公路橋梁施工中高性能混凝土的應(yīng)用

江 舟,程自強(qiáng)

(1.湖南省湘筑工程有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410000;2.湖南省高速公路集團(tuán)有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410000)

在如今社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下,我國公路橋梁工程的建設(shè)規(guī)模在不斷擴(kuò)大,相應(yīng)的施工技術(shù)工藝也越來越先進(jìn)。在多年各類工程的施工實(shí)踐過程中,高性能混凝土作為一種重要的工程施工材料,對(duì)保證施工質(zhì)量、提升施工效率等都做出了突出貢獻(xiàn)。如今,我國多個(gè)地區(qū)的公路橋梁工程施工中,高性能混凝土的應(yīng)用率都越來越高,但是受到各方面因素影響也暴露出一些問題。因此,有必要基于公路橋梁工程施工的實(shí)際情況,正確認(rèn)識(shí)高性能混凝土的應(yīng)用特征及價(jià)值,對(duì)該工藝的質(zhì)量控制措施進(jìn)行深入探討。

1 高性能混凝土概述

1.1 基本定義

高性能混凝土主要是在傳統(tǒng)混凝土材料的基礎(chǔ)上,通過優(yōu)選材料、優(yōu)化配比、創(chuàng)新工藝所制成的一種各方面性能都更為突出的混凝土材料[1]。其“高性能”代表的主要性能包括強(qiáng)度、耐久性、體積穩(wěn)定性等,這些都是混凝土能夠有效發(fā)揮其應(yīng)用價(jià)值的關(guān)鍵。通常情況下,高性能混凝土的生產(chǎn)制造,除了要優(yōu)選各類材料及外加劑以外,低水膠比和專用摻合料、外加劑的使用是提升其各方面性能的重要舉措。高性能混凝土的概念最早誕生于上世紀(jì)50年代,發(fā)展至今,各國國家或地區(qū)對(duì)該材料的定義存在一定差異。比如,美國工程領(lǐng)域普遍認(rèn)為,高性能混凝土是一種在施工中易于澆筑、振搗,較少產(chǎn)生離析現(xiàn)象,且能夠長(zhǎng)期保持足夠強(qiáng)度和穩(wěn)定性的混凝土。日本工程領(lǐng)域一般認(rèn)為高性能混凝土是一種具備良好填充能力的工程材料,對(duì)澆筑過程的振搗要求較低,且具有很好的抗裂、抗老化能力。在我國,高性能混凝土的使用最早是上世紀(jì)末,經(jīng)過約30年的發(fā)展,如今已經(jīng)在各類基礎(chǔ)工程、土建工程建設(shè)中得到重要應(yīng)用。在《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(CECS207-2006)中對(duì)高性能混凝土進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)定義,強(qiáng)調(diào)了該工程材料在具備普通混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能的基礎(chǔ)上,具有極高耐用性、工作性及體積穩(wěn)定性。

1.2 特征

(1)高耐久性。作為現(xiàn)代工程建設(shè)中的核心材料,混凝土需要滿足各類工程建設(shè)使用的耐久性需求。因此,在研究和應(yīng)用高性能混凝土?xí)r,高耐久性也是該材料工藝的突出特征之一。尤其在我國各類公路橋梁工程的建設(shè)中,由于相關(guān)工程所在地區(qū)往往擁有復(fù)雜的自然環(huán)境,所以需要混凝土構(gòu)件具有極強(qiáng)的抗老化、抗凍、耐高溫性能。從專業(yè)角度來看,高性能混凝土的CI-滲透率比普通混凝土低很多,意味著其能夠很好適應(yīng)各種露天環(huán)境。基于該特征,高性能混凝土構(gòu)件的抗?jié)B性和密實(shí)性更強(qiáng),進(jìn)而具有更好的抗腐蝕能力[2]。

(2)自密實(shí)性。由于高性能混凝土配制時(shí)的用水量比較低,所以其抗離析能力較強(qiáng),加上其具有很好的流動(dòng)性,所以在混凝土澆筑中的填充性很好。甚至在一些大體積混凝土構(gòu)件施工中,采用配比合適的高性能混凝土可以幾乎不用進(jìn)行振搗即可達(dá)到施工要求。

