橋梁伸縮縫混凝土外摻劑使用及施工要點探討

梁志成

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

橋梁伸縮縫作為橋面系中唯一直接暴露在車輪碾壓下的結構體，其耐用性、穩定性、安全性越來越得到設計和施工單位的重視。伸縮縫的混凝土體系作為連接縫體和梁板（墩臺），使梁體與伸縮縫平穩過渡的連接部分，保證行車通過性和舒適性的主要結構體，其施工質量的優劣直接影響了伸縮縫的使用性能。伸縮縫混凝土體系受力復雜所處工作環境惡劣，導致出現損壞的原因很多。下面對伸縮縫用混凝土各種外摻劑的特性和施工要點進行分析和探討。

1 鋼纖維混凝土的重要性和施工要點

鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入適量鋼纖維配制而成的一種復合材料。鋼纖維的引入能夠大幅提高混凝土結構的抗折強度、抗裂性能，使脆性的混凝土具有一定的柔韌性。另外鋼纖維混凝土具有較好的能量吸收和良好的抗沖擊能力，使結構的抗震性能提高。所以目前橋梁伸縮縫安裝大多采用鋼纖維混凝土。

通常在實際施工中，往往使用普通的C50配合比配制混凝土，再加入鋼纖維。這種認為只需在C50混凝土中加入鋼纖維的辦法就是鋼纖維混凝土的看法是一種誤區。因為鋼纖維的摻入會改變混凝土的級配比例，同時對混凝土的流動性有較大的減低效果。而且為了保證鋼纖維在混凝土中能被足夠的砂漿包裹，所以混凝土的砂率也較一般的混凝土要高。因此鋼纖維混凝土應是將鋼纖維也作為集料的一種進行專業化的配合比設計。

鋼纖維的長徑比和體積率是對新拌鋼纖維混凝土的和易性和硬化后的力學性能產生影響的最主要因素。通常認為，鋼纖維的增強機理是在混凝土中均勻分布的鋼纖維形成互相交織的網絡，對混凝土中的骨料產生約束作用。鋼纖維的摻入能有效降低混凝土內部缺陷處的應力集中系數，提高混凝土的極限拉伸應變和韌性。根據實驗表明，當骨料的粒徑為鋼纖維的長度的1/3～1/2時，鋼纖維的增強效果最好。從作用機理上來看，長于骨料粒徑的鋼纖維才能更好地鏈接各個骨料，這一點與實驗結果正好吻合。但是過長的鋼纖維容易結團，難以攪拌均勻，反而降低混凝土的性能。所以多采用降低骨料粒徑的方法來保證合理的鋼纖維長度與骨料粒徑的比例。

長徑比是選取鋼纖維的主要決定因素。因為較低的長徑比會產生較強的邊壁效應（是指由于受骨料粗糙邊壁的影響，纖維往往會沿骨料邊壁平行的方向取向），鋼纖維沿骨料界面分布起不到阻裂的作用。而太過纖細的鋼纖維又缺乏足夠的強度，所以通常取鋼纖維直徑1～2 mm，長徑比40～60。

鋼纖維的添加量也至關重要（我們常用體積率來表現添加量的大小）。按照不同的體積率配制鋼纖維混凝土，我們觀察混凝土力學性能的變化。在圖1中，隨著鋼纖維體積率的增加，7 d抗壓強度較快增長，但是當鋼纖維體積率超過1%后，抗壓強度的增加則顯著變緩。在圖2中，抗折強度在添加量較小時幾乎沒有變化，而到0.6%時開始快速增長，超過1.0%后抗折強度增長變緩，但是還繼續增加。可以看到在體積率比較小的情況下，鋼纖維混凝土與普通混凝土在力學性能上差別微小，這一點也符合上文所述的鋼纖維作用機理。在體積率超過1%之后，強度的增量則明顯減小。而過大的摻入量，甚至會使抗壓強度下降。所以在實際工程中取值1.0%是比較合理的。通常在設計中每立方添加70～80 kg恰符合上述的取值范圍。

