聚丙烯纤维在杭州湾大桥海工混凝土中的应用.pdf

全国中文核心期刊 斩 建巍 中 国 科 技 核 心 期 刊 聚丙烯纤维在杭州湾大桥 海工混凝土【 l 】 响应用 陈翠苹， 高超 ( 广东省长大公路工程有 限公司 ， 广东 广州5 1 1 4 3 1 ) 摘要： 海工混凝土内部结构密实， 具有强度高、 抗氯离子渗透能力强和耐久性好等特点。但早期抗拉强度不高， 甚至比同龄期 普通混凝土强度低。 在斜拉桥主塔结构应力易集中的变异截面或结构突变处容易产生裂缝， 影响工程结构的耐久性。 结合杭州湾大 桥施工实践 ， 对施工配合 比设计进行大胆尝试 ， 在海工混凝土 配比中掺加 了聚丙烯 纤维 ， 既实现 了海 工混凝 土裂缝控制 的 目标， 又 达到 了海工混凝土耐久性要求 。 关键词： 杭州湾大桥； 聚丙烯纤维； 海工混凝土； 主塔施工； 应用 中图分类号： T U 5 2 8 5 7 2 ； U 4 1 4 1 8 文献标识码： B 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 2 ) 1 2 0 0 5 2 0 3 Ap p l i c a t i o n o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r s i n t h e Ha n g z h o u b a y b r i d g e m a r i n e c o n c r e t e C HEN C u i p i n g， G A 0 C h a o ( Ch a n g Da Hi g h w a y En g i n e e ri ng Co L t d ， Gu a n g z ho u 5 1 1 4 3 1 ， Gu a n g d o n g ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ma ri n e c o n c r e t e i n t e r n a l s t r u c t u r e i s d e n s e ， S O i t h a d h i g h s t r e n g t h a n d r e s i s t a n c e t o c h l o ri d e i o n p e n e t r a t i o n a b i l i t y， a n d g o o d d u r a b i l i t y B u t t h e e a r l y t e ns i l e s t r e n gth i s n o t h i g h， e v e n l o we r t h an n o r ma l c o n c r e t e s t r e n g t h S t r u c t u r a l s t r e s s i s e a s y t o f o c u s o n t h e v a ria t i o n o f C R O S S s e c t i o n o r s t r u c t u r a l mu t a t i o n s i n t h e C a b l e - s t a y e d b ri d g e T he s t ruc t u r e i s p r o n e t o c r a c k， t h u s a f f e c t i n g t h e d u r a b i l i t y o f t h e p r o j e e t T h i s p a p e r i n c o mb i n a t i o n wi t h t h e c o n s t r u c t i o n p