纤维素纤维混凝土在装配式桥梁预制墩柱中的应用研究

张 旭， 闫兴非， 宗 霏， 张 彦， 周 杰， 马保平

(成都交投建筑工业化有限公司技术研发中心， 四川成都 610042)

常见的市政桥梁工程除小箱梁和钢箱梁外，其它部分基本上以现浇为主，但现浇施工常常因为现场工人施工技术水平的良莠不齐而出现各种问题[1]。特别是施工过程的围挡支护等导致施工现场污染严重，对交通影响较大，桥梁预制拼装成套技术的提出也就顺理成章[2]。四川省成都市羊犀立交全互通改造项目是成都市首个预制装配式桥梁工程，也是四川省预制装配式桥梁工程的样板工程，更是预制装配式桥墩在西南地区的第一次应用。作为绿色桥梁施工技术在西南地区的首次推广应用，我公司对承接的装配式预制墩柱生产应用项目做了大量研究，其中，如何保证预制墩柱的自身质量和表观效果，是研究重点。

随着市政施工工程领域的不断拓展，特殊工程的种类和应用不断增加，对混凝土自身性能的要求也越来越高。现有混凝土特别是单节节段长，模板拼接面多的项目施工过程中常常会存在表面微裂缝[3]，气孔甚至有蜂窝麻面等现象。对于混凝土自身来说，抗拉强度低，抗拉极限变形值小，如何改善混凝土这种“本性”，就成为了现代混凝土工程师们研究的方向。纤维素纤维作为一种安全、易施工型纤维材料，可以改善混凝土结构力学性能，大幅提高混凝土及砂浆的均质性，有效抑制早期的塑性裂缝和干缩裂缝，因此掺加纤维素纤维可以改善混凝土自身的抗开裂性能[4-7]。在现有条件下，改善混凝土自身性能，纤维素纤维混凝土就成了研究方向。

本文通过研究复合纤维素纤维对C40自密实混凝土的性能影响和纤维素纤维混凝土性能特点及其在预制立柱生产中的方式来研究纤维素纤维等特种组分对混凝土性能的影响，从而研发出适用于装配式桥梁应用生产的预制立柱产品、地下管廊制品以及有特殊性能要求的其它相关市政产品的纤维素纤维混凝土，并在此基础上实现了工程示范应用。在示范工程应用的基础上总结经验，对公司生产制品制备方式和制备方法进行调整优化，进而生产出各指标满足结构性能需求，且性价比优良，便于推广的市政预制构件产品。

1 原材料的选取及实验技术路线

1.1 原材料

胶凝材料主要成分化学分析见表1。

表1 原材料主要成分化学分析 %Wt

(1)水泥：P·O 42.5R水泥，四川峨胜水泥股份有限公司，其基本参数指标如表2所示。

表2 水泥基本技术指标

(2)粉煤灰：火山灰活性指数70～85 %，泸州地博粉煤灰开发有限公司风选Ⅰ级原灰。

(3)CTF纤维素纤维：上海某新材料有限公司。

(4)减水剂：固含量12.5～15 %，减水率37 %，预制构件专用聚羧酸减水剂。

(5)砂、石：四川省汶川沙场专用砂、石。

制备预制墩柱的纤维素纤维混凝土的产品骨料参数及表观形貌如图1和表3所示。

1.2 测试内容及测试方法

砂石粗细骨料检测按照JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》进行检测，掺合料基础性能测试按照GBT 51003-2014《矿物掺合料应用技术规范》、JG/T486-2015《混凝土用复合掺合料》进行测试，抗压强度等力学性能测定按GB/T 50081-2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。

(a)碎石(10～20mm)

(b)细石(5～10mm)

(c)机制砂(Mx:2.4～3.0)

机制砂石头性能指标技术要求性能指标技术要求细度模数2.4～3.0含泥量≤0.5%石粉含量≤10%泥块含量≤0.2%MB值≤1.0%针片状颗粒含量≤5%泥块含量≤0.5%压碎指标≤10%石含量≤5%Dmax≤25mm松散堆积空隙率≤43%松散堆积空隙率≤42%

