大体积高强纤维素纤维砼研究

徐 朴 ，赵 燕

1.中铁大桥局集团一公司试验检测中心，河南郑州 450000

2.洛阳路桥建设集团第一工程有限公司，河南洛阳 471000

0 引言

随着我国国力日益昌盛，基础建设也越来越受到国家的重视，大体积高强纤维砼也越来越多，对此类砼的研究，具有普遍指导意义。本文结合富阳鹿山大桥工程特点，对该类砼配合比设计和施工进行分析研究。

1 工程概况

鹿山大桥位于浙江省富阳市， 是鹿山分区和春江分区之间跨越富春江、实现两区连接的重要城市桥梁。工程起点与320国道相交，自北向南跨越富春江及两条沿江大道，终点与新中公路相接。路线总长2.422km，其中桥梁长约1.502km。该桥主桥为118+256+118三跨双塔单索面预应力砼斜拉桥，主跨跨径大，技术比较复杂。设计使用寿命为100年。其中主梁0号块为C60纤维素纤维砼，其最小边长3.195m，方量为1200m3，属于大面积、多方量的大体积砼。

2 砼配合比设计原则

2.1 大体积砼定义

现场浇筑的最小边尺寸为1～3 m ， 且必须采取措施以避免水化热引起的温差超过25℃的砼称为大体积砼。

2.2 设计原则

1）选用质量稳固、低水化热和含碱量偏低的水泥，尽可能避免使用早强水泥和C3A含量偏高的水泥；

2）选用坚固耐久、级配合格、粒形良好的洁净集料；

3）为降低砼内部的温升和水化热，尽可能掺加优质粉煤灰等矿物掺合料；

4）尽可能降低拌合水用量，采用高效减水剂；

5）限制每立方米砼中胶凝材料的最低和最高用量，尽可能减少胶凝材料中水泥的用量；

6）掺加纤维，减少砼裂缝的产生。

3 砼配合比的主要设计途径

大体积高强砼配合比的设计及优化应根据大体积砼的结构特点和温控要求进行，严格控制砼的温度升降变化，是控制大体积砼温度裂缝的有效方法。

超细粉由于其填充效应、流化效应和后期活性效应，添加粉煤灰可以明显降低泌水率，降低早期水化热，改善粗集料周围界面结构，改善砼结构和体积稳定性，提高耐久性，而且由于Ⅰ级粉煤灰价格低于水泥价格，因而提高取代率从经济成本比较上也是合理的。

普通大体积砼具有收缩大、抗拉强度低、极限延伸率小以及抗冲击性差等缺点。在大体积砼中加入纤维素纤维可以提高砼的抗拉强度；限制砼早期由于离析、泌水、收缩等因素形成的原生裂隙的发生和扩展；阻止砼破坏时裂缝扩展，使砼在开裂后仍能保持一定的抗拉强度，同时具有较高的荷载传递能力。提高了砼的变形能力与弹性模量。纤维素纤维除了能控制砼塑性收缩、干缩、温度变化等因素引起的微裂纹，防止及抑制裂缝的形成及发展，大大提高砼的抗渗性能、抗冻融性能等一般纤维的优点外，还具有和水泥亲和力强，促进水泥水化，减少砼泌水等特殊性能。

3.1 砼的原材料选用

3.1.1 水泥

水泥厂应能稳定工艺，控制水泥质量波动，降低水泥质量的离散性，尽量不使用立窑水泥，不宜使用早强水泥、水化热较高和高C3A含量的水泥，控制熟料中C3A含量可以降低水泥早期水化热、降低水泥与外加剂适应性问题。基于此，我们优选采用了浙江尖峰P·O 52.5水泥，其主要检测技术指标如表1。

表1 水泥的技术指标

3.1.2 粉煤灰

大体积砼通过等量或超量取代的方法掺加粉煤灰可以防止早期裂纹，还可以提高砼的耐久性，其作用如下：

2）显著改善砼和易性；

3）提高砼的密实性和强度；

4）提高砼抗渗性；

5）提高抗Cl-离子渗透；

6）提高抗碱——集料反应；

7）提高抗硫酸盐侵蚀。

本桥采用宁波北仑电厂生产的I 级粉煤灰， 其技术指标见表2。

表2 粉煤灰的技术指标

需水量比（%） ≤95 93烧失量（%） ≤5.0 4.61三氧化硫（%） ≤3.0 0.21游离氧化钙（%） ≤1.0 0.54

3.1.3 粗集料

农历正月十六，家中的老奶奶或妈妈闻鸡而起，从北锅台锅底取下锅底黑灰，在睡梦香甜中的儿孙们的脑门上或脸上抹上点黑灰，目的是避免儿孙们受到鬼怪邪魔的侵扰，保佑儿孙们一年平安。年轻人都起得很早，带着锅底黑灰到亲属家、到左临右舍家相互涂抹黑灰。有的懒散的人起的晚了，在被窝里就被人家抹的满脸黑，走在大街上的人们不论认识与否，都会趁对方不备，突然袭击，抹个满脸黑。这一天，最倒霉的是当嫂子的，她们成了前来抹黑者的主攻对象，孩子们也屋里屋外你追我赶，相互涂抹，活动场面非常活跃热闹。

