摘 要:通过对宜大高速公路混凝土路面采用的新材料-耐碱玻璃纤维和钢纤维混凝土等的应用介绍,以及对滑模摊铺中DBI(传力杆自动插入机械)技术的应用介绍,对新材料新技术的采用进行了肯定,同时对使用时易出现的问题进行了分析。
关键词:混凝土路面应用;滑模施工;纤维混凝土; DBI技术
随着我国经济的迅速发展,公路交通量增大,重型运输车辆的比重越来越大,这对公路路面的结构强度和使用性能提出了更高要求,而水泥混凝土路面则是有强度高、稳定性好、耐水性好、使用寿命长、养护费用低等优点。因此,近年来水泥混凝土路面在高等级公路中也占了一席之地,随之而来的是新材料和新技术在水泥混凝土路面施工中不断推广和应用。本文介绍在宣大高速公路21 km水泥混凝土路面施工中,采用了耐碱玻璃纤维、钢纤维和高抗弯拉强度混凝土新材料,并首次成功地使用了滑模摊铺水泥混凝土DBI技术。
1 钢纤维和耐碱玻璃纤维的应用
1.1 使用2种纤维的目的
(1)钢纤维的应用能显著提高混凝土的抗弯拉强度、劈裂强度、抗冻性、耐磨性以及抗疲劳性能,较相同水泥用量的普通混凝土相比,其抗弯拉强度及劈裂强度相对提高10%~15%。
(2)耐碱玻璃纤维的应用能较明显地提高混凝土的抗弯拉强度,较相同水泥用量的普通混凝土相比,其抗弯拉强度相对提高5%~8%。耐碱玻璃纤维与钢纤维相比:具有造价低、掺量少,既使磨损露纤也具有很好的安全性。预计耐碱玻璃纤维是未来纤维增强水泥混凝土路面很有前途的一种纤维材料。
1.2 对材料的基本要求
(1)钢纤维混凝土。
钢纤维混凝土的性能除了与基本混凝土有关外,还受钢纤维品种、性能及掺率的影响,同时,钢纤维混凝土对粗集料的粒径也有一定的要求。粗集料的最大粒径直接影响到钢纤维的握裹力,一般最大粒径不宜超过钢纤维长度的2/3,极值也应考虑钢纤维不能少于5 mm的锚固长度。宣大高速公路钢纤维混凝土路面所用的钢纤维为上海哈瑞克斯金属制品有限公司生产的铣削型钢纤维,纤维长35 mm、宽3.0 mm、厚0.3 mm,所用粗集料最大粒径为30 mm。
(2)耐碱玻璃纤维混凝土。
因水泥与水接触后立即发生水化反应,在其初始反应期内,混凝土的pH值可迅速增至13,所以对纤维的耐碱性有特殊的要求,必须足以抵抗其碱度。宣大高速公路采用的耐碱玻璃纤维为北京赛姆菲尔有限公司生产的CS 38型耐碱玻璃纤维,纤维长12 mm。该耐碱玻璃纤维中有20%氧化锆。耐碱玻纤直径很小,仅几μm,所以其掺量1 kg/m3比钢纤50 kg/m3时纤维根数还多。
1.3 配合比设计
纤维混凝土的配合比设计方法和步骤原则上与普通混凝土相同。钢纤维的用量按混凝土体积的百分率计,对滑模摊铺混凝土路面来说,一般采用体积的0.5%~1.0%,还不宜超过60 kg/m3,用量太大费用太高,且影响路面微观抗滑构造的制作,太少则效果不显著。为保证施工时拌合物质均匀和不离析,集料宜采用连续级配。钢纤维混凝土的砂率取值较普通混凝土大,增大范围与钢纤维用量有关,一般采用40%~50%,或按下式估算:Str=Scr+10V(1)式中:Str为钢纤维混凝土的砂率,%;Scr为普通混凝土的砂率,%;V为钢纤维的体积率,%。玻璃纤维混凝土的配合比设计同普通混凝土,其砂率可较普通混凝土提高1%~3%,纤维用量视其粗细可控制在1~3 kg/m3。可按抗裂(用低值)或增强(用高值)分别控制。