r a c t i c e o f t h e H ang z h o u B a y B ri d g e ， t h e c o n c r e t e c o n s t r u c t i o n mi x w i t h t h e d e s i g n o f a b o l d a t t e mp t ， t h e ma r i n e c o n c r e t e mix e d wit h t he p o l y p r o p y l e n e fib e r wa s fi r s t t i me i n t h e d o me s t i c ， n o t o n l y t o a c h i e v e t h e g o a l o f ma rin e c o n c r e t e c r a c k c o n t r o l ， b u t als o t o a c h i e v e t h e d ur ab i l i t y o f ma r i n e c o n c r e t e r e q u i r e me n t s Ke y wor ds ： Ha ng z h o u Ba y Brid g e ； p o l y p r o p y l e n e fib e r ； ma ri n e c o n c r e t e： ma i n t o we r c o ns t ruc t i o n ； a p p l i c a t i o n 海工混凝土抗氯离子渗透能力强、 内部结构密实， 具有极 高的强度和耐久性。但早期抗拉强度低， 由于应力集中， 桥梁 结构变截面部位容易出现裂缝， 在施工过程中， 海工混凝土比 普通混凝土更容易出现裂缝。 为解决这个问题， 首先要提高海 工混凝土的早期抗拉强度。 在普通混凝土中掺加聚丙乙烯纤维已有成熟的设计理论 和施工应用， 可以提高普通混凝土早期和2 8 d 抗拉强度。为 此， 提出了在海工混凝土中尝试掺加聚丙烯纤维的构思。 海工 混凝土掺加聚丙烯纤维后，配比设计及工作性能将会发生什 么变化，及能否满足本工程海工混凝土中最关键的抗氯离子 抗渗性指标要求。 本文以 杭州湾大桥工程主 塔施工为出 发点， 通过试验数据和施工应用，来说明聚丙烯纤维在海工混凝土 应用上的一些问题。 收稿 日期： 2 0 1 2 0 4 2 0 作者简介 ： 陈翠苹， 女 ， 1 9 8 2年生 ， 广东五华人 ， 助理工程 师， 主要从 事特大型桥梁工程施工技术研究与管理工作 。通讯 作者：高超 ， E ma i l ： g a o c h a o 2 0 0 04 1 2 6 C O B 。 5 2 新型建筑材料 2 0 1 2 1 2 1 聚丙烯纤维混凝土特性 聚丙烯纤维具有耐化学腐蚀性强、抗拉强度高、加工性 好、 质 轻、 蠕变收 缩小、 价 格较低的 特点， 在低掺 量下 对混凝土 的抗裂、 增韧效果显著等优良的技术经济性能， 在桥梁工程防 裂和抗裂施工实践中得到越来越广泛的应用。 大量室内 试验 和工 程实践证明， 聚丙烯纤维普 通混 凝土 能够抑制塑性收缩裂缝、显著提高普通混凝土的抗拉及抗折 弯强度， 具有较好的耐老化、 抗冻融性和抗渗性口 I 。 2 工程概况 杭州湾大桥全长3 6 k m ，北航道桥为主跨4 4 8 m的钻石 型 双塔空间 双索面五跨 连续钢箱梁斜拉 桥， 主 塔总 高为1 7 8 8 m ， 两主塔施工设计图为B 1 0 和B 1 1 主墩， 主塔是斜拉桥最主 要的受力结构， 对质量要求很高。塔座、 上中下塔柱和横梁组 成， 塔柱采用空心薄壁断面， 下塔柱高4 0 2 m ， 壁厚 1 0 m ； 中 塔柱高9 5 5 m ， 壁厚0 8 I11 ； 上塔柱高3 8 1 m ， 顺桥向壁厚1 2 m ，横桥向壁厚O 8 m 。