圖1 7 d抗壓強度和鋼纖維體積率關系圖

圖2 7 d抗折強度和鋼纖維體積率關系圖

在實際施工中，我們還要注意以下幾點：

a）為避免纖維產生結團現象，不宜將水泥與鋼纖維直接混合，應采取“集料+鋼纖維+集料+水泥”的投料方法。

b）必須采用強制式攪拌機。鋼纖維混合料采用“先干后濕”的攪拌方法，干料攪拌時間大于等于120 s，然后加水濕拌時間大于等于60 s。

c）為保證鋼纖維的長度要2～3倍于骨料的粒徑，我們通常選用20 mm以下粒徑的骨料。砂率要較普通混凝土略高，從施工的考慮控制砂率在60%較合適。

2 粉煤灰的優、缺點

伸縮縫用混凝土是否應使用粉煤灰具有非常大的爭議。

首先因為粉煤灰減慢了新拌混凝土的水化反應速度，故摻加粉煤灰后混凝土的早期強度低于普通混凝土，且粉煤灰摻量越高早期強度越低。在伸縮縫施工中，澆筑后的混凝土為保證盡早開放交通，所以需要較高的初期強度，且為了避免終凝時間過長，一般只添加很少的粉煤灰或者不添加。

一些試驗結果認為粉煤灰會造成早期干縮開裂，降低抗碳化性，甚至對強度有影響。但是有些研究結果卻與此截然相反。這一現象的主要原因是不同品質的粉煤灰其化學成分存在較大的差異。同時由于其和水泥適配性的差別，形成了不同的試驗結果。例如，若粉煤灰的玻璃項中的CaO含量高而Fe2O3含量低，則會導致混凝土產生膨脹性破壞。某些摻入高鈣粉煤灰的混凝土內會形成大量的鈣礬石，也導致混凝土的破壞。而通過對摻入高品質粉煤灰混凝土的研究結果表明，適量地使用粉煤灰不僅不會造成早期開裂，同時還可以極大地改善混凝土的性能。

a）粉煤灰填充骨料顆粒的空隙并包裹它們形成潤滑層，同時能和氫氧化鈣發生火山灰反應，對改善混凝土的各項性能有顯著作用。

b）可以改善混凝土拌合料的流動性、黏聚性和保水性，使混凝土拌合料易于泵送、澆筑成型，并可減少坍落度的經時損失。

c）由于其低活性形成的二次水化作用，進一步提高混凝土的密實度，界面結構得到改善。同時提高混凝土的抗滲性和抗硫酸鹽腐蝕性和抗鎂鹽腐蝕性等。由于粉煤灰比表面積巨大，粉煤灰顆粒可以吸附水泥中的堿，并與堿發生反應而消耗其數量，可以抑制或減少堿集料反應。

d）粉煤灰可以降低混凝土的徐變，粉煤灰的減水效應也使得粉煤灰混凝土的干縮較普通混凝土略低。

e）在與其他外加劑互相作用下還可以產生優勢擴大的效果，如和引氣劑配合使用能顯著提高混凝土的抗凍能力。

因我國燃煤電廠眾多，煤種來源也不同，排出的粉煤灰品質也差別巨大。質量差異較大的粉煤灰用于混凝土結構中使構件外觀出現了明顯的色差和性質的不穩定。所以在實際施工中確實會產生一定的質量隱患，這也是粉煤灰爭議的主要原因。

3 外加劑的使用和配合比設計

外加劑的使用要高度重視水泥與外加劑的適應性，二者間的相容性絕不容忽視。

混凝土中參與水化反應的水只占很少一部分，大部分以游離水的形式存在。游離水會產生大且不封閉的孔隙降低混凝土的密實度，所以控制用水量是保證混凝土質量的重要手段。減水劑能顯著減少混凝土的拌合用水量，可以增加流動性、改善混凝土拌合物的泌水、離析現象延緩混凝土的凝結時間，減慢水泥水化放熱速度、提高混凝土強度。同時有研究認為，減水劑對于混凝土的防止早期開裂也有一定的效果。在坍落度控制在11～18 cm之間，加入高效減水劑的情況下，可以明顯減少混凝土的干燥收縮，增強混凝土的抗裂性能。在實際施工過程中，在坍落度的損失比較大的時候，我們還可以使用后摻法，在澆筑前摻入少量減水劑來提高施工過程的坍落度。

