摘 要：通过聚丙烯纤维材料的应用，控制桥面铺装混凝土裂缝的发生，避免铺装层混凝土早期破坏，提高铺装层的防水抗渗性能，延长其使用寿命。
关键词：聚丙烯纤维,桥面铺装混凝土,裂缝防治,阻裂
一、概述
水泥混凝土具有“抗压不抗拉”的弱点，尤其在凝固期间由于体积变化或其他原因容易出现早期、后期裂纹，严重者形成裂缝，这些裂缝严重地影响了混凝土结构的性能和使用寿命，在面积与厚度比较大的结构中这种情况更为突出。人们为了克服这种不利现象，采用了很多方法。“纤维混凝土”以其效果好、施工方便被越来越广泛地采用，2010年被国家住建部列入“建筑业十项新技术”名录中。
我公司参与施工的建鸡高速公路A14标段K129+175锅盔河大桥地处黑龙江省密山市郊外，属高寒地区，其桥面铺装混凝土即采用了这种新技术。
该桥桥面铺装面积约4000平方米、铺装厚度10cm，设计采用了C50F350S86高强抗冻抗渗混凝土，并且加入“聚丙烯纤维”组成“纤维混凝土”。
二、问题提出
桥面铺装混凝土本身就具有断面尺寸薄，外露面积大，早期强度高，稳定性差、开裂风险高而且结构防水、防渗的要求高等特点，且在车辆等活荷载反复作用下，桥面铺装层极易产生破坏。混凝土开裂后，直接导致铺装层防水功能失效结构使用寿命降低。
混凝土桥面铺装结构的早期开裂主要由体积变形引起，当体积变形引发的约束应力超过其极限应力时，混凝土便产生开裂形成裂纹，这些裂纹成为薄弱点，严重者将构成结构性裂纹。基于导致体积变形的不同作用机理，早龄期混凝土的收缩变形主要包括以下四类：
(1)温度变化引起的温度变形;
(2)湿度变化引起的湿度变形;
(3)化学作用(主要指水泥水化过程)引起的体积减缩，俗称化学收缩;
(4)混凝土塑性阶段由于沉降作用引起的体积减缩。
早龄期混凝土由于湿度降低引起的收缩变形主要与毛细作用有关，当水泥石内部毛细孔中的水分由于水化作用或蒸发作用减少后，毛细孔产生的弯月面会引发对毛细孔壁的负压，因此引起混凝土宏观体积的收缩。相关研究表明，在混凝土中加入一定量的减缩剂，可使减缩剂在毛细孔形成的凹液面上富集，降低孔溶液的气-液界面张力，从而减小毛细孔中的附加应力，减小混凝土收缩。综上所述，利用复合纤维的保湿、限缩作用和通过添加化学外加剂减小毛细孔内的气-液界面张力，是减小混凝土湿度收缩的两种有效途径。
同时，控制混凝土的流动性能、入模温度，加强混凝土早期的湿度养护，采取有效措施控制混凝土基体在水化放热和环境温度综合作用下的温度变化幅度等，也是避免混凝土早期开裂的必要举措。
三、“聚丙烯纤维”作用机理
“聚丙烯纤维”又称“杜拉纤维”，用于混凝土结构中主要是起到增强、防裂的作用。引入我国后在多个混凝土工程中应用，取得了较好的效果，收到建筑工程界设计、施工等方面的关注，国家住建部于2010年将其作为建筑业十项新技术推广使用。
“聚丙烯纤维”主要技术指标有单丝抗拉强度、断裂延伸率、抗老化能力、掺加量等。其特点是纤维经过表面特殊处理，使其能均匀地分散在混凝土中，从而有效地发挥作用。掺入混凝土当中可以改善混凝土的抗拉性能差、阻裂性能差等缺点。适量均匀分布的微细纤维握裹水泥集料，极大地保持了混凝土的整体强度，混凝土在受力时，纤维吸收了大量的能量，有效地减少了集中应力的作用，抑制了混凝土早期塑性收缩和离析裂缝等微细裂纹的产生和继续发展，增强了混凝土的抗冲击、抗震动能力，提高了混凝土抗疲劳寿命。同时有于其抑制了温度裂纹的产生，还有助于改善混凝土的泌水性、提高早期养护效果。
