新材料新技術在河北滑模攤鋪水泥混凝土路面中的應用

　　摘 要:通過對宜大高速公路混凝土路面采用的新材料-耐堿玻璃纖維和鋼纖維混凝土等的應用介紹,以及對滑模攤鋪中DBI(傳力桿自動插入機械)技術的應用介紹,對新材料新技術的采用進行了肯定,同時對使用時易出現的問題進行了分析。

　　關鍵詞:混凝土路面應用;滑模施工;纖維混凝土; DBI技術

　　隨著我國經濟的迅速發(fā)展,公路交通量增大,重型運輸車輛的比重越來越大,這對公路路面的結構強度和使用性能提出了更高要求,而水泥混凝土路面則是有強度高、穩(wěn)定性好、耐水性好、使用壽命長、養(yǎng)護費用低等優(yōu)點。因此,近年來水泥混凝土路面在高等級公路中也占了一席之地,隨之而來的是新材料和新技術在水泥混凝土路面施工中不斷推廣和應用。本文介紹在宣大高速公路21 km水泥混凝土路面施工中,采用了耐堿玻璃纖維、鋼纖維和高抗彎拉強度混凝土新材料,并首次成功地使用了滑模攤鋪水泥混凝土DBI技術。

1 鋼纖維和耐堿玻璃纖維的應用

　　1.1 使用2種纖維的目的

　　(1)鋼纖維的應用能顯著提高混凝土的抗彎拉強度、劈裂強度、抗凍性、耐磨性以及抗疲勞性能,較相同水泥用量的普通混凝土相比,其抗彎拉強度及劈裂強度相對提高10%~15%。

　　(2)耐堿玻璃纖維的應用能較明顯地提高混凝土的抗彎拉強度,較相同水泥用量的普通混凝土相比,其抗彎拉強度相對提高5%~8%。耐堿玻璃纖維與鋼纖維相比:具有造價低、摻量少,既使磨損露纖也具有很好的安全性。預計耐堿玻璃纖維是未來纖維增強水泥混凝土路面很有前途的一種纖維材料。

　　1.2 對材料的基本要求

　　(1)鋼纖維混凝土。

　　鋼纖維混凝土的性能除了與基本混凝土有關外,還受鋼纖維品種、性能及摻率的影響,同時,鋼纖維混凝土對粗集料的粒徑也有一定的要求。粗集料的最大粒徑直接影響到鋼纖維的握裹力,一般最大粒徑不宜超過鋼纖維長度的2/3,極值也應考慮鋼纖維不能少于5 mm的錨固長度。宣大高速公路鋼纖維混凝土路面所用的鋼纖維為上海哈瑞克斯金屬制品有限公司生產的銑削型鋼纖維,纖維長35 mm、寬3.0 mm、厚0.3 mm,所用粗集料最大粒徑為30 mm。

　　(2)耐堿玻璃纖維混凝土。

　　因水泥與水接觸后立即發(fā)生水化反應,在其初始反應期內,混凝土的pH值可迅速增至13,所以對纖維的耐堿性有特殊的要求,必須足以抵抗其堿度。宣大高速公路采用的耐堿玻璃纖維為北京賽姆菲爾有限公司生產的CS 38型耐堿玻璃纖維,纖維長12 mm。該耐堿玻璃纖維中有20%氧化鋯。耐堿玻纖直徑很小,僅幾μm,所以其摻量1 kg/m3比鋼纖50 kg/m3時纖維根數還多。

　　1.3 配合比設計

　　纖維混凝土的配合比設計方法和步驟原則上與普通混凝土相同。鋼纖維的用量按混凝土體積的百分率計,對滑模攤鋪混凝土路面來說,一般采用體積的0.5%~1.0%,還不宜超過60 kg/m3,用量太大費用太高,且影響路面微觀抗滑構造的制作,太少則效果不顯著。為保證施工時拌合物質均勻和不離析,集料宜采用連續(xù)級配。鋼纖維混凝土的砂率取值較普通混凝土大,增大范圍與鋼纖維用量有關,一般采用40%~50%,或按下式估算:Str=Scr+10V(1)式中:Str為鋼纖維混凝土的砂率,%;Scr為普通混凝土的砂率,%;V為鋼纖維的體積率,%。玻璃纖維混凝土的配合比設計同普通混凝土,其砂率可較普通混凝土提高1%~3%,纖維用量視其粗細可控制在1~3 kg/m3。可按抗裂(用低值)或增強(用高值)分別控制。