1.3 试验技术路线图

试验技术路线图如图2所示。

图2 纤维素纤维混凝土试验技术路线

2 实验室试验结果分析

2.1 纤维素纤维性能特点

随着纤维工业的发展，用于混凝土的纤维产品已经发展到了第五代(图3)。我们对比之前经验和各种纤维使用情况，选择了CTF纤维素纤维，CTF纤维素纤维作为工程纤维应用发展的第五代产品，具有突出的性能及施工优势。

CTF纤维素纤维相对合成纤维长度与直径较小，对混凝土工作性的影响很小，对纤维素纤维的应用提供了可能，而且有非常明显的优势，解决了合成纤维对混凝土工作性能影响的顽症，克服了传统合成纤维及化学类添加剂在混凝土应用中的不足，对纤维混凝土的性能有相当好的优化作用。通过实际对比，CTF纤维素纤维具有图4所示性能特点。

(a)第一代聚丙烯单丝

(b)第三代单片状纤维素纤维

(c)第四代合成粗纤维

(d)第五代CTF条形卷曲状纤维素纤维

图4 CTF纤维素纤维性能特点

2.2 C40自密实混凝土基础配合比选定

在普通配合比的基础上,我们主要从水灰比、胶材基准、砂率、粗细骨料配比等方面对混凝土拌合物的基础性能进行对比研究，经过试验，整理汇总的不同配合比下混凝土基础性能如表4所示。

由表4几组数据对比可知，混凝土随着胶材总量的提高，强度随之提高，砂率提高，混凝土的强度有所减低，但流动性有所改善，减少用水量，将明显影响混凝土的流动性和粘聚性。综合考虑混凝土的和易性，强度及工作性能，选定表4编号5的配合比为基准配合比，此时混凝土的和易性良好，强度达到51.9 MPa，满足生产混凝土性能要求，为后期加入纤维素纤维提供较好的基础性能。

表4 不同配合比下混凝土基础性能对比

2.3 纤维素纤维对C40自密实混凝土性能的影响

预制墩柱常规混凝土生产采用C40自密实混凝土，在实验室配合比的基础上又做了大量掺加纤维素纤维的试验进行对比，现选取两组具有代表性的配合比试验情况进行对比。纤维素纤维掺加量为1.2 kg/m3，其它配比如表5所示，实验室试验拌合物工作性能情况如图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、扩展度都满足预制墩柱混凝土的泵送及浇筑要求。由图5可以看出，不加纤维的混凝土工作性能良好，基本满足自密实混凝土的要求，同时掺加纤维素纤维的混凝土拌合物能够均匀铺展开而不离析泌水，匀质性和包裹性良好。

由表6可以看出，掺加纤维的混凝土的强度比未加纤维混凝土有所提高，28 d强度达到51.1 MPa，远高于C40的强度要求，这是因为CTF纤维素纤维的亲水性和空腔结构，可使尚未参与水化反应的水泥颗粒沿CTF纤维素纤维表面完全水化，对混凝土强度增长、提高混凝土密实度大有好处；并且改善混凝土的均质性，使孔隙分布均匀，有效降低空隙率，使水泥浆体和骨料结合更加紧密,从而提高了混凝土的强度和耐久性。

表5 掺加纤维素纤维混凝土配合比对比

(a)未加纤维混凝土

(b)纤维素纤维混凝土

表6 实验室制备的混凝土性能对比

由图6可知，在同样振捣密实的情况下，加纤维素纤维的混凝土整体表观较好，侧面模具面气孔相对较少，有较好的表观质量。由图7可知，纤维素纤维克服了普通纤维在混凝土中易结团。缠绕的缺点，分散均匀，自身不易断裂，起到较好的搭接作用，混凝土中加入纤维材料可控制基体混凝土裂纹的进一步发展，从而提高了抗裂性；CTF纤维素纤维与混凝土浆体的充分结合对纤维混凝土的工作性能上也有很大改善。且纤维素纤维混凝土无需特殊养护工艺，CTF纤维素纤维内含独有空腔具有一定的保水性能，能够在水化初期储存部分自由水，对混凝土起到内养护作用，不仅对混凝土的坍落度影响小，有效降低过早拆模开裂风险，而且在混凝土拆模后表面光整，内部密实，减少了蜂窝孔洞及麻面。

