C55聚丙烯纤维高性能混凝土在铁路桥梁主体结构中应用技术研究.pdf

2 0 1 5年 6月 第 6卷 第 3期 高速铁路技术 HI GH S P EE D RAI L WAY I ECHN0L 0G Y No ． 3。 Vo 1 ． 6 J u n ． 2 0 1 5 文章编号 l 6 7 4 _ 8 2 4 7 2 0 1 5 O 3 0 0 2 9 0 7 C 5 5聚丙烯纤维 高性 能混凝土在 铁路桥梁主体 结构 中 应 用技术研 究 李瑞俊 中铁三局集团有限公司， 太原 0 3 0 0 0 1 摘要 聚丙烯纤维混凝土由于它能有效地提高混凝土抗裂性、 改善长期工作性能、 提高变形能力和耐久性， 目前已经在国内的军事、 交通 、 房建、 机场 、 水利等工程上得到广泛的应用。桥梁工程中主要用于梁体铺装层 等部位， 在桥梁主体结构中使用聚丙烯纤维混凝土案例并不多见。文章结合田家窑2号大桥工程， 从聚丙烯 纤维的选择、 配合比设计 、 拌合工艺、 抗裂性能、 高空泵送和水化热监控与分析进行了全面的理论研究和试验 测试， 确保了 C 5 5聚丙烯纤维混凝土在铁路桥梁结构中的首次运用质量， 形成了一套成熟可靠的施工技术。 关键词 聚丙烯纤维；高性能混凝土桥梁主体结构应用 中图分类号 T U 5 2 8 ． 5 7 2 文献标志码 A Ap p l i e d Re s e a r c h o n C5 5 P0 l y p r 0 p y l e n e Fi be r Re i n f o r c e d Hi g h Pe r f o r ma n c e Co n c r e t e i n Ra i l wa y Br i d g e L I R u i j u n C h i n a R a i l w a y 3 t h B u r e a u G r o u p C o ． ， L t d ． ， T a i y u a n 0 3 0 0 0 1 ， C h i n a Abs t r a c t Po l y p r o p y l e n e fib e r r e i n f o r c e d c o nc r e t e c a n e f f e c t i v e l y i mp r o v e t h e c o n c r e t e c r a c k r e s i s t a n c e，l o n g t e r m wo r k i n g p e r f o r ma n c e a n d d e f o rm a t i o n c a p a c i t y a nd d u r a bi l i t y，a t p r e s e n t h a s b e e n wi d e l y a p p l i e d i n mi l i t a r y，t r a f fic，h o u s i n g c o n s t r u c t i o n，a i r p o r t ，wa t e r c o n s e r v a nc y e n g i n e e r i ng，e t c ． i n Ch i n a，a n d mo s t l y u s e d i n b e a m b o d y pa v e me n t ，e t c．b u t n o t m a n y i n m a i n s t ruc t u r e o f t h e b r i d g e e n g i n e e r i n g ．C o mb i n e d w i t h T i a n j i a y a o N o ． 2 b ri d g e p r o j e c t ， f u l l - s c a l e t h e o r e t i - c a l r e s e a r c h a n d t e s t o n p o l y pr o p y l e n e fi br e s e l e c t i o n，mi x d e s i g n，mi x i n g p r o c e s s ，c r a c k r e s i s t a n c e，u p pe r a i r p ump i n g a n d h y d r a t i o n h e a t mo n i t o ring