一定掺量的复合纤维(如聚丙烯纤维等)可在混凝土中起到较好的保湿、限缩作用。利用复合纤维的保湿、限缩作用和通过添加化学外加剂减小毛细孔内的气-液界面张力，是减小混凝土湿度收缩的两种有效途径，对降低混凝土初期的塑性开裂效果显著。
四、课题研究
在施工现场，我项目部聘请了有关专家对桥面铺装 “纤维混凝土”在C50强度等级的普通硅酸盐水泥混凝土中掺加不同掺量、不同长度、不同直径聚丙烯纤维的混凝土开裂性能，根据试验结果和分析可对聚丙烯纤维的掺量、长度和直径进行实验优选。
根据《混凝土结构耐久性设计与施工指南》(CCES 01-2004,2005年修订版，中国土木工程学会标准，陈肇元等编著)，混凝土的塑性开裂试验采用平板试件，用裂缝的开裂面积作为主要评定指标的实验结果表明，在普通与高强混凝土中掺加一定量的聚丙烯纤维可明显改善其塑性开裂性能，裂缝开裂面积可降低30%到50%，最多可达60%到70%以上。其中不同规格的纤维对不同等级的混凝土的限裂效果不同，纤维直径(D)、长度(L)、掺量(S)三个因素对C50混凝土的影响比较显著。有试验结果表明：聚丙烯纤维各参数中，直径、长度和掺量的交互作用对C50强度等级的混凝土塑性开裂的影响很小;长度和掺量的交互作用的影响较大，但不显著。在C50混凝土中，各因素影响显著性从大到小的基本规律为：掺量>长度>直径，其中掺量的影响较为显著。
我们为了确定聚丙烯纤维在各强度等级混凝土中的作用效果，对掺量0.6 kg/m3和0.8kg/m3等掺量情况下的纤维混凝土塑性开裂结果做了对比试验。试验以素混凝土塑性开裂面积作为对照，考察纤维混凝土的阻裂效果。在显著性水平0.05下：纤维掺量0.6 kg/m3时，在C50混凝土中裂缝降低系数分别为23%;纤维掺量0.8 kg/m3时在C50混凝土中的裂缝降低系数分别为54%。掺量0.8 kg/m3的阻裂效果明显好于掺量0.6 kg/m3时的阻裂效果。
根据试验得出的纤维各参数对混凝土塑性开裂的影响程度和作用效果的可靠性，我们在实际工程中选用纤维时按下列顺序确定纤维参数：掺量>长度>直径。在C50混凝土中优先选用掺量0.8 kg/m3的长于临界长度的聚丙烯纤维，可使混凝土塑性开裂性能得到稳定、明显的改善。
锅盔河大桥工程项目中采用的混凝土强度等级为C50，根据以上试验结果，拟采用掺量0.8 kg/m3，长16 mm，纤维直径45 μm的聚丙烯纤维，以求最大程度地控制其塑性开裂性。
五、施工控制
1、配合比设计：混凝土设计强度等级C50，要求为抗冻防渗混凝土，抗冻等级为F350级、抗渗S8，含气量为5.5%，气泡间距系数为≤0.33mm，我单位采用混凝土拌合站强制搅拌、砼罐车运输。水泥用量不低于480kg/m3，水灰比0.44左右，要求混凝土落度为90-110mm。
2、原料选择：
(1)水泥的技术指标要求：因桥面纤维混凝土铺装特殊的工作条件、厚度小，故桥面铺装混凝土应尽可能采用强度高、干缩性小、抗磨性及抗冻性好的水泥。 施工现场选用牡丹江P.0 42.5水泥：1)氧化镁含量：≤5% ，2)三氧化硫含量：≤3.5%。3)细度指标：80μm方孔筛余>10% 。4)初凝时间不得早于45min。5)终凝时间不得迟于10h。所检项目均符合GB175-2007 P.O 42.5要求。
