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用

劉萬琴

（武威公路事業發展中心高等級公路養護中心，甘肅武威 733000）

0 引言

伸縮縫是橋梁中不可缺少的一部分，它起到承擔動力荷載的作用。伸縮縫在橋梁運營過程中極容易損壞，對混凝土性能要求相對更高。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標準，總共386 座橋梁。經過幾年的運營，部分橋梁伸縮縫出現了不同程度的破損。2020年的養護維修工程中，伸縮縫維修使用了鋼纖維硫鋁酸鹽水泥混凝土，此項技術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特點

鋼纖維硫鋁酸鹽水泥混凝土具有早強、高強、高抗滲、高抗凍、耐蝕、低堿和低生產能耗等基本特點，契合高速公路養護維修工程中工期短、開放交通早、要求強度高等實際需要。鋼纖維硫鋁酸鹽水泥混凝土主要有以下幾個技術特點。

1.1 強度較高

傳統混凝土性能相對較低，強度不高，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量較多的短鋼纖維配合制成，其性能更加優越。相比傳統混凝土，在同樣荷載下，鋼纖維硫鋁酸鹽混凝土抗形變能力更強，變形幅度遠遠低于普通混凝土。公路橋梁采用鋼纖維硫鋁酸鹽混凝土進行養護，能夠降低橋梁出現裂縫的概率，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，產生的副作用較少，能夠有效降低后期使用過程出現裂縫的風險，特別是用于伸縮縫施工中，其優異性能可以保證伸縮縫位置不會出現裂縫，使用一段時間后，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間，減少維修次數、降低成本。

1.3 抗外界沖擊力性能好

根據試驗研究分析，混凝土中加入鋼纖維的比例不同，其性能存在一定的差異，當加入比例為2%時，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沖擊的過程中具有較高的抵抗性，避免伸縮縫出現問題。

2 各種材料的技術要求

2.1 石料的技術要求

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固性。該工程中粗集料采用的是永登新聯料場生產的5～10mm、10～20mm 碎石。經檢測，粗集料堅硬、清潔、干燥、無風化、無雜質、粒徑符合規范要求。細集料采用武威四壩料場水洗干凈的中粗砂。

2.2 硫鋁酸鹽水泥的技術要求

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

2.2.1 早強高強性能

該類型水泥具有很好的早期強度，并且在后期養護中強度還能繼續增長。同時，該品種水泥能可以滿足水泥凝結時間要求，有利于施工和運輸。通過試驗檢測得到該水泥1d 抗壓強度可到達35～50MPa，抗折強度接近7.5MPa。3d 抗壓強度和抗折強度分別高達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，當環境溫度為0～10oC 時，其強度為普通硅酸鹽水泥的8 倍，當環境溫度在-20～0oC 時，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，不影響施工進度。

2.2.3 耐腐蝕性能

該水泥表現出優異的耐腐蝕性能，在經過實驗研究后發現，硫鋁酸鹽水泥對氯鹽、海水以及硫酸鹽等具有非常強的抗腐蝕能力，用于橋梁伸縮縫施工非常合適。

2.2.4 保護鋼筋性能

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鋼筋具有保護作用的鈍化膜。早期混凝土中含有一定的水分和空氣，導致鋼筋出現微弱腐蝕的情況，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。經過試驗室長期研究和觀察，快硬硫鋁酸鹽水泥中加入堿性外加劑，提高酸堿度，鋼筋表面會形成鈍化膜，保護鋼筋不被腐蝕。

2.3 外加劑的技術指標

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，可以進一步改善混凝土性能，提高混凝土質量，減少混凝土用水量，不僅可以加快施工進度，還能節約材料成本。該項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間、便于運輸和施工、配合施工所需時間。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間較短導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的鋼纖維，養護研究院調配的緩凝減水劑，添加量為2%～2.5%。

3 配合比設計

與普通混凝土配合比設計類似，鋼纖維硫鋁酸鹽混凝土同樣要采用計算法設計配合比。工程施工前期按照養護研究院提供的目標配合比調配了多種施工配合比。在實驗室成型3 組試塊，保持室溫28oC 的情況下，成型1h 后脫模，脫模后進行養生，并在成型后3h、1d、3d 進行了抗壓強度試驗，最終確定適宜的施工配合比。

3.1 混凝土抗折強度和抗壓強度

根據設計要求或工程強度要求，也可以根據混凝土強度的標準值確定。

3.2 水灰比

通常控制在0.45～0.50，但要根據混凝土抗壓強度進行計算得到具體值，可以用普通混凝土水灰比的計算公式求取。

3.3 鋼纖維體積率

結合抗折強度實驗數據，根據規范規定計算，通常控制在1.0%～1.5%之間。

3.4 單位體積用水量

一般通過試驗方式確定，當混凝土摻和外加劑時則要綜合考慮。

3.5 砂率

根據施工現場材料種類、水灰比以及鋼纖維體積率等參數值合理選擇，大致范圍為1.1%～1.6%。

3.6 配合比

以體積為單位，計算各原料比例。

3.7 性能檢測

按照配合比制定混凝土檢測方案，制樣進行性能檢測，并根據施工要求進行調整。

4 施工控制

4.1 鋼纖維的質量檢驗

鋼纖維檢驗要求如下：第一，每次到貨抽檢10 根以上，長度偏差低于標準長度的10%。第二，鋼纖維尺寸合格率超過90%，每次抽檢100 根，使用天平和游標卡尺完成檢驗。第三，鋼纖維抗拉強度不得低于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，確認鋼纖維表面無雜質、油污等，以免影響鋼纖維黏結性能。