塔柱下设置圆端台形塔座， 上部尺寸为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 陈翠苹， 等： 聚丙烯纤维在杭州湾大桥海工混凝土中的应用 3 3 5 m x l 5 m， 下部尺寸为3 8 5 m x 2 0 m， 厚2 _ 5 m 。 主塔混凝土设计等级为C 5 0 海工混凝土， 塔柱共分4 3 个 节段进行混凝土浇注施工， 采用液压自爬模节段施工工艺， 下 塔柱第1 节段与塔座相连， 塔座与下塔柱施工间歇较长， 受海 工混凝土龄期、 早期强度及其本身薄壁结构的影响， 结构在拆 模后， 易出现裂缝， 另外， 中塔柱壁厚最薄， 也易出现裂缝。上 述易裂部位， 可在海工混凝土中掺入聚丙烯纤维。 3 气候特点 杭州湾地区属南亚热带季风气候， 温湿多雨， 是重大灾害 天气多发地带。该区年平均气温 1 6 左右， 1 9 4 9 2 0 0 0年共 有 1 3 3 个影响台风；全年平均风速3 m s ，年平均大风日数 1 6 3 d ， 年均降雪日数9 7 d 。杭州湾大桥海域风速大、 周期长 的 气候特点， 既不利于混凝 土正 常施工， 也不利于混凝土的 水 化和早期强度的增长， 当混凝土硬化拆模后， 如果遇上不良的 气候， 由于暴露面积广， 混凝土更容易收缩， 出现混凝土裂缝。 4 聚丙烯纤维海工混凝土应用 国家对海工混凝土没有明确定义， 一般认为， 海工混凝土 是海洋工 程所用， 也称海洋混凝 土。 海工混凝土是高 工作性、 高耐久 性的 高 性能混 凝土。 经常 受到海 水浪花 溅击的结 构所 用 混凝土都属海工混凝土，海工混凝土由于掺入较多磨细掺合 料， 早期强度低， 对于工期紧张需要快速拆模的结构部位施工 来说， 需要引入一种材料， 来提高海工混凝土的早期抗拉强度。 杭州湾大桥所有部位混凝土均为海工混凝土，在南航道 主塔第 1 节施工中出现了不同程度的裂缝，经分析为温度和 收缩应力所致； 在北航道施工中， 我们按照主 塔塔 座和 塔柱 模 型制模， 用不掺纤维的主塔配比进行试打， 拆除模板后， 混凝 土也出现了裂纹， 南北方向共计4 条。 由于聚丙烯纤维对混凝土具有增强作用刚 ， 拟在海工混凝 土中掺入聚丙烯纤维， 研究掺加聚丙烯纤维后海工混凝土的抗 拉强度是否有所提高， 混凝土工作性是否满足施工要求， 以解 决杭州湾大桥北航道主塔变截面处海工混凝土的抗裂性问 题。 5 配比设计 5 1 原材料 杭州湾大桥 合同段混凝土所采用的各种原 材料均为 业 主招标采购， 各标号混凝土所用原 材料均相同， 其品 种、 规格 和来源如下圆 ： 砂： 来自 福建闽 江砂场， 中 砂， 细度模 数2 6 3 、 含泥 量0 8 、 表观密度2 6 4 g c m ； 碎石： 产地宁波北仑， 5 2 5 m m连续级配， 压碎值 5 3 、 含泥量0 4 、 针片状颗粒含量4 8 、 表观密度2 6 3 g e ra 。 ； 水泥： 安徽海螺牌P I I 4 2 5 水泥， 3 d 、 2 8 d 抗压强度分别 为3 2 0 、 5 2 8 M P a ； 矿粉： 上海宝田矿粉， 比表面积4 4 2 m Z k g 、 3 d 活性指数 8 1 、 2 8 d 活性指数 1 1 6 、 需水量比1 0 0 ； 粉煤灰： 江苏常熟电厂 I 级风选灰， 需水量比9 1 、 烧失 量3 5 、 含水量0 2 、 三氧化硫含量0 6 8 ； 减水剂： 上海华登H P 4 0 0 0 A型聚羧酸减水剂， 减水率为 2 7 5 、 3 d 抗压强度比1 6 8 、 2 8 d 抗压强度比1 4 5 ； 水泥和 减水剂相容性试验符合要求； 拌合用水： 自 来水， 各项指标符合混凝土拌和用水要求； 聚丙烯纤维： 产地美国， 吸水率0 、 纤维长度3 0 m m 、 密度 0 9 2 g c m 3 , 延伸率7 、 耐酸性高、 抗拉强度 3 3 4 M P a 、 弹性模 量 3 1 8 0 M P a 。 