(2)集料：粗骨料(粒径大于7mm)，宜采用石质坚硬、清洁、不含风化颗粒、表面粗糙，近立方体颗粒的碎石，最大粒径不宜大于20mm和钢纤维长度的2/3.(钢纤维长度一般为3-4cm)，含泥量不大于1%，细长、扁平颗粒及风化石、针片状含量不大于10%，不宜采用石灰岩碎石，必要时应将含有土颗粒的碎石用水冲洗。
细集料(粒径小于5mm)宜采用天然中粗砂或机制砂，沙粒必须坚硬、洁净、干燥、无杂质、颗粒均匀，细度模数为2.0-3.0，含泥量不大于3%，含泥量超过标准的砂必须过筛。细集料的洁净程度，天然砂以不小于0.075mm含量的百分比表示，机制砂以砂当量或亚甲蓝值表示，其质量必须满足规范要求。
施工现场碎石使用鸡东永安采石站的9.5-19mm、4.75-16mm的碎石，压碎值不大于10%，9.5-19mm碎石和4.75-16mm碎石的掺配比例为2:8，各项检测指标符合设计和JTJ 041-2000规范要求。中砂来源于新河砂场，细度模数为2.74，符合Ⅱ区要求，为中砂，各项检测指标应符合设计和JTJ 041-2000规范要求。
(3)拌合用水：自来水或无污染的天然水。
(4)外加剂：UNF-5型高效减水剂，掺量为水泥用量的1.0%，此外加剂引气量为5.5%，减水率为23%，抗渗能力P≥20.经外委检验，UNF-5型高效减水剂符合国家标准。
(5)聚丙烯纤维：设计掺量0.8kg/m3 ;长16 mm，纤维直径45 μm。
3、施工过程控制
(1)确定施工要领：为保证质量且便于施工中混凝土运输及浇筑，确定分幅进行、以角钢或钢管作为振捣横梁前进轨道，控制桥面铺装标高，力争保证桥面铺装设计厚度、保护层厚度、上表面平整度。尤其要注意东北地区气候的特殊性，干燥、多风，由于桥面铺装设计厚度只有10cm，在干燥环境下，风吹使混凝土表面快速失水极易形成干缩性裂纹，控制好裂缝是桥面铺装的关键。
(2)具体施工工艺：1)桥面基层处理：桥面铺装施工前应对桥面进行全面测量，以确保铺装层的设计厚度和顶面高程。然后对梁顶面进行全面凿除浮渣、浮浆，清除其它杂物，并用高压水枪冲洗干净，保证桥面铺装与底层紧密结合。精确放样与高程控制：对所使用的高程控制点与附近的高程点进行联测，以保证桥面标高的准确性。为了施工方便，用四等水准测量在桥面引出4个高程控制点。用全站仪每30米定一个里程控制点。曲线每10米定一个里程控制点。以安放的振捣横梁轨道(角钢或钢管)的顶面进行高程控制。2)铺装前桥面润湿：针对东北气候的特点，我们经过多次实践，发现铺装前的湿润是在干燥，多风地带进行桥面铺装施工的关键工艺，实践中总结铺装前三天就对要施工的梁顶面进行湿润，在三天时间内始终保持梁顶面湿润，这样可使梁顶面充分湿润，并储存一定的富余水份，经实践证明这对进行铺装后的桥面防止裂缝产生具有特别好的效果。混凝土施工：混凝土所用原料应经过严格检验，配合比设计应准确，坍落度控制在9mm～11mm。3)混凝土的拌合：拌合是保证纤维在混凝土基体中均匀分布的重要环节，混凝土搅拌均采用电子计量系统的强制式拌合站拌和，以保证投料准确和混凝土混合料的拌合质量。采用“先干后湿”工艺，投料顺序：砂-纤维-碎石-水泥-水，首先干拌1min加水后再拌合2min，总拌合时间不得少于3min，且不要过长，过长的搅拌时间对纤维混凝土的均匀性并无显著作用，反而会造成纤维结团。
