C50快硬聚丙烯纖維混凝土在橋面鋪裝層中的應用

趙 暉

（上海市道路運輸事業發展中心，上海市200023）

0 引言

隨著交通運輸壓力的增加，道路路面大規模修復的需求也逐漸擴大。為盡量減少維修對交通的影響，滿足快速通車要求，對路面材料提出了更高的要求。

當前，鋼纖維混凝土施工技術已廣泛應用于橋面鋪裝中。鋼纖維混凝土作為一種復合型材料，相比于普通混凝土，其抗壓性能和抗沖擊性能提升顯著，且抗裂性、抗剪性、耐磨性也較好。鋼纖維混凝土應用于橋面鋪裝時具有以下優點：（1）顯著提升橋面的剛度與抗折性；（2）增加橋面抗裂性和耐久性；（3）顯著提升橋面的剛度，可以有效減小鋪裝厚度和橋梁自重；（4）改善橋梁的受力結構[1-2]。

近年來，聚丙烯粗纖維作為鋼纖維的替代材料，開始應用于公路橋梁路面和隧道襯砌工程中，簡稱塑鋼纖維。塑鋼纖維具有不會銹蝕、對混凝土和易性施工性能影響較小、成本較低的優點[3]。

1 工程概況和設計要求

S20公路滬寧滬杭鐵路立交橋大修工程為上海市公路局于2020年立項的重點工程項目，工程跨度范圍約1.4km，覆蓋雙向8車道。原橋主體為空心板梁橋結構，本次大修需對原有瀝青和鋪裝混凝土進行銑刨鑿除重新施工，進一步提升橋梁質量和延長橋梁使用壽命，更高效地保障外環線的交通運輸通暢。

混凝土鋪裝結構采用分段施工，以橋面收縮縫為界，單段長度約90m，混凝土厚度110~150mm，雙層鋼筋網片。混凝土設計要求為：泵送C50快硬聚丙烯纖維混凝土，抗壓強度1d達到30MPa，7d達到40MPa，28d達到50MPa。

C50快硬聚丙烯纖維混凝土中改善收縮性能的原材料要求為：28d限制膨脹率（水中7d轉空氣中21d）不小于-0.02%。

C50快硬聚丙烯纖維混凝土技術指標見表1。

表1 泵送型C50快硬聚丙烯纖維混凝土技術指標

借鑒既有經驗配比，通過常用材料驗證C50快硬聚丙烯纖維混凝土各項性能，初步比選試驗配合比。比選參數有水膠比、總漿量、砂率、空隙率以及外加劑摻量等，通過初步比選試驗，測試混凝土坍落度、坍落度擴展度以及工作性經時損失，選擇拌合物性能較好、較優的配合比。C50快硬聚丙烯纖維混凝土性能指標及配合比設計參數范圍選擇[4]見表2，配合比設計參數調整范圍見表3。

2 混凝土配合比設計試驗

C50快硬聚丙烯纖維混凝土配合比試驗時，首先通過常規材料優選確定其規格型號，然后通過配合比參數設計，選擇功能材料和纖維并調整參數用量，使得C50快硬聚丙烯纖維混凝土性能達到設計和施工要求[5]。

表2 泵送型C50快硬聚丙烯纖維混凝土性能指標

2.1 主要材料

（1）52.5PII南方水泥，其主要性能指標見表4。

表4 52.5PII南方水泥主要性能指標

（2）上海寶田S95級礦粉，其主要性能指標見表5。

表5 上海寶田S95級礦粉主要性能指標

（3）FII榮迪粉煤灰。

（4）外加劑為瑞士SIKA公司V1220-A3型（液）高效聚羧酸系外加劑(A3西卡)，具有減水率高、摻量低、與水泥適應性好、坍落度損失小和無污染等特點，并輔助添加消泡組分，可減少混凝土內部的氣泡數。

（5）中砂，級配見表6。

表6 砂篩分

（6）改性礦物摻合料為DENKA改性粉和蘇博特改性粉，其主要性能指標見表7、表8。

表7 DENKA改性粉主要性能指標

表8 蘇博特改性粉主要性能指標

（7）聚丙烯纖維為長堅細纖維（簡稱細纖維）和Bar Chip長纖維（簡稱粗纖維），其主要性能指標見表9、表10。

表9 長堅細纖維主要性能指標

表10 Bar Chip長纖維主要性能指標

2.2 基準配合比[6]

初步采用的基準配合比為：水膠比0.33，砂率38%，外加劑摻量0.8%；膠凝總量470kg/m3，其中水泥70%，礦粉18%，粉煤灰12%。基準配合比見表11。

表11 基準配合比 單位：kg/m3

在基準配合比基礎上，對比摻加2種聚丙烯纖維和2種改性粉料，測試混凝土工作性能、抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度后進行優選，確定最佳的纖維類型和改性粉品種及其摻量。

2.3 單摻聚丙烯纖維

聚丙烯纖維分為細纖維和粗纖維2種，前者纖維直徑在0.06mm以下，長度在20mm以下，在混凝土中摻加的體積分數一般不超過0.1%，主要起減少混凝土早期塑性收縮裂縫與沉降裂縫的作用；后者直徑在0.1mm以上，長度在30mm以上，其主要作用是減少混凝土的干縮裂縫，大幅度提高混凝土的延性、韌性與抗沖擊性，若在混凝土中摻加的體積分數達0.5%以上，可起到與鋼纖維類似的作用[7]。本次研究采用正交試驗方法，對比纖維類型和摻量對混凝土各項性能指標的影響，具體試驗情況見表12。