5 2 试验用配比 试验采用外掺法， 所用配比均进行了试拌， 满足要求后作 为试验用配比，在主塔报批配比中外掺 1 0 、 1 4 、 1 8 k g m 聚 丙烯纤维， 经工作性校核形成3 个配比， 再选用1 个不掺聚丙 烯纤维的主塔配比组成4 个配比进行比较，主塔混凝土设计 标号为C 5 0 ， 其配合比见表1 。 表 1 混凝土配合 比 k g ,m 5 3 主要试验方法 混凝土抗压强度试件尺寸为1 5 0 m m x l 5 0 m m 1 5 0 m m ， 养护温度为( 2 0 2 )、 相对湿度大于9 5 ， 测试海工混凝土 在规定龄期的抗压强度； 混凝土抗折强度试件尺寸为1 5 0 m in x 1 5 0 m m x 5 5 0 m m ， 养护温度为( 2 O 2 ) 、 相对湿度 9 0 ， 采用 小梁试验方法； 海工混凝土抗氯离子试验采用A S T M C 1 2 0 2 混 凝土直流电量法， 试验仪器采用清华大学改进A S T M C 1 2 0 2 电量法测试仪， 测量混凝土试件在3 0 V直流电压下通电6 h 通 过的电量， 以评价混凝土的渗透性， 试件采用标准试件， 用取 芯机切割成规定直径的圆柱体， 然后进行氯离子渗透试验； 海 工混凝土的 抗裂试验 采用传统的 平板试验， 观察规定龄期约 束混凝土板块的开裂情况翻 。 5 4 实验结果与分析 掺聚丙烯纤维后海工混凝土的性能见表2 。 N E W BUI L Dl NG M ATE RI AL S 5 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 陈翠苹， 等： 聚丙烯纤维在杭州湾大桥海工混凝土中的应用 表2 掺聚丙烯纤维后海工混凝土的性能 从坍落度和扩展度看， 掺加聚丙烯纤维后， 海工混凝土的 流动性有所下降，故需通过适当增加外加剂用量来提高混凝 土的工作性。 掺加聚丙烯纤维后， 海工混凝土的抗压和抗折强度明显 提高， 其中 配比2 的增强效果最明显， 3 d 抗折强度为4 5 M P a ， 7 d 抗折强度为9 6 M P a ， 2 8 d 抗折强度为1 1 - 3 M P a ， 尤其是3 d 抗折强度增幅最明显， 它与 不掺聚丙烯纤维的混凝土( 0号 配比) 相比， 3 d 抗折强度提高了3 2 。这说明掺加聚丙烯纤 维对海工混凝土早期抗裂十分有效。 随着聚丙烯纤维掺量的增大， 海工混凝土配合比砂率也要 略微增大， 混凝土的工作性降低， 为配制满足工作性要求的新 拌物， 需适量增加外加剂， 混凝 t 才能达到大致相同的工作性。 从试验数据看， 随着聚丙烯纤维掺量的增大， 混凝土抗折 强度先提高后降低， 可能是砂率的原因导致强度降低。 故选择 2 号配比为最佳配比。 6 施工质量控制 在主塔施工中主要采用了以下措施来保证聚丙烯纤维海 工混凝土的施工质量。 ( 1 ) 凿毛和润湿。在主塔第 1 节混凝土施工前， 对塔座混 凝土凿毛、 润湿， 将塔柱与塔座接触面充分凿毛并清洗干净， 这样可以增强结合部位混凝土的强度。 在混凝土浇筑前， 再用 水充分润湿， 但不可有明显明水流动现象。 ( 2 ) 喷涂无机界面剂。 为保证桥下塔柱与塔座结合面的粘 结， 提高界面粘结剪切强度， 采用 一 种无机界面粘结剂( I A C ) 。 喷涂界面剂时， 应注意将界面剂喷涂均匀， 厚度控制在 1 5 m m 左右， 并在界面剂初凝之前将混凝土摊铺到位_3 I 。 ( 3 ) 延长混凝土搅拌时间。 