結(jié)構(gòu)斷面等特殊情況也得到了一定的控制，同時(shí)還大幅提高了有效使用面積，并提高了公路橋梁工程的經(jīng)濟(jì)性與可靠性。

1 輕骨料混凝土及其性能優(yōu)勢

輕骨料混凝土即基于輕粗骨料，輕砂（普通砂），水泥以及水所配置而成的特殊混凝土，其干表觀密度在1 950.0 kg/m3范圍內(nèi)。雖然從單方造價(jià)的角度上來說，輕骨料混凝土單方造價(jià)顯著高于等級相同的普通密度混凝土，但其在實(shí)際應(yīng)用中具有一系列的性能優(yōu)勢，如強(qiáng)度高，可有效減輕建筑物自身重量，降低基礎(chǔ)處理費(fèi)用，增加使用面積，縮小結(jié)構(gòu)斷面以及節(jié)約工程造價(jià)等，綜合經(jīng)濟(jì)效益突出，因而在公路橋梁施工中具有相當(dāng)突出的應(yīng)用價(jià)值。其在我國的具體應(yīng)用發(fā)展可以概括如下圖1所示。從公路橋梁工程應(yīng)用實(shí)踐的角度上來說，輕骨料混凝土的應(yīng)用具備以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢：

圖1 輕骨料在我國的具體應(yīng)用發(fā)展示意圖

1.1 輕質(zhì)高強(qiáng)

受集料中孔隙因素的影響，集料自身容重明顯偏低，輕骨料混凝土憑借這一機(jī)制在容重上得到了明顯的下降，當(dāng)前技術(shù)條件支持下，輕骨料混凝土的容重在800.0 kg/m3～1 950.0 kg/m3范圍內(nèi)，作為承重結(jié)構(gòu)所使用的輕骨料混凝土容重在1 400.0 kg/m3～1 950.0 kg/m3范圍內(nèi)，與同等強(qiáng)度等級普通混凝土相比容重下降25%～30%。同時(shí)，在強(qiáng)度等級相同的情況下，輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到3.5MPa～40.0 MPa的理想范圍，強(qiáng)度等級可以達(dá)到15～50級，最高強(qiáng)度等級達(dá)到70級。現(xiàn)階段技術(shù)條件支持下，國外研究人員已經(jīng)成功配置容重為1 660.0 kg/m3，同時(shí)28 d齡期強(qiáng)度達(dá)到55.5MPa的輕骨料混凝土，完全可以滿足現(xiàn)階段公路橋梁施工的承重結(jié)構(gòu)需求。

1.2 抗震性能好

輕骨料混凝土相較于常規(guī)意義上的混凝土原料具有較低的彈性模量，這也就意味著梁體自振周期明顯延長，變形能力好，在梁體遭受破壞的情況下能夠?qū)Ω嗟淖冃文苓M(jìn)行消耗，以達(dá)到良好的抗震性能。同時(shí)，在地震因素的影響下，地震作用與上部結(jié)構(gòu)呈正相關(guān)關(guān)系，加之輕骨料混凝土的自身容重明顯低于普通混凝土，因此相同強(qiáng)度地震作用力下所產(chǎn)生的水平剪切作用力偏低，對公路橋梁結(jié)構(gòu)抗震是非常有利的。

1.3 耐久性高

在公路橋梁工程實(shí)踐中，應(yīng)用輕骨料混凝土能夠有效避免混凝土出現(xiàn)堿集料反應(yīng)問題，對延長公路橋梁有效使用壽命有重要意義。同時(shí)，輕骨料混凝土滲透性低，從而表現(xiàn)出了良好的耐磨性以及抗凍融能力。更為關(guān)鍵的一點(diǎn)是，與常規(guī)意義上的普通混凝土原料對比，輕骨料混凝土具備更小的彈性模量以及熱膨脹系數(shù)，因此冷縮以及干縮作用下所致拉應(yīng)力水平偏低，這也就意味著輕骨料混凝土在實(shí)踐應(yīng)用中表現(xiàn)出的構(gòu)件抗裂性能更高，以達(dá)到改善構(gòu)件耐久性，延長使用壽命，節(jié)約后續(xù)維護(hù)費(fèi)用的目的。

1.4 施工適應(yīng)性強(qiáng)

人造輕骨料以及輕骨料混凝土可以在較為廣闊的范圍內(nèi)進(jìn)行配置，根據(jù)生產(chǎn)需要以及施工現(xiàn)場實(shí)際情況的不同，配置強(qiáng)度以及容重不同的輕骨料混凝土，可以制作砂輕混凝土、全輕混凝土、無砂混凝土，也可進(jìn)行鋼筋以及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土的配置工作，可以結(jié)合施工現(xiàn)場的實(shí)際需求進(jìn)行預(yù)制，也可以進(jìn)行機(jī)械化的現(xiàn)場澆筑，對各種建筑體系內(nèi)部均有良好的適應(yīng)性。更為關(guān)鍵的一點(diǎn)是，人造輕骨料混凝土在生產(chǎn)工藝上與普通混凝土原料高度相似，無需投入特殊設(shè)備，因此有較強(qiáng)的施工適應(yīng)性。

