纖維素纖維混凝土在裝配式橋梁預(yù)制墩柱中的應(yīng)用研究

2019-09-03 10:39閆興非馬保平

四川建筑 2019年2期

張旭，閆興非，宗霏，張彥，周杰，馬保平

(成都交投建筑工業(yè)化有限公司技術(shù)研發(fā)中心，四川成都 610042)

常見(jiàn)的市政橋梁工程除小箱梁和鋼箱梁外，其它部分基本上以現(xiàn)澆為主，但現(xiàn)澆施工常常因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)工人施工技術(shù)水平的良莠不齊而出現(xiàn)各種問(wèn)題[1]。特別是施工過(guò)程的圍擋支護(hù)等導(dǎo)致施工現(xiàn)場(chǎng)污染嚴(yán)重，對(duì)交通影響較大，橋梁預(yù)制拼裝成套技術(shù)的提出也就順理成章[2]。四川省成都市羊犀立交全互通改造項(xiàng)目是成都市首個(gè)預(yù)制裝配式橋梁工程，也是四川省預(yù)制裝配式橋梁工程的樣板工程，更是預(yù)制裝配式橋墩在西南地區(qū)的第一次應(yīng)用。作為綠色橋梁施工技術(shù)在西南地區(qū)的首次推廣應(yīng)用，我公司對(duì)承接的裝配式預(yù)制墩柱生產(chǎn)應(yīng)用項(xiàng)目做了大量研究，其中，如何保證預(yù)制墩柱的自身質(zhì)量和表觀效果，是研究重點(diǎn)。

隨著市政施工工程領(lǐng)域的不斷拓展，特殊工程的種類和應(yīng)用不斷增加，對(duì)混凝土自身性能的要求也越來(lái)越高?，F(xiàn)有混凝土特別是單節(jié)節(jié)段長(zhǎng)，模板拼接面多的項(xiàng)目施工過(guò)程中常常會(huì)存在表面微裂縫[3]，氣孔甚至有蜂窩麻面等現(xiàn)象。對(duì)于混凝土自身來(lái)說(shuō)，抗拉強(qiáng)度低，抗拉極限變形值小，如何改善混凝土這種“本性”，就成為了現(xiàn)代混凝土工程師們研究的方向。纖維素纖維作為一種安全、易施工型纖維材料，可以改善混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，大幅提高混凝土及砂漿的均質(zhì)性，有效抑制早期的塑性裂縫和干縮裂縫，因此摻加纖維素纖維可以改善混凝土自身的抗開(kāi)裂性能[4-7]。在現(xiàn)有條件下，改善混凝土自身性能，纖維素纖維混凝土就成了研究方向。

本文通過(guò)研究復(fù)合纖維素纖維對(duì)C40自密實(shí)混凝土的性能影響和纖維素纖維混凝土性能特點(diǎn)及其在預(yù)制立柱生產(chǎn)中的方式來(lái)研究纖維素纖維等特種組分對(duì)混凝土性能的影響，從而研發(fā)出適用于裝配式橋梁應(yīng)用生產(chǎn)的預(yù)制立柱產(chǎn)品、地下管廊制品以及有特殊性能要求的其它相關(guān)市政產(chǎn)品的纖維素纖維混凝土，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了工程示范應(yīng)用。在示范工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)公司生產(chǎn)制品制備方式和制備方法進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，進(jìn)而生產(chǎn)出各指標(biāo)滿足結(jié)構(gòu)性能需求，且性價(jià)比優(yōu)良，便于推廣的市政預(yù)制構(gòu)件產(chǎn)品。

1 原材料的選取及實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線

1.1 原材料

膠凝材料主要成分化學(xué)分析見(jiàn)表1。

表1 原材料主要成分化學(xué)分析 %Wt

(1)水泥：P·O 42.5R水泥，四川峨勝水泥股份有限公司，其基本參數(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 水泥基本技術(shù)指標(biāo)