(3)體積穩(wěn)定性。高性能混凝土擁有低收縮、低徐變、高彈性模量特點(diǎn),受溫度變化而產(chǎn)生的形變較小。常用的普通混凝土彈性模量一般在20 GPa左右,而高性能混凝土彈性模量可以超過50 GPa。在實(shí)際應(yīng)用中,通過使用強(qiáng)度高、彈性模量高的粗集料,同時(shí)減少水泥用量,可以極大程度上減少混凝土的干縮性。在實(shí)際應(yīng)用中,配制得當(dāng)?shù)母咝阅芑炷?0 d干縮量甚至不超過0.04%。

2 高性能混凝土在公路橋梁工程中的應(yīng)用價(jià)值

2.1 有助于提升工程環(huán)境適應(yīng)性

眾所周知,我國地緣廣闊,各個(gè)地區(qū)地勢(shì)地貌、氣候條件存在很大的差異,意味著不同公路橋梁工程所處的環(huán)境是不同的。作為直接受到各種環(huán)境因素影響的工程,公路橋梁工程需要具有極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性[3]。而高性能混凝土的應(yīng)用,可以有效提升公路橋梁的耐用性、穩(wěn)定性。例如,較好的自密實(shí)性可以有效提升公路橋梁構(gòu)件的防水防滲能力,避免野外環(huán)境中的地下水、地表水、自然降水侵蝕工程結(jié)構(gòu),造成工程質(zhì)量問題。再比如,高性能混凝土可以有效抵抗各種腐蝕,便于在不同環(huán)境下建造可靠耐用的公路橋梁。

2.2 可有效減少沉降問題

在公路橋梁工程的建造施工和運(yùn)行中,沉降問題備受關(guān)注。無論是道路路基還是橋梁基礎(chǔ),有效控制沉降是確保工程運(yùn)行安全的關(guān)鍵,也是延長(zhǎng)其使用壽命的核心手段。高性能混凝土坍落度控制性能較好,在配制、振搗施工時(shí),該材料粘性較大的特點(diǎn)意味著水泥、粗骨料之間的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更好。在澆筑完成之后,粗骨料不會(huì)大量下沉,從而保證混凝土構(gòu)件的均勻性和穩(wěn)定性,提高了公路橋梁基礎(chǔ)的抗剪性能,進(jìn)而有效減少沉降率。

2.3 可以滿足大體積、大跨境構(gòu)件施工需求

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,我國各地區(qū)公路橋梁工程的建設(shè)規(guī)模在不斷擴(kuò)大,尤其是在一些山區(qū),涉及到大量大跨境橋梁工程的建設(shè)施工。顯然,傳統(tǒng)混凝土無論是強(qiáng)度、穩(wěn)定性還是耐用性都無法達(dá)到這類工程構(gòu)件的建造要求。而高性能混凝土在大體積及大跨境工程構(gòu)件的建造中,可以有效達(dá)到工程設(shè)計(jì)要求。值得一提的是,相對(duì)于普通混凝土,高性能混凝土的自重也相對(duì)較輕,在橋梁離岸結(jié)構(gòu)物、大跨徑橋梁建造中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更為明顯[4]。

2.4 具有很好的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)

得益于高性能混凝土多方面良好的特性優(yōu)勢(shì),在公路橋梁施工中可以很大程度上減少工程量,提高施工效率,減少施工人力成本及時(shí)間成本。其次,在橋梁工程中應(yīng)用高性能混凝土,可以一定程度上減少鋼筋用量,尤其是在結(jié)合預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)技術(shù)之后,進(jìn)一步減少了橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度。實(shí)踐案例可以證明,相較于傳統(tǒng)的C40、C60混凝土,通過使用C137高性能混凝土,可以減少約20%的鋼筋用量,同時(shí)水泥用量減少幅度甚至可以達(dá)到60%以上,這足以說明高性能混凝土在公路橋梁工程中的使用具有極佳的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然,采用高性能混凝土施工建成的公路、橋梁具有更好的穩(wěn)定性和耐用性,意味著可以減少過你剛才后續(xù)維護(hù)檢修成本。綜上所述,這也是為什么如今我國大多數(shù)公路橋梁工程施工中都開始著手使用高性能混凝土的主要原因。

3 公路橋梁工程施工中高性能混凝土的配制要求

高性能混凝土作為一種現(xiàn)代工程建造施工中的主要材料,其核心優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮,需要建立在科學(xué)的配制工藝基礎(chǔ)之上。接下來主要從選料、配制工藝等角度,闡述公路橋梁施工中高性能混凝土材料的配制要求。