2 輕骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.1 確定試配強(qiáng)度

根據(jù)我國現(xiàn)行有關(guān)輕骨料混凝土的技術(shù)操作規(guī)程中有關(guān)要求，在公路橋梁工程實(shí)踐應(yīng)用中，輕骨料混凝土的配合比應(yīng)當(dāng)通過計(jì)算與試配的方式最終確定。該參數(shù)主要受到輕骨料混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差以及輕骨料混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值這兩個(gè)方面因素的影響。

2.2 水泥

輕骨料混凝土配合過程中所選用水泥推薦兩種類型：第一類為普通硅酸鹽水泥，第二類為32.5級以上硅酸鹽水泥。以某舊橋改造工程為例，選用xx廠生產(chǎn)42.5R級硅酸鹽水泥。需要注意的一點(diǎn)是，水泥用量會(huì)直接對混凝土強(qiáng)度及其相關(guān)性能產(chǎn)生重要影響，這一點(diǎn)對于輕骨料混凝土而言同樣如此，雖然持續(xù)提高水泥用量能夠有助于輕骨料混凝土強(qiáng)度水平的提高，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致其密度水平的上升。因此，必須對水泥用量進(jìn)行科學(xué)控制。一般來說，建議輕骨料混凝土水泥用量最高控制在550.0 kg/m3范圍內(nèi)。

2.3 高強(qiáng)陶粒的合理選擇

輕骨料混凝土在配合過程中應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇圓球形高強(qiáng)度陶粒，同時(shí)要求陶粒密度等級達(dá)到700以上，強(qiáng)度標(biāo)號達(dá)到30.0 MPa以上，筒壓強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)達(dá)到5.0 MPa以上，同時(shí)應(yīng)當(dāng)滿足人造高強(qiáng)度輕集料的一系列要求。以滿足輕骨料混凝土顆粒級配相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為要求，原則上對輕骨料最大粒徑進(jìn)行嚴(yán)格控制（最大粒徑建議根據(jù)工程實(shí)際需求靈活設(shè)定，一般最大值應(yīng)控制在16.0 mm～20.0 mm范圍內(nèi)）。在確定輕骨料混凝土輕骨料最大粒徑的情況下，考慮到輕骨料自身顆粒密度會(huì)對混凝土整體離析分層產(chǎn)生直接影響（一般情況下，輕骨料自身顆粒密度越大，混凝土結(jié)構(gòu)整體出現(xiàn)離析分層的可能性越小），以及輕骨料形態(tài)與混凝土整體離析分層之間的相關(guān)性關(guān)系（一般情況下，碎石形輕骨料出現(xiàn)混凝土離析分層的可能性低于圓球形顆粒輕骨料）。在前文中所提到的舊橋改造工程項(xiàng)目中，選用xx陶粒制品有限公司所提供的900級頁巖陶粒作為配合陶粒。

3 輕骨料混凝土應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 輕骨料預(yù)濕處理

在公路橋梁工程施工實(shí)踐中，考慮到輕骨料混凝土多為多孔結(jié)構(gòu)，未經(jīng)過充分預(yù)濕處理的輕骨料混凝土原料在攪拌成型過程中仍然持續(xù)吸水，這會(huì)導(dǎo)致拌合物潤滑用水大量減少，增加坍落度損失，對施工作業(yè)的開展會(huì)造成不利影響。考慮到此實(shí)際情況，在施工期間需要于混凝土攪拌前1 d對輕骨料料袋進(jìn)行澆水浸泡，施工前控干多余水分即可，并安排專人根據(jù)輕骨料含水量對施工配比進(jìn)行合理調(diào)節(jié)即可。

3.2 攪拌

在攪拌工藝的選擇上，必須充分考慮公路橋梁工程集料堆積密度以及混凝土級配類型對攪拌工藝的影響。一般情況下，對于粗集料堆積密度＜500.0 kg/m3的砂輕混凝土，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用強(qiáng)制式攪拌機(jī)，做到隨拌隨用，注意出料速度保持均勻。對于輕粗集料堆積密度＞500.0 kg/m3以上的塑形砂輕混凝土，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用自由式攪拌機(jī)，攪拌過程中對攪拌時(shí)間進(jìn)行嚴(yán)格控制，通過試拌確定最佳攪拌時(shí)間，一般來說建議控制在30 min范圍內(nèi)。