4.2 原材料的檢驗

此次維修養護施工所采用的材料均符合有關標準，滿足高速公路施工技術規范，到場材料均已經過檢查和檢驗，能夠出具質量合格證書。

4.3 鋼纖維硫鋁酸鹽混凝土的檢驗

鋼纖維硫鋁酸鹽混凝土檢驗需要重點關注和易性、水灰比以及坍落度等關鍵指標。通過控制上述指標設計配合比，拌和得到混凝土后，觀察混凝土中鋼纖維的分布情況，若出現鋼纖維結團的現象，則需要延長拌和時間，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件。施工中要注意采用小型的破碎機，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，所以在伸縮縫中點部位切割開。這種施工方式能夠避免車輛行駛導致橋梁構件震動而損壞橋梁。由于范圍小，施工相對方便，僅鑿除伸縮縫區域內的混凝土不會對橋面鋪裝混凝土造成破壞。

4.5 清除縫內雜物

在維修過程中，要及時清理干凈伸縮縫內的雜物，同時還要嚴格控制伸縮縫內的酸堿雜質，否則會加快混凝土的損壞。還要保證預埋在臺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格按照設計的配合比進行，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，所以對此類施工采用人工投料的方式進行生產，過程中要嚴格注意以下事項：

第一，混凝土拌和前要將設備清洗干凈，并且杜絕混入硅酸鹽水泥。第二，施工前要測定砂石含水率，根據施工時期的天氣變化及時調整施工用料比例，避免鋼纖維硫鋁酸鹽水泥中鋼纖維纏繞成團。第三，按照以下程序進行：預先攪拌粗集料和鋼纖維，然后投入細集料、水泥、外加劑和水攪拌均勻，攪拌時間應適當延長。此操作的目的是限制混凝土裂縫的擴展，增強其抗彎、抗剪及抗拉強度，提高混凝土質量、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合材料。第四，加入緩凝劑，保證施工過程中有足夠的時間澆筑、振搗及整平。根據研究分析，緩凝劑摻量應為水泥質量的2%。緩凝劑添加量不足，則無法延長初凝時間，導致混凝土施工還沒有完成就開始初凝，緩凝劑添加量過多，則初凝時間過長，達不到預期目的，還會影響混凝土后期強度。

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棒震動密實后，再用平板震動器振動混凝土表面，最后用抹子找平。在澆筑混凝土時，應控制澆筑高度，使其與老橋面兩側平齊，不得超過老橋面高度，也不能比老橋面高度低。

第二，施工中各個工序要緊密配合，混凝土澆筑時立即插入式振搗器振搗。一旦時間過長，混凝土就會失去流動性，增加施工難度。一旦混凝土坍落度過低，施工過程操作會面臨困難。由于嚴禁二次加水攪拌，導致混凝土接近初凝時失去流動性后被遺棄。

4.8 混凝土的養護

鋼纖維硫鋁酸鹽水泥混凝土要重視早期養護，當施工完成后，要及時用浸濕的草袋或塑料薄膜覆蓋工作面。當氣溫在20oC 以上時，鋼纖維硫鋁酸鹽水泥混凝土會在半小時左右終凝，此時要立即澆水養護。

4.9 開放交通

在伸縮縫施工過程中，采用同樣性質的混凝土制作試塊，保證伸縮縫維修部位和試塊在同等條件下養生，24h 后對試塊進行抗壓強度測試，當混凝土強度超過設計值的80%時，就可以開放交通，對另外一個車道進行施工。

4.10 施工技術注意事項

鋼纖維硫鋁酸鹽水泥混凝土對水灰比要求極高，在設計配合比時，要根據施工要求進行合理控制，當氣候條件不好，如刮風下雨時，要禁止施工。出現陰雨天氣時也要及時停止施工，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，影響工程質量。當降水量較大時且施工接近末尾時，可以搭建臨時防雨棚加快施工，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式拌和設備，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，拌和時間可以適當調整，但要保證干拌和濕拌時間在300s 以內。鋼纖維投放分3 次進行，適當控制時間間隔，以拌和時不出現結團現象為宜。不僅如此，還要根據拌和時的天氣情況，適當地調整水量，為提高混凝土的和易性，最好在環境溫度低于22oC 時進行施工，并且在施工完后要用濕潤的土工布將其覆蓋養生。

5 施工工藝

此次施工工藝如下：第一，做好準備工作，在混凝土施工之前，首先要將破損的橋面鋪裝進行清除，并進一步清理干凈橋面，然后才能將水泥漿均勻地噴灑在橋面上。第二，仔細檢查維修區域鋼筋網片，保證鋼筋搭接部分正常，若發現錯位的情況，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，要人工進行找平，然后振搗，最后用振平板粗平，粗平時要保證重疊為1/2。第四，振平后再進行滾動碾壓和滾平提漿，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生。

6 結論

綜上所述，鋼纖維硫鋁酸鹽混凝土各項性能均要強于普通混凝土，文章詳細研究了該混凝土在古永高速橋梁伸縮縫維修的實踐應用，得出以下結論：

其一，鋼纖維硫鋁酸鹽混凝土1d 抗壓強度就可到達35～50MPa，抗折強度接近7.5MPa。3d 抗壓強度和抗折強度分別高達70MPa 和8.5MPa，當環境溫度為0～10oC 時，其強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特別要注意拌和時間以及配合比，保證鋼纖維分布的均勻性和連續性。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。