(2)粉煤灰：火山灰活性指數(shù)70～85 %，瀘州地博粉煤灰開(kāi)發(fā)有限公司風(fēng)選Ⅰ級(jí)原灰。

(3)CTF纖維素纖維：上海某新材料有限公司。

(4)減水劑：固含量12.5～15 %，減水率37 %，預(yù)制構(gòu)件專用聚羧酸減水劑。

(5)砂、石：四川省汶川沙場(chǎng)專用砂、石。

制備預(yù)制墩柱的纖維素纖維混凝土的產(chǎn)品骨料參數(shù)及表觀形貌如圖1和表3所示。

1.2 測(cè)試內(nèi)容及測(cè)試方法

砂石粗細(xì)骨料檢測(cè)按照J(rèn)GJ 52-2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行檢測(cè)，摻合料基礎(chǔ)性能測(cè)試按照GBT 51003-2014《礦物摻合料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》、JG/T486-2015《混凝土用復(fù)合摻合料》進(jìn)行測(cè)試，抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能測(cè)定按GB/T 50081-2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

(a)碎石(10～20mm)

(b)細(xì)石(5～10mm)

(c)機(jī)制砂(Mx:2.4～3.0)

機(jī)制砂石頭性能指標(biāo)技術(shù)要求性能指標(biāo)技術(shù)要求細(xì)度模數(shù)2.4～3.0含泥量≤0.5%石粉含量≤10%泥塊含量≤0.2%MB值≤1.0%針片狀顆粒含量≤5%泥塊含量≤0.5%壓碎指標(biāo)≤10%石含量≤5%Dmax≤25mm松散堆積空隙率≤43%松散堆積空隙率≤42%

1.3 試驗(yàn)技術(shù)路線圖

試驗(yàn)技術(shù)路線圖如圖2所示。

圖2 纖維素纖維混凝土試驗(yàn)技術(shù)路線

2 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 纖維素纖維性能特點(diǎn)

隨著纖維工業(yè)的發(fā)展，用于混凝土的纖維產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展到了第五代(圖3)。我們對(duì)比之前經(jīng)驗(yàn)和各種纖維使用情況，選擇了CTF纖維素纖維，CTF纖維素纖維作為工程纖維應(yīng)用發(fā)展的第五代產(chǎn)品，具有突出的性能及施工優(yōu)勢(shì)。

CTF纖維素纖維相對(duì)合成纖維長(zhǎng)度與直徑較小，對(duì)混凝土工作性的影響很小，對(duì)纖維素纖維的應(yīng)用提供了可能，而且有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，解決了合成纖維對(duì)混凝土工作性能影響的頑癥，克服了傳統(tǒng)合成纖維及化學(xué)類添加劑在混凝土應(yīng)用中的不足，對(duì)纖維混凝土的性能有相當(dāng)好的優(yōu)化作用。通過(guò)實(shí)際對(duì)比，CTF纖維素纖維具有圖4所示性能特點(diǎn)。

(a)第一代聚丙烯單絲

(b)第三代單片狀纖維素纖維

(c)第四代合成粗纖維

(d)第五代CTF條形卷曲狀纖維素纖維

圖4 CTF纖維素纖維性能特點(diǎn)

2.2 C40自密實(shí)混凝土基礎(chǔ)配合比選定

在普通配合比的基礎(chǔ)上,我們主要從水灰比、膠材基準(zhǔn)、砂率、粗細(xì)骨料配比等方面對(duì)混凝土拌合物的基礎(chǔ)性能進(jìn)行對(duì)比研究，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，整理匯總的不同配合比下混凝土基礎(chǔ)性能如表4所示。

