聚丙烯纖維混凝土在石圳大橋橋面鋪裝修復中的綜合運用研究

賴水生

(福建省龍巖市公路局)

1 工程概況及病害情況

石圳大橋位于G205線福建省龍巖市上杭縣舊縣鄉，見圖1，中心樁號為K2457+917，全長217.58 m，與汀江河斜交30°，上部結構為預應力混凝土簡支T梁，橋跨組合為9×20 m，連城側還設有一座通道涵。橋面凈空為行車道9 m+人行道2×1.50 m，橋面縱坡0%，設計荷載為汽-20，掛-100。該橋原設計橋面鋪裝為厚10～17 cm的C30混凝土，橋面鋪裝鋼筋直徑6.5 mm，縱、橫向間距15 cm。

圖1 石圳大橋橋型布置圖

該橋于1997年建成通車，交工驗收時檢查發現橫隔板錯位，橋整體性差，現經過多年的運營，橋面鋪裝T梁鉸縫處出現縱向貫通裂縫、混凝土局部碎裂，T梁鉸縫出現露筋等病害，并經觀察病害有發展。上杭臺背填料不密實下沉導致右側翼墻外突、墻體產生縱向水平貫通裂縫。上述病害的存在導致橋梁整體性比以前更差，重車過橋甚至速度較快的空車過橋時，橋梁就會產生較大撓度，已威脅到橋梁的安全使用。

2 破壞原因分析

2.1 橋面鋪裝病害原因分析

根據該橋病害特征及竣工資料分析，認為產生病害的主要原因是:

(1)施工質量較差，T梁橫隔板錯位，搭接不整齊，T梁間鉸縫鋼筋未按規范要求相互交叉焊接成整體，造成上部結構各T梁間的橫向聯結薄弱，所以T梁鉸縫處的混凝土鋪裝層首先產生了縱向貫通裂縫。

(2)交通量的急劇增加以及超重超限車輛的不斷增多，加劇了裂縫的發展。

(3)臺背填料不密實、下沉，導致橋頭路面開裂。

橋面鋪裝層直接受行車荷載和環境溫度等因素的影響，其質量直接影響橋梁的使用效果。現有的橋面鋪裝層主要采用水泥混凝土和瀝青混凝土結構，普通公路上的橋梁主要采用水泥混凝土結構，但水泥混凝土具有抗拉強度低、抗沖擊與疲勞性能差、易開裂、抗滲性差等缺陷，而且橋面鋪裝厚度不可能太大，所以水泥混凝土橋面鋪裝層在當前重載交通越來越多的交通環境下往往容易出現早期裂縫，這些裂縫加速了鋼筋的腐蝕和混凝土的破壞，對后期的結構受力、抗滲耐久性等產生不良影響，導致其壽命縮短，維修費用增加，甚至威脅到整段公路的安全暢通，所以必須采取有效措施進行整治。

2.2 橋臺側翼墻外鼓、裂縫原因分析

經調查，橋臺側翼墻外鼓、出現縱向水平裂縫的原因主要是施工質量問題，砌體分層砌筑施工中未先灑水濕潤下層砌體、未坐漿、砌筑工藝差、砂漿不飽滿、擋墻后未按規定設置反濾層、墻后未按規范回填等問題，必須拆除重砌。

3 維修加固技術研究

3.1 橋面鋪裝裂縫處理技術

為確保橋梁的運營安全，提高該橋的承載能力，采用人工鑿除原橋面鋪裝混凝土，用C40聚丙烯纖維混凝土對橋面鋪裝層進行補強加固，具體方案及施工控制要點如下:

(1)T梁頂板植埋錨固鋼筋

澆筑新橋面鋪裝層混凝土前，梁頂表面應鑿毛成凹凸不小于4～6 mm的粗糙面，無表面浮漿，骨料清晰外露，并采用高壓水充分沖洗，去除雜物，使其表面清潔、濕潤后，才能澆筑橋面鋪裝混凝土。為使新鋪橋面鋪裝混凝土與T梁整體受力，在T梁頂板植埋錨固鋼筋。錨固鋼筋采用直徑12 mm的HRB335鋼筋，用環氧樹脂砂漿或錨固劑將錨筋錨入T梁內6 cm，以鉸縫為中線對稱設置，縱向間距20 cm，橫向間距15 cm，在鉸縫兩側加密設置，在T梁中間設置一排錨筋，縱向間距50 cm，錨孔的位置應根據具體情況作相應調整，應盡可能不損傷T梁，錨孔應清理干凈，確保錨筋牢固錨入T梁，并與橋面鋪裝的鋼筋網筋相焊接以保證新鋪橋面鋪裝混凝土與T梁整體受力。

(2)T梁間設置鋼筋加強聯結

增設鉸縫橫向聯結鋼筋，采用直徑16 mm的HRB335鋼筋，長70 cm，間距20 cm，以加強鉸縫橫向傳力，增強上部承重構件的橫向聯系，同時起到了增強橋面鋪裝層與T梁間新舊混凝土粘結性的作用，使汽車荷載能均勻地從橋面鋪裝層傳遞到T梁。

(3)鋼筋網補強加固

為加強橋梁的橫向聯結，提高橋梁的整體承載力，橋面鋪裝鋼筋采用單層鋼筋網，鋼筋采用直徑為12 mm的HRB335鋼筋，縱、橫向鋼筋間距10 cm。

(4)原鋪裝層全部人工鑿除重鋪C40聚丙烯纖維混凝土，更新置換伸縮縫

鑿除作業不得使用大型機械，且不得集中作業，以免產生過大的沖擊和震動破壞橋梁，造成安全問題。在橋面鋪裝鋪筑前應將橋面清洗干凈。橋面鋪裝采用厚12～17 cm C40聚丙烯纖維混凝土，同時摻加早強劑。