混凝土的运输采用混凝土搅拌车运输，避免运输过程中混凝土发生离析现象。同时应注意混凝土的配制和运送速度应与浇筑速度相适应，避免混凝土混合料停滞时间过长而造成混凝土浇筑困难。4)混凝土的摊铺与成型：混凝土的浇筑是整个桥面铺装施工最重要的环节，其工艺流程为：混凝土人工摊铺——平板振捣器振实——振捣横梁二次振捣整平——真空吸水——抹光机粗平——方钢管刮尺刮平——直尺检查、人工精平——养生。5)施工要求：浇筑前，桥面应充分湿润，并以不积水为度。混凝土混合料摊铺要均匀，布料高度略高于桥面标高2cm左右，以备整平和收浆。人工粗平后，用振动梁横向平行振捣密实。用人工一边整平，一边用75mm直径的滚筒滚压数遍进行提浆滚平。进行真空吸水，吸水时间视气温而定，一般为10min左右，然后进行提浆及粗平，此时可起到表层致密作用。采用长为6m，断面为100mm×60mm的铝合金直尺纵横反复检测，使平整度符合要求为止。由熟练工人用木抹抹面2遍，收浆再用铁抹精平。在人工精平的同时仍应再用直尺检查平整度。采用无纺土工布养生对桥面无污染，且有保水性能好，节水，施工方便，周转次数多，成本较低等优点。桥面铺装施工尽可能连续作业，在施工过程中如突遇下雨，应采取遮雨篷、塑料布遮盖等措施。
夏季炎热天气施工应避免在11点至15点时间内的日高温时段施工，因为在高温条件下施工平整度和裂缝的控制是非常困难的。
由于本桥面铺装层面积较大，采用分幅施工，后施工的一幅会受到先施工的一幅的污染，因此要派专人在铺装施工前使用钢丝刷、高压水清除另半幅桥面污染的砼及水泥浆，以保证桥面的整洁。
六、施工要点
1、拌合过程：聚丙烯纤维能否在混凝土中均匀地乱向分布，是关系到纤维能否起到“阻裂”作用的关键。纤维能够在混凝土基体中均匀地乱向分布才能够起到应有的作用。微裂缝在发展过程中遭遇到纤维的阻挡，残余的能量不足以应付其继续发展的需要，从而阻断了应力达到抗裂的要求。要使纤维达到“均匀乱向分布”的要求，搅拌过程就必须严格控制，对使用的拌合设备和搅拌时间予以规定。
施工配合比应由工地实验室根据骨料含水量变化的具体情况进行及时调整，不应采用一个配合比一用到底。
施工现场可凭据经验，比较相同配合比、不含纤维混凝土的塌落度来判断所用聚丙烯纤维的质量。如果加入纤维后的混凝土塌落度没有损失，那么所用的纤维不是分散不好就是握裹力不良，可能造成纤维的阻裂作用不良，应重新选用。
另外，不要为了防止出现搅拌不均出现难以打散的絮状结团而随意增减纤维用量，这是从功能实现和混凝土制备两个方面都是不允许的。
2、纤维质量：质量差的纤维不但不会对混凝土产生增强、增韧的作用，反而会有负面的影响。由于工程所用的纤维生产属于化工行业，使用者属于工程建设界，使用者对化纤不能从直观上判断优劣，能够直接目视所关心的是其分散性，就是说纤维的抗拉强度、伸展极限、握裹力等内在质量是无法从直观上判断的。所以选择一个信誉良好的供方、加强材料的复试检测，以求得质量良好的纤维材料尤为重要。