由表4幾組數(shù)據(jù)對(duì)比可知，混凝土隨著膠材總量的提高，強(qiáng)度隨之提高，砂率提高，混凝土的強(qiáng)度有所減低，但流動(dòng)性有所改善，減少用水量，將明顯影響混凝土的流動(dòng)性和粘聚性。綜合考慮混凝土的和易性，強(qiáng)度及工作性能，選定表4編號(hào)5的配合比為基準(zhǔn)配合比，此時(shí)混凝土的和易性良好，強(qiáng)度達(dá)到51.9 MPa，滿足生產(chǎn)混凝土性能要求，為后期加入纖維素纖維提供較好的基礎(chǔ)性能。

表4 不同配合比下混凝土基礎(chǔ)性能對(duì)比

2.3 纖維素纖維對(duì)C40自密實(shí)混凝土性能的影響

預(yù)制墩柱常規(guī)混凝土生產(chǎn)采用C40自密實(shí)混凝土，在實(shí)驗(yàn)室配合比的基礎(chǔ)上又做了大量摻加纖維素纖維的試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，現(xiàn)選取兩組具有代表性的配合比試驗(yàn)情況進(jìn)行對(duì)比。纖維素纖維摻加量為1.2 kg/m3，其它配比如表5所示，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)拌合物工作性能情況如圖5所示。

在表5所示的配合比下，混凝土初始拌合物的工作性能良好，坍落度、擴(kuò)展度都滿足預(yù)制墩柱混凝土的泵送及澆筑要求。由圖5可以看出，不加纖維的混凝土工作性能良好，基本滿足自密實(shí)混凝土的要求，同時(shí)摻加纖維素纖維的混凝土拌合物能夠均勻鋪展開(kāi)而不離析泌水，勻質(zhì)性和包裹性良好。

由表6可以看出，摻加纖維的混凝土的強(qiáng)度比未加纖維混凝土有所提高，28 d強(qiáng)度達(dá)到51.1 MPa，遠(yuǎn)高于C40的強(qiáng)度要求，這是因?yàn)镃TF纖維素纖維的親水性和空腔結(jié)構(gòu)，可使尚未參與水化反應(yīng)的水泥顆粒沿CTF纖維素纖維表面完全水化，對(duì)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)、提高混凝土密實(shí)度大有好處；并且改善混凝土的均質(zhì)性，使孔隙分布均勻，有效降低空隙率，使水泥漿體和骨料結(jié)合更加緊密,從而提高了混凝土的強(qiáng)度和耐久性。

表5 摻加纖維素纖維混凝土配合比對(duì)比

(a)未加纖維混凝土

(b)纖維素纖維混凝土

表6 實(shí)驗(yàn)室制備的混凝土性能對(duì)比

由圖6可知，在同樣振搗密實(shí)的情況下，加纖維素纖維的混凝土整體表觀較好，側(cè)面模具面氣孔相對(duì)較少，有較好的表觀質(zhì)量。由圖7可知，纖維素纖維克服了普通纖維在混凝土中易結(jié)團(tuán)。纏繞的缺點(diǎn)，分散均勻，自身不易斷裂，起到較好的搭接作用，混凝土中加入纖維材料可控制基體混凝土裂紋的進(jìn)一步發(fā)展，從而提高了抗裂性；CTF纖維素纖維與混凝土漿體的充分結(jié)合對(duì)纖維混凝土的工作性能上也有很大改善。且纖維素纖維混凝土無(wú)需特殊養(yǎng)護(hù)工藝，CTF纖維素纖維內(nèi)含獨(dú)有空腔具有一定的保水性能，能夠在水化初期儲(chǔ)存部分自由水，對(duì)混凝土起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，不僅對(duì)混凝土的坍落度影響小，有效降低過(guò)早拆模開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，而且在混凝土拆模后表面光整，內(nèi)部密實(shí)，減少了蜂窩孔洞及麻面。