炎熱或需要長距離運輸混凝土的情況下，我們還可以在新拌混凝土中加入緩凝劑。但通常這種外加劑不應用在伸縮縫施工中。因為澆筑完成后，要經行“抹面”作業，如果混凝土終凝時間過長，會極大地增加混凝土表面早期開裂的風險。

引氣劑能在混凝土拌合過程中引入大量分布均勻的微小氣泡，以減少混凝土拌合物的泌水、離析，改善和易性，增加坍落度。長久以來認為引氣劑會降低混凝土強度，這種觀點是不全面的。大量的試驗和理論研究表明，正確使用引氣劑對混凝土強度沒有明顯的影響。使用性能優異的引氣劑，一般可以減少混凝土用水量的7%～8%，從而可補償因孔隙率增加而引起的強度下降。在引氣劑和粉煤灰配合使用的情況下，還可以顯著提高混凝土的抗滲性。由于伸縮縫混凝土直接暴露在外，抗滲能力對于伸縮縫混凝土的耐久性有重大的影響，同時引氣劑還可以顯著提高混凝土的抗凍融能力。所以在伸縮縫混凝土中添加引氣劑是十分必要的，這一點應引起設計和施工單位的重視[1]。

混凝土的早期裂縫主要為收縮型裂縫，包括塑性收縮裂縫、溫度收縮裂縫、干燥收縮裂縫、碳化收縮裂縫和自身收縮裂縫等。為避免這類裂縫的產生，除了要加強早期養護外，還應采取限制和補償收縮的措施。在混凝土中加入膨脹劑可以起到減少和補償收縮的作用，特別是對于有較高抗裂要求的伸縮縫混凝土有良好的使用效果。由于伸縮縫混凝土多為鋼纖維混凝土，為了保證對鋼纖維的包裹，這就需要較大的膠凝材料的用量，而膠凝材料的增加也會加大混凝土的收縮，所以在伸縮縫混凝土中使用膨脹劑則更為必要。同時因鋼纖維約束作用，二者互相配合，可以很好地控制干縮值，完全可以滿足實際工程的需要[2]。

在各種外加劑共同作用下，可以使混凝土的工作性能有不同程度的改變。所以在不同施工環境中，甚至在同一工地的不同施工部位中，對外加劑的使用都要區別和謹慎對待。

根據以上論述對配合比的設計提供以下參考：水泥強度等級52.5 MPa，水泥用量400～450 kg/m3，鋼纖維摻量0.9%～1.1%，砂率0.5～0.6，粗集料為5～20 mm連續級配碎石，使用高效引氣性減水劑、膨脹劑、高品質粉煤灰，坍落度12～15 cm。

4 澆筑和養護

在澆筑前應灑水潤濕預留槽，但是要注意不能使預留槽內有積水。積水在受混凝土擠壓的情況下，在上升過程中會形成一些薄弱環節，可能是一些早期裂縫的產生原因，這一點在施工過程中往往得不到重視。

振搗是混凝土澆筑過程的最后一步，振搗效果直接影響混凝土最終的工作性能。振搗務必要細致，要注意下振動棒的間距，不能發生漏振，特別是位移箱處要格外注意。在振動過程中務必保證水泥漿已泛上表面，拌合物中的氣泡不再冒出來。對于預留槽深度超過50 cm的情況，最好分層振搗，以保證密實度。