　　混凝土中摻入一定量的粉煤灰,可起到以下幾方面的作用:(1)代替部分水泥和細骨料,降低了工程造價;(2)有利于提高面板的抗彎拉強度,并對提高混凝土的長齡期強度有一定的影響;(3)改善了混凝土的和易性,有利于滑模攤鋪的平整度和外觀;(4)降低了混凝土初始反應期的堿性,減小了對纖維特別是對玻璃纖維的腐蝕;(5)降低了混凝土的泌水率,有利于混凝土的遠距離運輸。但過大量地摻粉煤灰不利于面板的耐磨性,也易引起面板的開裂。建議纖維混凝土路面粉煤灰的摻量為水泥用量的10%~15%。宣大高速公路纖維混凝土所用配合比見表1。水泥:采用大同云崗525普通硅酸鹽水泥;粗集料:采用0.5~1 cm與1~3 cm2種碎石按3∶7比例摻配而成,含泥量為0.6%;粉煤灰:山西神頭電廠Ⅰ級粉煤灰;外加劑:大同光明外加劑廠生產的MRF復合高效外加劑,減水率達18%~20%,含固量40%。

表1 宣大高速公路纖維混凝土配合比

　　1.4 混凝土的拌和

　　(1)集料精度。

　　纖維用料誤差控制在1%,其它材料同普通混凝土。

[Page]

　　(2)混凝土的拌和。

　　為保證纖維混凝土的均質性,應嚴格控制拌合料的最短攪拌時間。纖維混凝土相對普通混凝土純攪拌時間應延長1/3。一般情況下,單立軸式攪拌樓每一攪拌循環(huán)應控制在90~150 s,臥軸式攪拌樓每一攪拌循環(huán)應控制在80~120 s,上述2種攪拌樓原材料上齊后的純拌和時間應超過50 s,最長攪拌時間不宜超過高限值的2倍。宣大高速公路所用拌和設備為德國產ELBA單臥軸式攪拌樓,在拌和纖維混凝土時,每一攪拌循環(huán)調至120 s,相應純攪拌時間為60 s,拌合物質地均勻,性能良好,無離析現象。拌合物的工作性能直接影響到滑模攤鋪路面的質量,為保證攤鋪機的正常攤鋪,應嚴格控制機前混凝土拌合物的工作性。對鋼纖維混凝土,混凝土的最佳坍落度范圍為20~40 mm,允許范圍為10~50 mm,極值不允許超過60 mm;對玻璃纖維混凝土,混凝土的最佳坍落度范圍為30~50 mm,允許范圍為20~60 mm,極值不允許超過70 mm。攤鋪后路面的表面漿層厚度應控制在2 mm左右。

　　1.5 滑模攤鋪

　　針對不同機型的滑模攤鋪機,在宣大施工時使用的攤鋪機有德國產維特根SP-850型和美國產COMACOⅢ(指揮官Ⅲ型)水泥混凝土滑模攤鋪機,攤鋪前應對其所有機構部件進行正確施工位置的設定,并將這些施工參數通過試攤鋪調整固定下來,正式攤鋪時應根據供料情況進行微調。對纖維混凝土的攤鋪施工,應注意以下幾點。

　　(1)振搗棒位置的設定:對于纖維混凝土,振搗棒下緣應嚴格控制在路面標高以上,嚴禁插入路面,以免振搗棒拖出漿槽。

　　(2)滑模攤鋪機正常攤鋪時,因振搗棒控制在路面以上,振搗頻率應較攤鋪普通混凝土高,宜控制在8 000~11 000 r/min之間,機手應隨時根據機前混凝土拌合物的坍落度調整攤鋪速度和振搗頻率,坍落度小則適當降低攤鋪速度和加大振搗頻率,坍落度大則加快攤鋪速度和降低振搗頻率。

　　(3)混凝土的布料:正常攤鋪時,機前最高料位不得高于攤鋪機松方控制板頂面,料位的正常高度應在螺旋布料器或布料犁頂面,以至松方控制板1/2高度為宜,但不得缺料。松鋪系數應視坍落度大小而定,坍落度為30 mm時,松鋪系數宜控制在1.1左右,布料及卸料長度應隨天氣狀況控制在5~10 m之間。攤鋪停機等料時,應停止布料器的工作,以免過分擾動纖維。

　　(4)攤鋪速度的控制:機手操作攤鋪機應勻速連續(xù)不斷地攤鋪,對于纖維混凝土攤鋪速度應控制在0.8~1.5 m/s之間,速度太快則影響混凝土的密實度。

　　(5)抗滑構造的制作。

　　鋼纖維混凝土路面抗滑構造的施工不宜采用掛布軟施制作法,因鋼纖維宜刺入布中拖出坑槽,建議采用拉、掛軟尾排刷拉毛法,但要對排刷經常換洗。也可不拉毛,只用硬刻槽機刻出宏觀抗滑構造。玻璃纖維混凝土路面抗滑構造的制作不宜采用拉掛軟毛排刷或粗布、帆布制作,因上述制作法皆能拉出纖維球體,影響面層的外觀,建議采用掛拖多層絲綢法,或不掛毛,僅硬刻槽。