3.1 骨料

高性能混凝土較高的強(qiáng)度和耐用性,很大程度上取決于骨料的選擇。和普通混凝土不同的是,高性能混凝土配制時(shí)一般選擇強(qiáng)度較高的骨料,包括硬質(zhì)砂巖、石灰石及花崗巖等[5]。在此基礎(chǔ)上,還要結(jié)合工程建設(shè)的實(shí)際情況,對(duì)骨料粒徑、吸水率、含泥量及用量等進(jìn)行科學(xué)分析。通常情況下,高性能混凝土使用的骨料最大粒徑不超過25 mm,并且要確保顆粒形狀大小均勻。

3.2 水泥

在高性能混凝土的配制中,水泥的選材和使用十分重要。在公路橋梁工程施工中用到的高性能混凝土,通常使用低水化熱且標(biāo)準(zhǔn)水體粘度較小的高標(biāo)號(hào)水泥(一般不低于42.5)。這種水泥在滿足混凝土強(qiáng)度及耐用性需求的同時(shí),還可以具備良好的流動(dòng)性,以充分發(fā)揮高性能混凝土在大體積混凝土構(gòu)件中高填充性的優(yōu)勢(shì)。

3.3 水灰比

對(duì)水灰比的科學(xué)控制,是配制高性能混凝土的重要環(huán)節(jié),通常適當(dāng)降低水灰比,可以有效提升混凝土的密實(shí)性,進(jìn)而提高混凝土構(gòu)建的耐久性和強(qiáng)度。在公路橋梁工程施工中,高性能混凝土水灰比一般控制在0.3左右,同時(shí)混凝土配制時(shí)的用水量不超過165 kg/m3。

3.4 礦物摻合料

高性能混凝土如此強(qiáng)的性能離不開礦物摻合料的使用,在實(shí)際施工中一般使用粉煤灰、天然沸石粉及抄襲礦渣,在我國部分公路橋梁工程施工中,還會(huì)視情況加入硅粉,目的是改善混凝土拌合物的流變性能。礦物參合料的質(zhì)量對(duì)混凝土構(gòu)件強(qiáng)度、耐用性都有重要影響,因此在實(shí)際的高性能混凝土配制中需要基于規(guī)范化的試驗(yàn)流程進(jìn)行把控[6]。

3.5 外加劑

外加劑是在混凝土配制中為進(jìn)一步優(yōu)化其性能而添加的材料,比如為了提升高性能混凝土拌合物的流動(dòng)性及和易性,一般會(huì)加入高效減水劑,這種典型的表面活性劑,可以在保持低水灰比的基礎(chǔ)上,提升混凝土坍落度。同時(shí),在添加高效減水劑的情況下還可以減少混凝土水泥用量,進(jìn)而有效控制混凝土凝固期間的水化熱現(xiàn)象,降低構(gòu)件內(nèi)外溫差,進(jìn)而降低開裂風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然,在公路橋梁的大體積混凝土澆筑施工中,高效減水劑這類外加劑的合理使用,可以有效提高混凝土構(gòu)件強(qiáng)度及耐用性。

4 高性能混凝土在公路橋梁施工中的應(yīng)用

某高速公路橋梁改造工程項(xiàng)目位于湖北省境內(nèi),通過現(xiàn)場(chǎng)勘察和大量的實(shí)驗(yàn)論證,項(xiàng)目單位明確對(duì)既有橋梁進(jìn)行利用,通過擴(kuò)建的方式滿足該項(xiàng)目建設(shè)需求。在該項(xiàng)目中,施工單位重點(diǎn)用到了高性能混凝土施工技術(shù),其具體施工及質(zhì)量控制要點(diǎn)如下。