粗集料的级配和颗粒形状对砼的性能至关重要，级配好、粒形好的碎石在砼中与水泥石的界面结合状态好，配制的砼密实度高、流动性大。大体积砼宜优先选择连续级配的粗集料配制。使用连续级配的粗集料配制的砼工作性能较好， 可以减少用水量和水泥用量， 减小绝对温升，从而降低了砼的温升。这里我们采用了富阳下际石料厂的5～10mm和10～25mm两级配组合碎石，其压碎指标5.0%，针片状含量4%，坚固性2.0%，含泥量0.5%，泥块含量0.20%。

3.1.4 细集料

采用赣江产的中粗砂，其细度模数2.7，含泥量1.1%，泥块含量0.4%，云母含量0.2%。

3.1.5 减水剂

减水剂的性能是降低砼水灰比、增大坍落度的关键，我们采用山西黄腾减水剂厂生产的HT-HPC聚羧酸类高效减水剂，其主要检测技术指标如表3。

表3 减水剂的技术指标

3.1.6 拌合及养生用水

拌合及养生用水采用富春江水，其主要检测技术指标如表4。

表4 水的技术指标

3.1.7 纤维素纤维

在这里我们采用瑞高实业所提供的WEYTHIN纤维素纤维，它是新型的复合纤维，属于低弹模级材料，基体采用美国本土经基因改良的沼泽松木中提取到的高纯度纤维素纤维，单丝纤维外形成扁平状。在大体积砼中添加纤维素纤维可以大幅提高砼的均质性，有效抑制早期的塑性裂缝和干缩裂缝，同时可以改善砼的抗渗性、抗冻融性，提高砼的耐久性。其比表面积2490m2/kg，弹性模量8.5GPa，抗拉强度960MPa，推荐掺量0.9kg/m3。

3.2 砼配合比试配

确定了配合比的各种材料及骨料的级配，然后依据《普通砼配合比设计规程》（JGJ 55- 2000）和纤维砼结构技术规程（CECS 38- 2004）的有关规定进行大体积砼配合比设计，再按《普通砼拌和物性能试验法标准》（GB/T 50080- 2002）和《普通砼力学性能试验法标准》（GB/T 50081- 2002）的有关规定进行砼的室内试拌和新拌砼性能的各项试验以及试件的力学性能试验，试验结果如表5。

由上表可看出，A#、B#配比较理想，但A#配比砼比B#较为粘滞，不利于现场砼泵送施工，且A#配比水泥用量较多会产生更大的水化热，因此从砼耐久性、工艺性、经济性和现场控制要求综合考虑，配比初步采用B#为基准配比。接着我们对B#配比砼进行耐久性试验，结果见表6。

表6 选定配合比砼耐久性技术指标

经耐久性试验B#配比所得试验数据符合要求，因此选用B#配比。

4 砼的现场控制和质量控制

为提高砼的工艺性能、降低砼温升，粗细集料尽量在拌和前先润湿，同时，由于砼中水泥用量小、相对减水剂掺量较大，因此砼性能对原材料和环境温度等变化较为敏感，适时调整工艺参数颇为重要。

由于该砼粘聚性大，搅拌困难，现场宜采用双卧轴强制式搅拌机。搅拌时，先向搅拌机投入骨料、水泥、粉煤灰、纤维素纤维和水，搅拌60s后，再加入减水剂继续搅拌至搅拌均匀，即减水剂采用滞水法掺入，以提高减水效果和砼性能。因掺入纤维素纤维所以搅拌时间宜适当延长20～40s直至纤维素纤维能完全分散到砼拌合物中去。

由于该砼水胶比小、密实度大，砼表层水分蒸发后，内部靠毛细管难以补充，造成表面干燥失水，形成干缩裂纹，因此应提前保湿养护，采用一层塑料膜加二层草袋，较厚处采用二层塑料膜加三层草袋保持表面润湿，并适当延长湿润养护的时间，可提高后期强度、弹模和耐久性，提高结构表层砼的密实性、均匀性，降低砼硬化收缩应力，防止裂缝产生。

现场取样立方体抗压强度试件12 组， 在标准恒温恒湿养护室中进行养护，28天平均强度69.6MPa，达到室内试配强度的94.3%，最低强度68.9MPa， 标准差3.60MPa， 全部满足C60 设计强度等级的要求。主梁0#块经业主、设计、监理各方根据规范要求检查， 未发现裂缝、渗漏及其它质量问题。

5 结论

1）大体积砼配合比设计， 应从控制温度差的角度出发， 防止产生温度裂缝；

2）严格控制原材料质量是避免大体积砼裂缝的关键；

3）控制水泥用量，合理掺用矿物掺合料，延长砼龄期、合理选用高效减水剂等方法是降低水化热的有效途径；

4）在砼中可适当掺入纤维素纤维，对抑制早期的塑性裂缝和干缩裂缝有明显的效果，还可提高砼的耐久性；

5）砼浇捣完毕后， 做好混凝土水化热温度的观测记录，及时开启冷却循环水管，冬季应及时用保温材料覆盖， 并浇水保湿控制温差。

表5 砼配合比试配试验结果

[1]公路桥涵施工技术规范（JTJ41-2000）.

[2]普通砼配比设计规程（JGJ55-2000）.

[3]普通砼拌和物性能试验法标准（GB/T50080-2002）.

[4]普通砼力学性能试验法标准（GB/T50081-2002）.

[5]水泥砼和砂浆用合成纤维（GB/T21120-2007）.

[6]纤维砼结构技术规程（CECS38-2004）.

[7]孙忠义,王建华.公路工程试验工程师手册.人民交通出版社,2004(1).