伸縮縫采用GQF-MZL型伸縮縫，全橋在0#臺、4#墩、9#臺處共設3條伸縮縫，其它墩頂處設橋面連續。橋梁伸縮縫裝置采用異型鋼材設計的橋梁伸縮縫裝置，該伸縮裝置的承重結構和位移控制系統分開，能適應大位移量伸縮。

3.2 聚丙烯纖維混凝土維修加固技術及施工工藝

由于聚丙烯纖維混凝土具有輕質、抗拉強度高、抗沖擊和抗裂性能好、化學穩定性好等優點，使混凝土的能量吸收能力和延性提高，抗彎強度和疲勞極限也有所提高，從而增加結構的抗震能力，基于以上的優點，該項目中采用C40聚丙烯纖維混凝土(PFRC)進行橋面鋪裝的重鋪。聚丙烯纖維分為單絲纖維和網狀纖維，單絲聚丙烯纖維一般使用于細石混凝土，該項目采用纖維長度為19 mm的聚丙烯網狀纖維。

原材料方面，該項目采用廣東塔牌集團股份有限公司生產的P.O 52.5R塔牌水泥;細集料采用中粗砂，細度模數2.98;粗集料分兩檔，粒徑范圍分別為4.75～19 mm、19～26.5 mm，壓碎值8.3%，針片狀4.7%;外加劑采用CNF-3引氣緩凝高效減水劑，摻量1%;外摻料采用聚丙烯網狀纖維，摻量1 kg/m3。混凝土水灰比采用0.36，單位用灰量412 kg/m3，坍落度35～50 mm，設計配合比見表1。

表1 石圳大橋聚丙烯纖維混凝土設計配合比

在施工配合比設計時對相同材料、同時制作且制作成型和養護條件完全相同、的摻加聚丙烯纖維和未摻的4組混凝土試件分別進行了抗壓強度和抗折強度的試驗比對，試驗結果表明，摻加聚丙烯纖維的抗壓強度可提高約11%，抗折強度可提高約7%，見表2。

表2 石圳大橋聚丙烯纖維混凝土抗壓、抗折強度對比試驗結果

聚丙烯纖維混凝土施工工藝要求及注意事項如下:

①保證纖維材料充分均勻分散。

②粗細集料的粒徑應在規范允許范圍內。

③按照配合比用量各種材料應正確計量

④先下砂和碎石再加入聚丙烯纖維，然后加入水泥，最后加水在強制式攪拌機均勻拌和，攪拌時間長短以纖維能在砂漿中的均勻分布為度。

⑤采用高頻振搗器，避免欠振與過振，要保證聚丙烯纖維混凝土較好的密實性。

⑥抹面時不要使用過粗糙的工具，以免帶出纖維，抹面次數也不宜過多，以免影響纖維網對抑制塑性裂縫的作用。

⑦及時養護工作，保證聚丙烯纖維混凝土早期強度的增長。

3.3 橋臺側翼墻外鼓、裂縫維修加固措施

拆除損壞的橋欄桿和上杭臺右側翼墻，采用7.5#漿砌片石進行修復。對上杭臺橋頭下沉路段，采取路面挖除后換填1 m深的砂礫，路面結構為25 cm厚的水泥混凝土面層+15 cm厚5%水泥穩定碎石基層，面層設單層鋼筋網補強，鋼筋為直徑12 mm的HRB335鋼筋，縱向鋼筋間距10 cm，橫向鋼筋間距20 cm，橫向鋼筋位于縱向鋼筋之下。

4 工程效果評價及技術總結

4.1 工程效果評價

(1)短鋼筋錨固力檢測

錨固鋼筋控制拉拔應力為8 MPa，24 h后共抽檢30根，經檢測其拉拔力均大于10 MPa，滿足設計要求。

(2)聚丙烯纖維混凝土強度檢測

現場抽取聚丙烯纖維混凝土抗壓試塊4組，抗折試件4組，分別檢測7 d、28 d強度，檢測結果表明，抗壓強度和抗折強度均滿足設計要求，見表3。

表3 石圳大橋聚丙烯纖維混凝土強度檢測結果

(3)經檢測，聚丙烯纖維混凝土橋面鋪裝施工質量符合規范要求，且通車運營至今，未發現有裂縫及其他任何病害，證明修治結果是確實可行而有效的。

(4)經維修加固橋臺側翼墻外鼓、裂縫等病害已消除。

4.2 技術總結

聚丙烯纖維混凝土(PFRC)具有質量輕、抗拉強度高、抗沖擊和抗裂性能好、化學穩定性好等優點，此外，由于聚丙烯纖維可代替部分鋼筋而降低混凝土的自重，提高了混凝土的能量吸收能力和延性，增加了結構的抗震能力，特別適合橋面鋪裝的受力特性。同時聚丙烯纖維與鋼纖維相比具有摻配簡單、施工方便、價格相對低廉的優點，因此，適用性更廣，值得在橋梁的維修加固特別是橋面鋪裝中廣泛應用。

對比試驗結果表明，聚丙烯纖維混凝土雖可提高混凝土的抗彎拉和抗壓強度等，但提升比率不大，這是由于聚丙烯纖維不含極性基團也沒有化學活性基團，與混凝土中的水泥相溶性差，水泥不易附在纖維表面，減弱了聚丙烯纖維的增強作用，所以應加強聚丙烯纖維的表面極性的研究，改善纖維與水泥的粘結力，進一步提高了聚丙烯纖維混凝土的抗折性能和抗壓性能。