4.1 橋梁主體結(jié)構(gòu)施工方案

在針對(duì)既有橋梁進(jìn)行擴(kuò)建時(shí),提升其承載力是首要任務(wù)。在該項(xiàng)目中,即有互通立交橋采用的是15 m+20 m+15 m混凝土連續(xù)空心板,按照位置關(guān)系分為寬度分別為21.0 m和13.1 m的兩幅構(gòu)造。勘察分析該橋梁空心板本身性能比較好,遂決定采用增大界面的方式,使用高性能混凝土對(duì)橋面板進(jìn)行加固。由高性能混凝土外層和緣由普通混凝土結(jié)構(gòu)形成復(fù)合結(jié)構(gòu),有效提升橋梁承載力,使之達(dá)到設(shè)計(jì)要求[7]。值得一提的是,這一施工方案的應(yīng)用,事實(shí)上也利用高性能混凝土在既有結(jié)構(gòu)上形成了保護(hù)層,使既有普通混凝土構(gòu)件免于外部環(huán)境的繼續(xù)影響,進(jìn)而提高整個(gè)工程的耐用性。在該項(xiàng)目中,通過植筋的方式對(duì)橋面板進(jìn)行加固,并且讓新建混凝土層和既有構(gòu)件進(jìn)行連接,確保高性能混凝土構(gòu)件可以有效發(fā)揮作用。在實(shí)際施工中應(yīng)用中,高性能混凝土本身較強(qiáng)的材料性能可以對(duì)橋梁構(gòu)件整體剛度和延性進(jìn)行提升。同時(shí),高性能混凝土具有較強(qiáng)的表面粘結(jié)力,可以加強(qiáng)其和既有普通混凝土構(gòu)件的連接緊密度,進(jìn)而提升整個(gè)工程結(jié)構(gòu)的抗剪性能。

在該橋梁改擴(kuò)建工程的具體施工中,施工單位使用普通攪拌站進(jìn)行高性能混凝土的拌和,采用泵送的方式進(jìn)行混凝土澆筑,配合振搗施工,確保混凝土澆筑質(zhì)量。高性能混凝土配比設(shè)計(jì)及相關(guān)實(shí)測(cè)技術(shù)參數(shù)見表1。可見,該施工方案在構(gòu)件荷載強(qiáng)度、耐用性方面都達(dá)到了理想狀態(tài)。

表1 高性能混凝土設(shè)計(jì)要求及同條件實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表

4.2 橋梁路面施工方案

在公路橋梁工程施工中應(yīng)用高性能混凝土施工技術(shù),在保證施工流程規(guī)范性的基礎(chǔ)上,還需要對(duì)澆筑完成的混凝土進(jìn)行合理養(yǎng)護(hù),以進(jìn)一步發(fā)揮該技術(shù)工藝的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。在該項(xiàng)目中,施工單位考慮到擴(kuò)建過程勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致橋梁荷載增大,為了有效規(guī)避荷載增大帶來的風(fēng)險(xiǎn),決定在橋梁拓寬部分采用高強(qiáng)輕骨混凝土材料。在實(shí)際施工中,關(guān)于高強(qiáng)輕骨混凝土材料的配合比設(shè)計(jì)參考的是《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ 51-2002)的相關(guān)規(guī)定,結(jié)合大量的下次拿試配試驗(yàn),完善配合比方案。該方案中,選用的礦物參合料配合比為25 kg/m3,鋼纖維為10～12 kg/m3,另外還加入了聚合物纖維(5～6 kg/m3)。然后,將輕骨料均勻分布于混凝土中,保證澆筑完成后的混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度及均勻性達(dá)到設(shè)計(jì)要求。具體施工中,施工單位將既有橋梁路面找平層刨除,然后鋪設(shè)約8 cm厚的LC50高性能輕骨料混凝土材料。為了有效保證高性能混凝土和既有路面粘結(jié)性能,在刨除既有路面找平層時(shí)進(jìn)行了鑿毛處理,并且均勻種植剪切銷釘,配合短筋連接的方式,提高施工質(zhì)量[8]。施工中具體采用的是12 mm鋼筋,植筋間距控制在40 cm。在LC高性能輕骨混凝土施工中,使用普通混凝土攪拌站進(jìn)行拌和,泵送澆筑施工。

5 結(jié) 語

綜上所述,現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,各類路橋工程的建設(shè)規(guī)模也越來越大,對(duì)涉及到的施工工藝技術(shù)要求越來越高。高性能混凝土作為一種強(qiáng)度高、耐用性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性佳的混凝土材料,在現(xiàn)代公路橋梁工程施工中的應(yīng)用尤為關(guān)鍵。為此,相關(guān)施工單位應(yīng)當(dāng)重視對(duì)高性能混凝土特性的研究,通過優(yōu)選各類材料,優(yōu)化配合比設(shè)計(jì),結(jié)合公路橋梁工程的實(shí)際情況,做好混凝土拌和、澆筑、振搗及后期養(yǎng)護(hù)管理。唯有如此,才能更好發(fā)揮高性能混凝土施工技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),提高公路橋梁工程的施工質(zhì)量,為社會(huì)的穩(wěn)步發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。