(a)未加纖維混凝土

(b)纖維素纖維混凝土

由圖7可以看出，混凝土的纖維大多是在試塊被壓時(shí)的剪切力拉斷的，這是因?yàn)槔w維在纖維混凝土中的主要作用，在于限制在外力作用下水泥基料中裂縫的擴(kuò)展。在受荷(拉、彎)初期，當(dāng)配料合適并摻有適宜的高效減水劑時(shí)，水泥基料與纖維共同承受外力，而前者是外力的主要承受者；當(dāng)基料發(fā)生開(kāi)裂后，橫跨裂縫的纖維成為外力的主要承受者，這也是纖維素纖維提高了混凝土抗裂能力的一個(gè)佐證。

(a)混凝土拌合物及

(b)成型混凝土試塊中的分散形式

3 生產(chǎn)中試及施工應(yīng)用

在前期實(shí)驗(yàn)室試配試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)行了生產(chǎn)中試，分兩批澆筑了四根預(yù)制墩柱,合計(jì)約80 m3。為了更好的試驗(yàn)纖維素纖維混凝土的性能，考慮到摻加纖維后混凝土的需水量有所提高，且強(qiáng)度有所提高，為取得最好的試驗(yàn)效果和經(jīng)濟(jì)性，中試配合比在實(shí)驗(yàn)室前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了微調(diào)，減少了20 kg總膠材用量，降低了砂率，同時(shí)把水灰比提高到了0.35，試配合比情況如表7所示。

表7 纖維素纖維配合比對(duì)比

圖8是生產(chǎn)中試預(yù)制立柱時(shí)未加纖維混凝土、加纖維混凝土的拌合物情況。結(jié)合表8可以知道，雖然加入了纖維素纖維需水量有所提高，但只需提高0.02個(gè)點(diǎn)的水灰比后，工作性能就能得到保證，有交好的泵送性能，并且增加了纖維提高了混凝土拌合物自身的包裹性。同時(shí)由表8也可以看出，在降低20 kg膠材的前提下，強(qiáng)度基本沒(méi)有變化，從側(cè)面證明了纖維素纖維對(duì)混凝土自身起到一定內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用。

(a)未加纖維混凝土

(b)加纖維素纖維混凝土

種類強(qiáng)度等級(jí)坍落度/mm擴(kuò)展度/mm工作性能抗壓強(qiáng)度/MPa7d28d實(shí)驗(yàn)室C40245595良好37.948.8中試C40215570良好37.249.6

圖9為用纖維素纖維混凝土澆筑成型的裝配式橋梁預(yù)制墩柱構(gòu)件脫模后表觀(圖9正中墩柱)，可以看出與常規(guī)立柱混凝土(圖9右邊墩柱)相比較，減少了表面氣孔及微裂紋的現(xiàn)象，且混凝土勻質(zhì)性的提高也使預(yù)制墩柱表面色澤一致，表觀效果較好。且后續(xù)的實(shí)際施工效果也較好，說(shuō)明此時(shí)的混凝土早期及中后期的性能良好，可以用于裝配式橋梁預(yù)制墩柱的生產(chǎn)。圖10為采用的灌漿套筒干接法預(yù)制拼裝工藝的成都市羊犀立交擴(kuò)容改造項(xiàng)目裝配式橋梁預(yù)制異形墩柱吊裝現(xiàn)場(chǎng)圖，也是纖維素纖維混凝土實(shí)驗(yàn)墩柱在西南地區(qū)裝配式橋梁應(yīng)用的首例，正是通過(guò)生產(chǎn)中試的高標(biāo)準(zhǔn)要求、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐應(yīng)用及中長(zhǎng)期的質(zhì)量追蹤保障，以優(yōu)秀的質(zhì)量獲得了業(yè)主和施工方的滿意好評(píng)。

4 結(jié)論

(1)纖維素纖維在混凝土中易于分散，無(wú)再團(tuán)聚、纏繞現(xiàn)象，纖維素纖維混凝土只需普通振搗工藝，可有效降低離析、泌水現(xiàn)象的可能，改善混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及彎曲韌性力學(xué)性能，保證強(qiáng)度的前提下可以減少膠材用量。