由表12可知，摻入聚丙烯纖維后，混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度均有一定增長，但隨著摻量的提高，提升的幅度不大。細纖維摻量增加對混凝土工作性能影響較大，需要通過增加外加劑摻量來調整；粗纖維摻量增加對混凝土工作性能影響不大。

2.4 單摻改性粉

近幾年來，為提高混凝土相應指標性能，滿足不同工況條件要求，各種混凝土改性粉狀摻合料也得到開發和應用。本次研究采用的DENKA改性粉和蘇博特改性粉都具有一定的微膨脹作用，能減小混凝土自收縮，降低混凝土開裂風險（產品性能描述）[8]。

對比單摻20kg/m3、30kg/m3改性粉對混凝土各項性能指標的影響，具體試驗情況見表13。

由表13可知，單摻改性粉對混凝土工作性能影響不大；單摻DENKA改性粉的混凝土3d、7d抗壓強度和劈裂抗拉強度增加較大，28d抗折強度有一定增加；單摻蘇博特改性粉的混凝土，因為其中的溫控組分對其早期水化反應有一定抑制作用，使其早期抗壓強度有所下降，28d后差距減小；隨著改性粉摻量增加，混凝土各齡期抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度均有一定幅度增加[9]。

2.5 復摻纖維和改性粉

取纖維2.5kg/m3，改性粉30kg/m3，外加劑摻量為0.8%，進行混凝土性能指標試驗，具體試驗情況見表14。

由表14可知，復摻纖維和改性粉的混凝土各項性能指標與前述單摻時相似，摻細纖維時工作性稍差，摻粗纖維時工作性較好，摻DENKA改性粉時早期性能發展較快，摻蘇博特改性粉時早期性能發展較慢；選擇Bar Chip粗纖維+DENKA改性粉的組合能夠更好滿足實際工程要求。

2.6 配合比確定

根據上述試驗數據進行綜合分析，確定聚丙烯纖維為Bar Chip粗纖維、改性礦物摻和料為DENKA改性粉。該混凝土和易性能優良，抗壓強度早期和28d齡期最高，劈裂抗拉強度和抗折強度較高。所確定的配合比見表15。

表12 單摻纖維試驗情況

表13 單摻改性粉試驗情況

表14 復摻纖維和改性粉試驗情況

表15 配合比確定 單位：kg/m3

經檢測，該優選配合比混凝土膨脹率為-0.01%，滿足設計施工要求。

混凝土收縮試驗：在確定的混凝土配合比基礎上，當混凝土達到最佳泵送流淌效果并保持其性能時，進行混凝土收縮測試。測試得到的混凝土收縮值及混凝土收縮平均值（收縮值/試件長度）見表16。

表16 混凝土7d、28d收縮檢測

由表16可知，摻加纖維和改性粉后，混凝土7d、28d收縮平均值均符合設計要求，更有利于混凝土收縮裂縫和耐久性的質量控制[10]。

3 實體工程應用

混凝土生產過程中，摻合料和纖維采用定量包裝、人工投料方式添加，為保證攪拌均勻性，攪拌時間延長至120s一盤。運輸過程中攪拌車保持罐體轉動，并在卸料前快速轉動2min以保證出料的均勻性。

實體工程中，單向4車道分2次施工，2根車道封閉，2根開放。混凝土施工以泵送施工為主，盡量安排在夜間車流量較小時進行，可以減少交通壓力以及對混凝土擾動的影響。長度方向上以1聯約90m長為1個施工段，采用跳倉法施工。每晚施工2聯左右，全部混凝土施工完成后，進行表面鑿毛后攤鋪瀝青，隨后開放交通。

截至2020年8月底，已完成1條單向4車道的作業施工并通車。期間澆筑的C30快硬聚丙烯纖維混凝土施工性能良好，無明顯有害裂縫。DENKA改性粉的混凝土早期3d、7d抗壓強度和劈裂抗拉強度增加較大，抗折強度有一定增加；摻蘇博特改性粉的混凝土，因為其中的溫控組分對其早期水化反應有一定抑制作用，導致其早期指標有所下降，28d后差距減小；隨著改性粉摻量增加，混凝土各齡期的抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度均有一定幅度增加。

（3）復摻纖維和改性粉的混凝土各項性能指標與單摻時相似，摻長堅細纖維時工作性稍差，摻Bar Chip粗纖維時工作性較好；摻DENKA改性粉時早期性能發展較快，摻蘇博特改性粉時早期性能發展較慢；選擇Bar Chip粗纖維+DENKA改性粉的組合能夠更好滿足實際工程要求。

（4）通過優化混凝土配合比，添加纖維和改性礦物摻合料等功能材料，提高了混凝土早期強度和抗裂性能，一方面能快速修復車道并恢復交通，減少施工對交通通行的影響，另一方面延長了混凝土的使用壽命，避免了反復修、經常修的情況，降低了道路的維護成本。

（5）通過攪拌站集中預拌快硬混凝土，膠凝材料主要使用硅酸鹽系列，更有利于結構耐久性要求。同時解決了現場拌制快硬混凝土效率低下問題，也解決了現場生產帶來的揚灰、噪音等環境污染問題。

4 結語

（1）摻入聚丙烯纖維后，混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度均有一定增長，但隨著纖維摻量的提高，其提升的幅度不大。細纖維摻量增加對混凝土工作性能影響較大，需要通過增加外加劑摻量來調整。粗纖維摻量增加對混凝土工作性能影響不大。

（2）摻入含有微膨脹組分的改性粉，混凝土收縮性能得到改善，但對混凝土工作性能影響不大；摻入