(a)未加纤维混凝土

(b)纤维素纤维混凝土

由图7可以看出，混凝土的纤维大多是在试块被压时的剪切力拉断的，这是因为纤维在纤维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缝的扩展。在受荷(拉、弯)初期，当配料合适并掺有适宜的高效减水剂时，水泥基料与纤维共同承受外力，而前者是外力的主要承受者；当基料发生开裂后，横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者，这也是纤维素纤维提高了混凝土抗裂能力的一个佐证。

(a)混凝土拌合物及

(b)成型混凝土试块中的分散形式

3 生产中试及施工应用

在前期实验室试配试验分析的基础上，我们进行了生产中试，分两批浇筑了四根预制墩柱,合计约80 m3。为了更好的试验纤维素纤维混凝土的性能，考虑到掺加纤维后混凝土的需水量有所提高，且强度有所提高，为取得最好的试验效果和经济性，中试配合比在实验室前期试验的基础上进行了微调，减少了20 kg总胶材用量，降低了砂率，同时把水灰比提高到了0.35，试配合比情况如表7所示。

表7 纤维素纤维配合比对比

图8是生产中试预制立柱时未加纤维混凝土、加纤维混凝土的拌合物情况。结合表8可以知道，虽然加入了纤维素纤维需水量有所提高，但只需提高0.02个点的水灰比后，工作性能就能得到保证，有交好的泵送性能，并且增加了纤维提高了混凝土拌合物自身的包裹性。同时由表8也可以看出，在降低20 kg胶材的前提下，强度基本没有变化，从侧面证明了纤维素纤维对混凝土自身起到一定内养护的作用。

(a)未加纤维混凝土

(b)加纤维素纤维混凝土

种类强度等级坍落度/mm扩展度/mm工作性能抗压强度/MPa7d28d实验室C40245595良好37.948.8中试C40215570良好37.249.6

图9为用纤维素纤维混凝土浇筑成型的装配式桥梁预制墩柱构件脱模后表观(图9正中墩柱)，可以看出与常规立柱混凝土(图9右边墩柱)相比较，减少了表面气孔及微裂纹的现象，且混凝土匀质性的提高也使预制墩柱表面色泽一致，表观效果较好。且后续的实际施工效果也较好，说明此时的混凝土早期及中后期的性能良好，可以用于装配式桥梁预制墩柱的生产。图10为采用的灌浆套筒干接法预制拼装工艺的成都市羊犀立交扩容改造项目装配式桥梁预制异形墩柱吊装现场图，也是纤维素纤维混凝土实验墩柱在西南地区装配式桥梁应用的首例，正是通过生产中试的高标准要求、现场实践应用及中长期的质量追踪保障，以优秀的质量获得了业主和施工方的满意好评。

4 结论

(1)纤维素纤维在混凝土中易于分散，无再团聚、缠绕现象，纤维素纤维混凝土只需普通振捣工艺，可有效降低离析、泌水现象的可能，改善混凝土的抗压强度、抗折强度及弯曲韧性力学性能，保证强度的前提下可以减少胶材用量。

图9 生产中试预制墩柱脱模后表观

图10 预制异形墩柱吊装现场

(2)纤维素纤维对混凝土立柱生产产品的表观质量有一定的改善效果，具体为表面收缩裂缝、温度裂缝、表面蜂窝孔洞、分层和色泽一致性等方面都有一定的改善效果。

(3)C40自密实纤维素纤维混凝土性能最佳配合比如表9所示, 在实际工程施工应用中性能良好，但纤维素纤维对混凝中长期土耐久性方面的作用还需要时间验证。

表9 纤维素纤维混凝土生产配合比