a nd a n a l y s i s a r e p e rfo rm e d t o e n s u r e t h e q u a l i t y o f C55 p o l y p r o p y l e n e fib e r c o n c r e t e a p - p l i e d i n r a i l w a y b rid g e s t r u c t u r e f o r t h e fi r s t t i me a n d a s e t o f ma t u r e a n d r e l i a b l e c o n s t ruc t i o n t e c h n o l o g y ． Ke y wor ds p o l y p r o p y l e ne fi b r e；h i g h p e rfo r ma n c e c o n c r e t e a pp l i e d i n b rid g e ma i n s t ru c t ur e 1 概述 西安至平凉铁路重 点控制工程 田家窑 2号大桥 ， 采用 双薄壁墩单 T刚构结构形式。四线桥分两 幅梁 施工 ， 全桥长 2 3 7 ． 3 m， 桥跨布置为 4线 2孔 1 0 8 m， 曲 线半径 1 2 0 0 m。设计速度为 1 2 0 k m／ h 。 大桥主墩结构采用双薄壁实心墩 ， 基础共用。墩 高 5 6 m， 壁厚 2 m， 左右两侧按 5 0 1 双面收坡。薄壁 墩纵向净间距 9 m， 中间设 置 2道横梁 ， 横梁厚 2 m。 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 1 作者简介 李瑞俊 1 9 6 9 一 ， 男 ， 高级工程 师。 双薄壁墩横向间距为 3 ． 8 2 m， 设置 4道横 向联 系， 厚 3 m。墩底设放脚 ， 放脚底宽 4 m， 顶宽 2 m， 高 5 m， 底 长 2 2 ． 1 m， 顶长 1 9 ． 0 6 m。桥墩采用 C 5 5纤维混凝土 ， 共 2 3 0 m 。 0号段使用 C 5 5聚丙烯纤维 高性 能混 凝土共计 1 7 2 6 m。 。全桥 C 5 5聚丙烯 高性能混凝 土 使用量达到 5 9 5 6 m 。 C 5 5聚丙烯纤维高性能混凝土性能指标 1 使用年限 1 0 0 年； 2 地震烈度 7度， 地震动峰值加速度 0 ． 1 g ， 场 地谱特征周期 0 ． 4 5 S ； 3 成品适用环境 1 2级碳 化环境 ， 大气相对湿 度 6 6 ％ ； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m D 第 3期 李瑞俊 C 5 5聚丙烯纤维高性能混凝土在铁路桥梁主体结构中应用技术研究 2 0 1 5年 6月 4 拌合物施工要求 7 0 m高垂直泵送。 2 3 5 5聚丙烯纤维高性能混凝土配合 比设计及优化 2 ． 1 拌合指标 根据 田家窑 2号大桥 的使用年限、 实际施工条件 以及设计要求 ， 结合所用的原材料性能 、 设计强度 、 工 作度大小 ， 对混凝土配合比的性能指标提出以下要求 1 混凝土强度等级为 C 5 5 。由于混凝土属于非 匀质性材料 ， 实际混凝土配制强度大于 6 4 ． 0 MP a 。 2 混 凝 土凝结 时 间。初凝 时间应 控制 在 8 1 0 h 以内。 3 混凝土要有 良好 的工作性能， 即流动性 、 粘聚 性 、 稳定性和可塑性 ； 4 混凝 土坍 落度。设计坍落度 1 4 0～2 0 0 mm， 停放 3 0 mi n混凝 土坍落度不宜小于 1 7 0 I T l m； 5 聚丙烯纤维参和量为 0 ． 8 k g ／ m ； 6 最小水泥用量应不低于 2 8 0 k g ／ m ； 7 最大胶材用量 d ≥2 2 d≥1 l d ≥0 ． 5 O ． 5 l一1 O 1 0 3 0 7 9 1 l 7 室温 3 0 ℃ ， 相对湿度 l一2 0． 8 l 3 l 0 8 5％ 21 O 1 1 6 1 4 室温 3 0 ℃ ， 相对湿度 22 O ． 8 1 7 5％ 由实验结果可以看 出 掺人聚丙烯纤维后 ， 砂浆试 件的裂缝 明显减少 ， 裂缝 的宽度 、 长度较素砂浆大幅减 小 ； 相对湿度保持在 7 5 ％左右时， 有利于减少裂缝的 出现， 特别是掺入纤维后， 试件基本不出现裂纹。