2 DBI(傳力桿自動插入機械)技術的應用

　　應用DBI的主要目的是為了消除高等級公路水泥路面上的錯臺跳車,從根本上改善舒適性,這種技術僅適用于無筋無纖維混凝土。纖維混凝土本身可達到消除錯臺跳車之目的。本工程DBI只用在普通和高彎拉強度混凝土試驗路段上。

　　2.1 滑模攤鋪使用DBI插入傳力桿的施工步驟

　　(1)首先將加工好的傳力桿按每條縮縫的設計數量分2層放入傳力桿分布行車盒中。

　　(2)由左到右開動行車移動,盒中的傳力桿在設定插入位置將有一根由自重自動落入傳力桿槽中(路面?zhèn)髁U的設定位置可根據設計要求等間距或非等間距變化)。

　　(3)到達縮縫位置后開動振動插入桿(每根傳力桿2個插頭),振動壓入傳力桿,傳力桿插入深度由插頭深度確定,插頭深度根據板厚不同可調整到面板中央位置。

　　(4)插入到位后插頭自動垂直升起,最后,自動跟進補償滯后的位置。這個功能很重要,因為在傳力桿自動插入的過程中,插頭不能移動,而滑模攤鋪機仍在繼續(xù)攤鋪,不能由于插入傳力桿而停機。

　　(5)必須在設定板即縮縫位置準確插入傳力桿,誤差不大于3 cm,并作標記,以利于縮縫切割在設計板長位置,即插入傳力桿的中間位置。

　　　2.2 應用DBI技術時應注意的主要問題

　　應用DBI技術時應注意以下2個問題:(1)傳力桿的加工精度一定要滿足下述規(guī)定要求,首先傳力桿兩端必須是圓截面,不得擠壓切斷形成扁頭,尺寸誤差不應大于1~3 mm,其次傳力桿必須要垂直,只有這樣才能保證行車分布時不卡傳力桿;

[Page]

　　(2)新拌混凝土不得特別干硬,必須滿足《公路水泥混凝土路面滑模施工技術規(guī)程》(JTJ/T037.1-2000)規(guī)定的可振搗密實的最小坍落度10 mm及最大振動粘度系數600 N/m2•s要求,也就是說,攤鋪時的混凝土必須具備滑?？蓴備佇?不得有大面積或整車料的麻面現象。如果不具備可攤鋪性,強制攤鋪會出現由于振動插頭在整機46 t重量的壓制下都插入不到中間位置的情況。此時,不僅是傳力桿插入不到位,而且整個路面的密實度將有嚴重問題,這種完全超出滑模施工工藝要求的工況僅在缺乏經驗的試攤鋪時出現過1次,插入時發(fā)現表面嚴重麻面,傳力桿插不下去,挖開后,發(fā)現傳力桿在2/3的位置處,所以連路面一起不得已廢棄。在一般滑?？蓴備伒那闆r下,包括混合料過軟,路面邊緣塌邊時,傳力桿的插入位置、精度和上部密實均沒有問題。

3 結語

　　(1)在宣大高速公路混凝土路面中成功地應用了鋼纖維和耐堿玻璃纖維,鋼纖維混凝土面板平均抗彎拉強度達7.7 MPa,平均抗壓強度達42 MPa,劈裂強度達4.8 MPa;耐堿玻璃纖維混凝土面板平均抗彎拉強度達7.5 MPa,平均抗壓強度達40 MPa,劈裂強度3.6 MPa。2種面板強度明顯比普通混凝土面板提高了一個臺階,且路面平整,無裂紋斷板現象。建議在以后的混凝土路面施工中,鋼纖維混凝土可適當降低纖維的摻量,以降低工程費用,鋼纖維的摻量可控制在30~50 kg/m3,而堿玻璃纖維混凝土可根據砂石料情況,適當降低水泥用量。

　　(2)DBI技術有以下優(yōu)點:①使用DBI技術不影響滑模攤鋪機的推進施工速度,傳力桿插入過程中無需停機或停機次數少,保證了路面的高平整度,保持了滑模攤鋪水泥混凝土路面的快速度、高施工效益和優(yōu)良的平整度;②DBI技術的經濟性好,無需使用鋼筋支架;③傳力桿插入精度較高,完全滿足《公路水泥混凝土路面滑模施工技術規(guī)程》(JTJ/J037.1-2000)的規(guī)定,在配備振動搓平梁的條件下,上部插入缺陷可完全修復;④DBI技術中沒有鋼筋支架的約束,冬季縮縫開口位移量將更均勻