施工现场目视，质量不良的“聚丙烯纤维”经搅拌后可能分散，但是隔不久就会重新上浮在混凝土表面呈絮状层，这说明这种纤维的表面分散性不良，应予以更换。
不可认为质量不良的纤维可以通过增加掺量来弥补效用。过量的、不合理掺加反而会因为结块、结团而造成混凝土结构上产生蜂窝、空洞甚者更为严重的问题。说到掺量，目前国家尚未出台实用技术规范，工程应用还是处于探索阶段，到底用多大的掺量最为适宜、有多大的差异理论根据不足。我们认为：按照工程项目具体情况进行试配，将适配结果进行比较，在0.6~1.2kg/m3范围做几个掺量的配比，这样选出的配比比较贴合实际。
3、结构养生：聚丙烯纤维在混凝土中能够起到“阻裂”的作用，但说到底还是一种辅助的作用。它只能对“非结构性微裂纹”起到阻裂作用，不可能完全消灭裂缝，尤其是养护不当引起的裂缝和结构裂纹，这种方法是无能为力的，绝不可认为添加了纤维就可以忽视正常的养护条件。施工中应该与普通混凝土一样进行及时的养生。当混凝土铺装层二次抹面完成1.5~2.0小时后，表面用手指轻压不出痕迹、具有了一定的硬度可以覆盖养生，覆盖材料按照施工条件可以使用草袋、麻袋、塑料布等。本工程我们采用的是“土工布”覆盖洒水保湿养生。养生应视天气温度情况每天洒水数次，保持潮湿状态，养生期不少于7天。
七、结论
根据我公司在锅盔河大桥桥面铺装层，“聚丙烯纤维混凝土”施工，我们归纳为：“选好原料，合理掺量、重在搅拌、规范养护”的经验，有效地防止了早期和后期裂缝的产生。
1、在混凝土中掺加掺量0.8 kg/m3、长16 mm、纤维直径45 μm的聚丙烯纤维， 以增强其塑性开裂性能，降低塑性开裂风险;
2、控制混凝土的流动性能，提高混凝土的浇筑品质;
3、控制混凝土的入模温度;采取有效措施控制混凝土基体在水化放热和环境温度综合作用下的温度变化幅度;切实做好混凝土早期的保湿、防风、防晒等养护措施。
4、不可认为使用了“纤维混凝土”这种新技术就一劳永逸，忽略了其他的施工环节。桥面铺装混凝土表面极容易发生不规则的微裂缝，这主要是混凝土内部变形受到阻碍而产生的自应力超过混凝土容许应力，引起混凝土开裂的变形裂缝。通过施工实践，铺装层在铺装前对梁体的充分润湿、浇筑完成进行真空吸水及抹光机抹面三道工序对控制和消除变形裂缝会起到很好的效果。
5、施工时在干燥、多风的气候条件下，使用“聚丙烯纤维混凝土”并结合其他措施进行的桥面铺装，混凝土的质量不论是从内在密实度，还是从外观平整度及裂缝现象都收到很好的效果，使桥面铺装混凝土整体质量有了很大的提高。
参考文献：
[1] 交通部公路科学研究院：《公路工程水泥混凝土外加剂与掺合料应用技术指南》
[2] 陈肇元：《混凝土结构耐久性设计与施工指南》(CCES 01-2004,2005年修订版，中国土木工程学会标准)
本文选自国家级期刊《科学决策》。《科学决策》杂志由中国航天科技集团公司主管，中国社会经济系统分析研究会、航天工业总公司710所、国际信息研主办的国家级综合性理论月刊。被国家信息中心与航天部评定为科学教育类核心期刊，国内外公开发行。国际标准刊号：ISSN1006-4885国内统一刊号：CN11-3472/G3，邮发代号82-941。
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