在實際施工作業過程中，對伸縮縫混凝土進行常規養護是非常麻煩的，同時養護效果也并不理想。但由于伸縮縫混凝土對養護的要求又非常高，養護不到位不僅產生很多收縮裂縫，嚴重的甚至造成早期破壞。所以伸縮縫過渡區混凝土的養護方法通常采用在表面覆蓋塑料薄膜的方法，這種方法不僅簡單適用，同時也可以免去不斷地灑水保濕。在抹面完成后先覆蓋一層土工布，然后在土工布上覆蓋薄膜，覆蓋的薄膜要大于土工布，把土工布和伸縮縫完全覆蓋，在覆蓋后，用沙土把薄膜的外緣全部封死，使內部形成一個密不透氣的空間。為了減少早期干縮裂縫選擇傍晚和涼爽天氣澆筑也十分必要。

現在市場上有一種混凝土養護劑，對于表面積較小的伸縮縫混凝土很適用。在使用養護劑的同時配合常規養護也可以取得非常好的養護效果，同時使用也十分簡單易行。

5 寒冷季節施工和主要病害

混凝土的硬化是由于水和水泥水化反應的作用。隨著溫度的降低水化反應速度也會降低，當溫度降到0℃，混凝土中的一部分水會從液相變成固相，水化作用會進一步減慢。當溫度繼續下降，混凝土中的水會完全變成冰，水化作用也趨近于停止，此時強度也就不再增長。水在變成冰后，隨著體積的增大會產生2 500 kg/m2的膨脹應力，在混凝土初期強度低于這個值的階段，混凝土會受到不同程度的破壞，會嚴重降低混凝土的抗壓強度和耐久性，對抗凍融能力也有巨大的破壞作用。所以防止凍害的關鍵就是要在環境溫度降到0℃以下之前使混凝土具有足夠抵御冰脹應力的強度，我國規定“不低于設計標號的30%，也不得低于35 kg/m2”，也被稱為臨界強度。所以伸縮縫施工應盡可能在高于5℃的環境溫度下施工，而當晝夜平均溫度低于-5℃的情況下不應進行混凝土澆筑。在晝夜平均氣溫在-5℃～0℃之間施工時，則要采取措施來保證混凝土施工質量。

防凍劑可以使水的冰點降低，在低于0℃時仍能保持液態。引氣劑可以改善混凝土的孔隙結構，在混凝土內部產生很多小而封閉的孔洞，使得混凝土受凍后不產生負壓水的流動。為了使混凝土能最短時間達到臨界強度，還應該摻入一定量的早強劑，同時采用80℃～90℃的加熱水拌制混凝土，保證澆筑時混凝土的溫度不低于15℃。混凝土的運輸距離也要盡可能的短。外加劑可以顯著地提高混凝土的抗凍能力，但是往往忽視了水泥本身的抗凍能力，選擇抗凍性能高的水泥也十分重要。在新拌混凝土中，最終參與水化反應的水分只占30%左右，游離水會產生大且不封閉的孔隙降低混凝土的密實度，甚至會結冰使后期的抹面工作難以進行。所以一定要控制好水灰比，不宜超過0.4。

在寒冷季節施工，應使用保溫效果好的材料支模，如泡沫塑料。若使用鋼板支模，則應在鋼板之間再填充泡沫塑料。在澆筑完成后，需采用電熱毯等措施加溫養護，當混凝土獲得的初期強度較高后（達到臨界強度），則可只以常規方式繼續養護，但需延長養護期至14 d以上。

凍融破壞是我國北部地區新修伸縮縫最主要的病害形式。往往一到兩個冬季，伸縮縫混凝土體表層就大量脫落。為防止凍融破壞，不僅要注重混凝土本身的抗凍融能力，同時在冬季下雪后，應及時將覆蓋在伸縮縫上的積雪清理干凈。研究表明一些融雪劑（通常主要成分為氯鹽）可以使混凝土的表面更易在受凍后剝落，所以在除冰時不應在伸縮縫上使用融雪劑。在施工時，適當增大引氣量可以使混凝土在凍融環境下能更加耐久，同時也要避免在面層上過多地操作（抹面）。