3.3 拌合物處理

原則上在公路橋梁現(xiàn)場施工過程中應(yīng)當(dāng)盡可能縮短輕骨料混凝土拌合物運(yùn)輸距離，若因運(yùn)輸距離過長導(dǎo)致拌合物出現(xiàn)嚴(yán)重離析問題，需要在澆筑前進(jìn)行二次拌合。拌合物從攪拌機(jī)卸料開始至澆筑入模延續(xù)時(shí)間應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制在45 min范圍內(nèi)。在現(xiàn)場經(jīng)泵送施工的過程中，需要結(jié)合施工現(xiàn)場實(shí)際需求對泵送管道進(jìn)行準(zhǔn)確布置，盡可能控制泵送阻力，如配置充足水泥砂漿對管道內(nèi)壁進(jìn)行濕潤處理，以確保管道內(nèi)壁可形成薄漿層，從而保證泵送作業(yè)的順利開展，現(xiàn)場拌合物連續(xù)不間斷勻速供應(yīng)。在此基礎(chǔ)之上，還需要特別注意的一點(diǎn)是，公路橋梁現(xiàn)場澆筑橫向結(jié)構(gòu)，每層澆筑高度應(yīng)當(dāng)進(jìn)行嚴(yán)格控制，一般控制標(biāo)準(zhǔn)為30～50 cm。輕骨料混凝土的拌合物澆筑傾落高度應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格限定在1.5 m范圍內(nèi)，以免輕骨料混凝土因傾落高度過高而發(fā)生離析問題。

3.4 振搗

在澆筑作業(yè)完成后，為了進(jìn)一步確保輕骨料混凝土拌合物達(dá)到密實(shí)狀態(tài)，需要根據(jù)輕骨料混凝土拌合物的工作性質(zhì)采取相應(yīng)的振搗成型方式。結(jié)合既往公路橋梁施工經(jīng)驗(yàn)，對于坍落度不足16 cm的輕骨料混凝土拌合物，人工插搗存在一定難度，因此需采取機(jī)械式振搗聯(lián)合人工振搗的處理方式。振搗環(huán)節(jié)的工作時(shí)間不但會(huì)對輕骨料混凝土拌合物中輕骨料的上浮、分布產(chǎn)生影響，同時(shí)還會(huì)對輕骨料混凝土整體密度與強(qiáng)度水平產(chǎn)生影響。因此，在振搗時(shí)間的確定上，應(yīng)當(dāng)以拌合物充分振搗均勻且輕骨料未上浮為基本原則。在此基礎(chǔ)之上，還需要充分參考輕骨料混凝土拌合物的稠度以及振搗部位，一般建議控制標(biāo)準(zhǔn)為10～30 s。針對坍落度達(dá)到16 cm且流動(dòng)性較大的塑形拌合物，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用插搗成型方案，確保輕骨料混凝土拌合物的密實(shí)性達(dá)到理想狀態(tài)。

3.5 抹面

輕骨料混凝土在經(jīng)振搗達(dá)到成型狀態(tài)后會(huì)有一定比例的輕粗骨料浮于表層，為了避免輕骨料混凝土表面質(zhì)量受此因素影響，可以在完成振搗成型后通過抹面的方式解決該問題，將上浮于表層的輕粗骨料顆粒壓入混凝土內(nèi)部。針對上浮顆粒面積較大的區(qū)域，可以借助于表面振動(dòng)器進(jìn)行二次振搗，在砂漿反上后再進(jìn)行抹面，以達(dá)到滿意的處理效果。

4 結(jié)束語

文章圍繞輕骨料混凝土在公路橋梁施工中的實(shí)施與應(yīng)用問題進(jìn)行分析，首先對輕骨料混凝土的基本界定概念以及應(yīng)用優(yōu)勢進(jìn)行分析，指出在公路橋梁工程實(shí)踐中應(yīng)用輕骨料混凝土能夠表現(xiàn)出輕質(zhì)高強(qiáng)、抗震性能好、耐久性高以及施工適應(yīng)性強(qiáng)這幾個(gè)方面的優(yōu)勢，然后對輕骨料混凝土的配合比設(shè)計(jì)方案進(jìn)行初步研究，指出輕骨料混凝土配置拌合中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)與質(zhì)量控制措施，最后對輕骨料混凝土在公路橋梁工程施工中的實(shí)踐應(yīng)用問題進(jìn)行闡述，包括預(yù)濕處理，攪拌，拌合物處理，振搗以及抹面等多個(gè)環(huán)節(jié)，希望通過對公路橋梁工程施工應(yīng)用輕骨料混凝土等一系列問題的分析，為后續(xù)同類工程實(shí)踐提供意見與建議，供業(yè)內(nèi)人士參考。