海工混凝土掺入比表面积较大 的 矿物掺合 料， 水胶比 小， 相对普通混凝土而言， 混凝土黏聚 性更好， 掺入聚丙烯纤维后， 需提高外加剂掺量， 使得混凝土 比不掺纤维的海工混凝土更黏； 聚丙烯在搅拌过程中易结团， 为保证它们在混凝士中均匀分散，搅拌时间应比普通混凝土 延长6 0 9 0 S 。 ( 4 ) 夜问施工。混凝土施工在7 8月， 桥面施工现场气温 5 4 新型建筑材料 2 0 1 2 1 2 达到2 8 3 7 ， 为避免混凝土开裂， 以夜间浇筑混凝土为主。 ( 5 ) 加强整平饰面。聚丙烯纤维的加入， 使得抹面比普通 海工混凝上困难些， 因此， 要适当增加抹面、 抹平人员。 ( 6 ) 加强混凝土养护。 杭州湾大桥区域风较大、 浪高， 为避 免塑性收缩开裂，抹面后及时采用塑料薄膜进行覆盖以防水 分蒸发。 海工混凝土要充分使水泥参与水化反应， 还要使矿粉 和粉煤灰充分发生二次水化反应， 为此要保证水分充足。 待混 凝土终凝时立即用麻袋替换薄膜进行覆盖洒水潮湿养护， 潮 湿环境下的养护时间为 1 5 2 0 d 。 ( 7 ) 质量控制及检验。 聚丙烯纤维海工混凝土在现场的坍 落度控制在 1 7 0 1 9 0 m m， 扩展度控制在4 7 0 4 8 0 m m 。 现场留 样混凝土的2 8 d 抗压强度检测结果为6 5 4 6 8 9 M P a ，均大 于配制强度5 8 2 M P a 4 1 ， 氯离子扩散系数为0 9 1 4 x 1 0 m 2 s ， 优于杭州湾大桥规范的1 5 x 1 0 m 2 s ， 完全满足设计要求。 7 结语 在本工程B 1 0 、 B 1 1 主墩首节塔柱施工中， 采用了聚丙烯 纤维海工混凝土配比， 使混凝土的各项指标均满足设计要求， 混凝土拆模后， 主塔薄壁结构未出现龟裂和肉眼可见的裂纹， 达到了 设计聚丙烯纤维 海工混凝土的目 的。 根据室内 试验 和 施工实践， 可以得出以下结论。 ( 1 ) 掺入聚丙烯纤维会明显降低海工混凝土的坍落度， 为 保证混凝土的工作性和强度， 需提高砂率， 还要适量增加减水 剂用量。 ( 2 ) 为保证聚丙烯纤维等在混凝土中的均匀分散， 应适当 延长混凝土搅拌时间6 0 9 0 S 。 ( 3 ) 聚丙烯纤维掺量需根据工程实际情况， 通过试验来确 定， 尽可能地节约混凝土成本， 又使海工混凝土具有良 好的阻 裂、抗渗作用，聚丙烯纤维是一种理想的海工混凝土抗裂材 料， 可在同类桥梁结构中推广应用。 ( 4 ) 聚丙烯纤维海工混凝土质量控制是一 一 个系统工程。 为 确保聚丙烯纤维混凝土具有良好的施工质量，应从配合比设 计、 材料控制、 搅拌控制、 施工现场控制等方面， 严格按照各自 ( 下转 第 6 5页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 杨晚生， 等： 生态种植屋面隔热特性对比实验研究 发热流比其它模块大所致。 湿模 块 = 要 昌 霜 器 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 日期 图 6 各模块表面温度降温率汇总 2 2 -3 模块导热热流 将各模块的导热热流进行分析比较， 可以得出在测试条 件下各模块的隔热性能变化规律( 见图7 ) 。 量 景 量 景 警 暑 景 量 景 量 景 寻 邑 景 景 罨 景 警 罨 景 量 g窨窨暑22= 2署譬 譬 = 时间 ( h ： m i n ) 图7 4月 1 8日各模块底面传热热流随时间变化曲线 从图7 可以分析得知： 各模块导热热流随时间变化的规 律大致相同。