聚丙 烯纤维掺人后 ， 大幅度提高了砂浆抗裂性能 ， 有利于提 高混凝土的耐久性 ， 确保混凝土构件质量 ； 聚丙烯纤维 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 李瑞俊 C 5 5聚丙烯纤维高性能混凝土在铁路桥梁主体结构中应用技术研究 2 0 1 5年6月 混凝土的最佳养护相对湿度宜控制在 7 5 ％左右。 3 ． 2 ． 2聚丙烯纤维荷载 一挠度实验 聚丙烯纤维混凝 土具有较高 的韧性 ， 达到极 限承 载后 ， 仍具有一定 的承载能力 ， 延迟 混凝土构 件 的破 坏， 提高混凝土的动荷载承载能力， 如图 1 、 图2 所示。 框 图 1 聚丙烯纤维混凝土弯 曲荷载 一 挠 度曲线 框 图 2 素 混凝土弯 曲荷载 一挠度 曲线 从图 1 、 图 2两组试件 的弯 曲荷载 一挠 度曲线可 以看 出， 聚丙烯纤维混凝土构件初始破坏后 ， 虽然承载 能力也下降 ， 但仍在一段时间内继续承受一定荷载 ， 其 高峰后承载曲线斜率小于素混凝土， 表明纤维混凝土 对荷载能量的吸收能力 明显高于素混凝 土， 一定程度 改善 了混凝土的脆性弱点 ， 提高了其防裂性能。 C 5 5聚丙烯纤维混凝土前期强度发展较快 ， 7 d强 度值能达到 6 1 MP a ， 5 6 d强度甚至能达到7 3 M P a 。虽 然混凝土强度表现出离散性， 但加强施工过程中前期 养护 ， 完全能够满足使用要求 ， 确保质量 ， 如图 3所示 。 图 3 C 5 5聚丙烯纤维混凝土强度发展 曲线 4 C 5 5纤维混凝土施工工艺 4 ． 1 聚丙烯纤维混凝土拌合工艺选择 聚丙烯纤维在混凝 土中的掺人工艺有 6种 ， 其拌 合流程如表 1 3所示 。对不 同拌合工艺生产 的混凝土 进行强度 、 施工性能 、 外观质量进行测试、 比选 ， 并结合 现场施工条件 ， 确定拌合方式。聚丙烯纤维拌合后的 均匀程度实验 ， 采用水洗法 ， 即对新拌合的混凝土取样 水洗 ， 对比实验 中纤维的总量如表 1 4所示。 表 1 3 C 5 5 纤维混凝土拌 合流 程 拌合方法 加料顺序 粗骨 料 细 骨料 水 泥 粉 煤灰 聚丙 烯纤 维丝 水 外加 剂 干 拌 法 1 堂混 凝 土 拌 合 物 A 拌A 粗骨料 细骨料 聚丙烯纤维_ 里 水泥 粉煤灰 水 干拌法2 外加 剂 生 混凝 土拌 合物 } △。 } △ 粗骨料 聚丙烯纤维 细骨料 水泥 粉煤灰 _ 水 干拌法3 外 加剂 生 混凝 土拌 合物 r} ， I △． △ 粗骨料 聚丙烯纤维 ． 粗骨料 水泥 粉煤灰 水 干拌法 4 外加剂 生 混凝 土拌 合物 干 拌 法 5 粗 骨 料 细 骨 料 水 泥 水 外 加 剂 聚 丙 烯 纤 维 生混 磷 土拌合物 干拌法6 粗骨料 细骨料 水泥 水 外加剂 聚丙烯纤维 混凝土抖 合物 表 1 4 不 同拌合方 法拌合物纤维分布情况 搅拌时间 纤维掺量 纤维重量／ g 与标准值 出机坍 落度 7 d标养 搅拌工艺 备注 ／ mi n ／ k g m一 试样 1 试样 2 试样 3 试样 4 误差／ ％ ／ m m 强度／ MP a 干拌法 1 4 0 ． 8 7 ． 7 5 ． 4 9 ． 4 8 ． 7 3 2～1 8 1 8 5 4 7 ． 5 干拌法 2 4 0 ． 8 8 ． 3 7 ． 3 8 ． 1 8 ． 6 8～ 8 2 o o 4 7 ． 2 干拌法 3 4 O ． 8 8 ． 1 7 ． 2 6 ． 7 8 ． 9 1 6～1 1 1 9 5 4 5 ． 8 试验室采样 ， 干拌法 4 4 O ． 8 6 ． 9 8 ． 5 7 ． 6 9 ． 2 ． 1 4～ - 1 5 2 1 0 4 6 ． 9 每个样 0 ． 1 m 干拌法 5 3 0 ． 8 8 ． 3 7 ． 4 6 ． 7 8 ． 9 一l 6～1 1 1 9 0 4 8 ． 6 干拌法 6 5 O ． 8 9 ． 6 8 ． 7 5 ． 7 9 ． 8 2 9～2 3 1 8 O 4 6 ． 6 根据实验结果 ， 可以得出如下结论 1 纤维的分布呈现 出离散性 ， 拌合 方法对纤维 分布的均匀性有影 响， 但干拌法 2更为接近标准值 ； 2 拌合方 法对 于混凝 土的强度 影响不是 很 明 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 日 第 3期 李瑞俊 C 5 5聚丙烯纤维高性能混凝土在铁路桥梁主体结构中应用技术研究 2 0 1 5年 6月 显 ， 6种拌合方法试件 7 d标养强度均达到配比试配强 度 ， 但湿拌法强度总体略高于干拌法 3 拌 合方法 对混凝 土的塌落度 影响不是 很 明 显， 但纤维分布越均匀， 坍落度略微偏大， 更易于施工 控制。 从以上试验可知， 干拌法2 虽然拌合工序较多， 但 拌合物的整体性能相对较好 ， 现场生产宜优先采用该 工法进行混凝土拌合。 4 ． 2 聚丙烯纤维混凝土拌合质量控制 4 ． 2 ． 1 聚丙烯纤维的预处理 混凝土拌制施工的关键点在于能将纤维均匀分布 于混凝土中， 需提前将纤维人工进行分散 。具体做法 将纤维置于地面 ， 使用专用工具将纤维充 分分散 。根 据每盘掺人量精确计 量称重。聚丙烯 纤维 的投放 随 粗 、 细投放进程 ， 逐步、 分散进行 ， 如 图4所示 。 图4 聚丙烯纤维混凝土施工过程质量控制图 4 ． 2 ． 2 拌合机械选择及投放量精度控制 聚丙烯纤维混凝土拌制需采用集 中搅拌 ， 宜选用 卧轴式强制式搅拌机 ， 采用 电子计 量系统计量。结合 现场需求选择机械的规格。每次混凝土开盘前对计量 系统进行校验 ， 误差在规范允许 范围内。配料仓周 围 清理干净 ， 防止传感器与障碍物接触导致计量不准确。 4 ． 2 ． 3 施工配合比精度控制 集料需集中、 封闭存放于料棚内。搅拌混凝土前， 应严格测定粗细骨料的含水率， 一般情况下， 每拌合台 班测定各种原料 的含水率 3次 ， 雨天应随时抽测 ， 根据 含水量的变化调整施工配合比。操盘手必须严格控制 水胶比， 每盘水胶 比不能出现误差。 4 ． 3聚丙烯纤维混凝土浇筑质量控制 4 ． 3 ． 1 现场混凝土浇筑施工机具配置 综合 C 5 5纤维混凝土 的搅拌 时间 、 运输 时间、 泵 送人模时间和初凝时间， 根据每次混凝土浇筑所需要 的数量选择施工机械。为使混凝 土连续泵送 ， 混凝土 的供应量需满足要求 ， 运输车辆可按式 1 计算 1 式中 运输车数量 ， 台 ； ； Q 混凝土浇筑总量 ， m ； 搅拌机每盘搅拌量 ， m ； 运输距离， m ； S 。 搅拌车运输速度 ， m ／ s ； 混凝土搅拌机每盘搅拌时间， s 。 综合考虑混凝土泵 的配管系数和作业效率 ， 进行 墩身施工时， 3台搅拌式混凝土运 输车满足在初凝时 间内完成墩身混凝土浇筑 按最大施工节段 2 3 1 m 计 算 。田家窑 2号 大桥施工 中拌和站布设 H Z S一8 0 Q 型搅拌机 1台， 7 5型搅拌机 1台， 配备发 电机 1台 备 用 ， Z L 5 0装载机 1台 ， 混凝土运输罐 5台 8 m 的 3 台、 3 ． 5 m 的2台 。 4 ． 3 ． 2 混凝土运输 在混凝土出站时 ， 试验人员负责按标准要求的检 测频次对混凝土拌和物进行 出机 温度 、 坍落 度、 含气 量 、 压力泌水率等试验项 目进行抽测 ， 以保证混凝土施 工质量 。 混凝土灌车在运输混凝土途 中， 灌车应 以4 r ／ m i n 转速搅动； 当运输到达浇筑地点时， 应高速旋转 2 O～ 3 0 s 后 ， 再将混凝土拌和物卸入泵车内。 混凝土搅拌运输车在行驶过程 中、 喂料 前和喂料 过程中， 不得向搅拌筒内加水 ， 喂料完成后及时清洗搅 拌筒并把简 内水排尽。 喂料前现场测定混凝土的坍落度 ， 并 与出场前测 定坍落度对比。观察混凝土有无泌水现象。严禁将不 合格的混凝土拌合物人泵 。根据田家窑 2号大桥施工 过程 ， 测定泵送 时坍 落度在 2 2 0～2 3 0 mm时 ， 进行竖 向泵送不易出现堵管现象 ， 且在混凝土入模 时坍落度 测定结果为 2 0 0～ 2 1 0 mm， 即在竖 向泵送过程中， 混凝 土坍落度损失率为 2 ． 8 6 m m ／ l 0 m。混凝土运输过程 中坍落度损失率为5 m m ／ h ， 故在混凝土出站时， 在保 证泵送时坍落度限制的基础上结合坍落度损失率控制 坍落度。 4 ． 3 ． 3 混凝土的浇筑及振捣 由于混凝土加入了聚丙烯纤维后 ， 纤维的相互缠 绕和摩擦 ， 在混凝土内部形成 了一定的空间网状结构。