0 9 ： 0 0 1 0 ： 0 0 干模块的导热热流随时间迅速增 大， 湿模块、 植 被模 块以 及蓄水模块的 导热热流则保持初始值 不变； l 0 ： 0 0 1 1 ： 0 0 各模块的导热热流随时问的增加而增大； 1 1 ： 0 0 1 7 ： 0 0 干模块的导热热流基本恒定， 而湿模块、 蓄水模 块以 及佛甲 草模块的导热热流则随 着时间缓慢增加， 后3 种 模块进入相对恒定阶段的时间依次延迟。产生这种现象的原 因是： ( 1 ) 干模块基质表层的 蒸发作 用弱， 使辐射热流快速穿 过基质层而达到模块底部； ( 2 ) 湿模块由于基质表层的蒸发作 用强， 使大部分辐射热流先被蒸发对流换热热流带走， 然后随 时间的延迟而渗透到达模块底部； ( 3 ) 植被模块除了基质表层 的 蒸发作用以 外， 还有植被层的呼吸蒸腾作用； ( 4 ) 蓄水模块 由于表层水分的蒸发以及水层的蓄热，从而延迟了辐射热流 穿透模块的时间。 3 结语 提出了一种新的测试生态种植屋面隔热特性的实验方 法， 可以控制实验环境方便进行单因素实验测试分析， 从而得 出温度、 相对湿度、 辐射强度以及基质含湿率对模块隔热性能 的影响程度， 为模块化生态种植屋面的优化提供依据。 同时可 以 在相同 环境状态下使模块持续失水从 而进一步分析 基质含 湿率 对模块隔 热性能的 影响。 此外， 将4 种测试模块置于 相同 实验环境中进行对比分析，考虑到屋面荷载以及环境效应得 出1 0 0 m m厚轻质佛甲草种植模块具有较好的隔热性能， 实 验测试结果具有说服力。另外， 在此种实验方法下， 测试用4 种隔热模块的蒸发冷却热平衡、模块热工特性、模块散热特 性、 热湿传递及能量平衡模型等还待进一步研究。 参考文献： 1 】 赵定 国， 唐鸣放 ， 章 正民 屋顶绿化节 能降耗的定量分析f J 】 _ 中国 园艺文摘 ， 2 0 0 9 ( 1 2 ) ： 2 7 3 0 2 2 赵定国， 薛伟成 轻型屋顶绿化的降温效果lJ 上海农业学报， 2 0 0 6， 2 2( 1 ) ： 5 3 5 5 3 J 郭旭诗 广州佛甲草种植屋面对室 内热环境的影响研究 D 】 广 州： 华南理工大学 ， 2 0 0 8 【 4 】 白雪莲 ， 冯雅 生态型节 能屋面的研究 ( 之 2 ) 一种种植 屋面 的实测结果与数值模拟的对比分析f J 四川建筑科学研究， 2 0 0 1 ， 2 7( 3 )： 6 0 6 2 【 5 1 孟庆林 ， 张玉， 张磊 热气 候风洞 内测定种植 屋面当量热阻 J 暖 通空调 ， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 1 0 ) ： 1 1 1 - 1 1 3 【 6 】 杨晚生， 郭开华模块化植被屋面隔热性能的实验测试分析 J 新 型建筑材料， 2 0 1 1 ( 2 ) ： 3 4 3 7 A ( 上接第 5 4页) 规定的要求来进行施工控制， 任一环节失控， 海工混凝土结构 均有可能出现裂缝。 参考文献： 1 】 卫爱民， 赵涛 聚丙烯纤维混凝土的研究与应用【 J 山东建材， -2 0 0 5( 2 ) ： 3 3 - 3 6 【 2 】 杭州湾大桥指挥部 杭州湾跨海大桥专用施工技术规范 s 】 2 0 0 8 【 3 】 单俊鸿 ， 周 明凯 水泥混凝土桥面破损原因及预防处理技术I J 】 河 北建筑科技学院学报 ( 自 然科学版) ， 2 0 0 4 ， 2 1 ( 2 ) ： 5 1 5 3 【 4 】 J G J 5 5 2 0 o o ， 普通混凝土配合比设计规程 s 】 A N E W BUl L DI NG M ATE Rl AL S 6 5 站 丛 捕 9 6 3 寻 如 蚰 舳 O 7 6 5 4 4 3 2 1 O 邑 船煺霰 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m