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 李瑞俊 C 5 5聚丙烯纤维高性能混凝土在铁路桥梁主体结构中应用技术研究 2 0 1 5年 6月 现场采用插入式振捣的振捣时 间适当延 长， 每一振点 延续的时间以表面出现浮浆和不再有显著沉落， 不再 有大量气泡上 冒为止 。混凝土采用分层 浇筑、 分层振 捣 ， 每层浇筑厚度不超过 1 ． 2 5倍 的振捣半径。为防止 上下层混凝土结合成整体， 上层混凝土振捣要在下层 混凝土初凝之前进行 ， 并要求振捣棒插入下层混凝 土 5 01 0 0 mm， 以保证混凝土凝结硬化后的密实度和耐 久性。 混凝土人模前要测定并严格控制混凝土的入模温 度 ， 在高温气候下 ， 要采取一系列优化措施。 4 ． 3 ． 4 C 5 5聚丙烯纤维混凝土内部水化热监测 在混凝土浇筑前 ， 对其进行水化反应放热模 拟计 算 ， 以确定混凝土水化反应时热量最不易扩散的部位 ， 以及监控受力最关键部位。采用预埋铂热电阻元件在 梁内进行混凝土内温度变化监测。 对混凝土温度进行监控 在混凝土浇筑期间派专 人对进场混凝土进行人模温度、 养护温度测量并检查 、 记录， 确保质量。测温制度 测量温度从混凝土浇筑后 2 4 h开始 ， 升温阶段每 2 h测 1次 ， 降温 阶段每 4 h测 1次 ， 7 d后 ， 每 8 h测 1次。实时监测混凝土 内、 外部 温差及冷却管水温。通过调节冷却水管进出水流量和 流速 ， 可有效地提高混凝土 内部降温效率 ， 控制温差 ， 缩短混凝土养护时间 养护时间至少 1 4 d 。C 5 5聚 丙烯纤维高性能混凝土内部水化热温度监测与强度发 展对 比结果如图5所示。 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 观测时间／ l l 图 5 C 5 5聚丙烯纤维混凝土强度发 展与温度监测对比 根据监测结果显示 在混凝土入模后 6 07 0 h之 间达到最大值 ， 且在之后会持续 3 0～4 0 h后开始缓慢 下降。C 5 5聚丙烯纤维混凝土强度在前 3 d发展 比较 快 ， 由于施工现场养护措施较好 ， 混凝土内部热量积蓄 较小 ， 内外部温差控制在 1 5 C以内。监测结果未显示 前期混凝土内部急剧升温 ， 但是并不等于混凝土水化 热少。 5 结束语 本文系统研究 C 5 5聚丙烯纤维高性能混凝土在 双薄壁高墩和0 号段大体积混凝土中运用的配合比， 优化拌合工艺 、 浇筑及水化热监测技术 ， 提高了混凝土 的抗裂性 ， 首次实现了聚丙烯纤维混凝 土在我 国铁路 桥梁上结构中的应用 ， 确保 了施工质量。 参考文献 [ 1 ] 李北星 ， 田晓彬 ， 胡 明义 ， 等． 箱 粱 c 5 5高性能混 凝土 的抗 裂性能 研究 [ J ] ． 世界桥梁 ， 2 0 1 0， 3 7 3 4 o一 4 3 ． LI Be i x i n g ， TI AN Xi a o b i n，HU Mi n g y i ， e t a 1 ． Re s e a r c h o n Cr a c k i n g Re s i s t a n c e o f C 5 5 Hii g h P e r f o r ma n c e C o n c r e t e Us e d f o r Bo x Gi r d e r [ J ] ． Wo r l d B ri d g e s ， 2 0 1 0 ， 3 7 3 4 0 4 3 ． [ 2 ] 马一平， 谈慕华． 聚丙烯纤维水泥基复合材料物理力学性能研究 I 抗塑性干缩 开裂性 能[ J ] ． 建筑 材料学报 ， 2 0 0 0 ， 3 1 4 8 5 2． MA Yi p i n g， TAN Muh u a ．Re s e a r c h o n P h y s i c a l an d Me c h a n i e l Pr o p ri - 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s t a y e d B ri d g e [ J ] ． B ri d g e C o n s t r u c t i o n ， 2 0 0 9 ， 3 9 s 1 3 63 8 ． ∞ 如 如 加 m O B d ＼ 慧 ＼ 赠 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m