混凝土中掺入一定量的粉煤灰,可起到以下几方面的作用:(1)代替部分水泥和细骨料,降低了工程造价;(2)有利于提高面板的抗弯拉强度,并对提高混凝土的长龄期强度有一定的影响;(3)改善了混凝土的和易性,有利于滑模摊铺的平整度和外观;(4)降低了混凝土初始反应期的碱性,减小了对纤维特别是对玻璃纤维的腐蚀;(5)降低了混凝土的泌水率,有利于混凝土的远距离运输。但过大量地掺粉煤灰不利于面板的耐磨性,也易引起面板的开裂。建议纤维混凝土路面粉煤灰的掺量为水泥用量的10%~15%。宣大高速公路纤维混凝土所用配合比见表1。水泥:采用大同云岗525普通硅酸盐水泥;粗集料:采用0.5~1 cm与1~3 cm2种碎石按3∶7比例掺配而成,含泥量为0.6%;粉煤灰:山西神头电厂Ⅰ级粉煤灰;外加剂:大同光明外加剂厂生产的MRF复合高效外加剂,减水率达18%~20%,含固量40%。
表1 宣大高速公路纤维混凝土配合比
1.4 混凝土的拌和
(1)集料精度。
纤维用料误差控制在1%,其它材料同普通混凝土。
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(2)混凝土的拌和。
为保证纤维混凝土的均质性,应严格控制拌合料的最短搅拌时间。纤维混凝土相对普通混凝土纯搅拌时间应延长1/3。一般情况下,单立轴式搅拌楼每一搅拌循环应控制在90~150 s,卧轴式搅拌楼每一搅拌循环应控制在80~120 s,上述2种搅拌楼原材料上齐后的纯拌和时间应超过50 s,最长搅拌时间不宜超过高限值的2倍。宣大高速公路所用拌和设备为德国产ELBA单卧轴式搅拌楼,在拌和纤维混凝土时,每一搅拌循环调至120 s,相应纯搅拌时间为60 s,拌合物质地均匀,性能良好,无离析现象。拌合物的工作性能直接影响到滑模摊铺路面的质量,为保证摊铺机的正常摊铺,应严格控制机前混凝土拌合物的工作性。对钢纤维混凝土,混凝土的最佳坍落度范围为20~40 mm,允许范围为10~50 mm,极值不允许超过60 mm;对玻璃纤维混凝土,混凝土的最佳坍落度范围为30~50 mm,允许范围为20~60 mm,极值不允许超过70 mm。摊铺后路面的表面浆层厚度应控制在2 mm左右。
1.5 滑模摊铺
针对不同机型的滑模摊铺机,在宣大施工时使用的摊铺机有德国产维特根SP-850型和美国产COMACOⅢ(指挥官Ⅲ型)水泥混凝土滑模摊铺机,摊铺前应对其所有机构部件进行正确施工位置的设定,并将这些施工参数通过试摊铺调整固定下来,正式摊铺时应根据供料情况进行微调。对纤维混凝土的摊铺施工,应注意以下几点。
(1)振捣棒位置的设定:对于纤维混凝土,振捣棒下缘应严格控制在路面标高以上,严禁插入路面,以免振捣棒拖出浆槽。
(2)滑模摊铺机正常摊铺时,因振捣棒控制在路面以上,振捣频率应较摊铺普通混凝土高,宜控制在8 000~11 000 r/min之间,机手应随时根据机前混凝土拌合物的坍落度调整摊铺速度和振捣频率,坍落度小则适当降低摊铺速度和加大振捣频率,坍落度大则加快摊铺速度和降低振捣频率。
(3)混凝土的布料:正常摊铺时,机前最高料位不得高于摊铺机松方控制板顶面,料位的正常高度应在螺旋布料器或布料犁顶面,以至松方控制板1/2高度为宜,但不得缺料。松铺系数应视坍落度大小而定,坍落度为30 mm时,松铺系数宜控制在1.1左右,布料及卸料长度应随天气状况控制在5~10 m之间。摊铺停机等料时,应停止布料器的工作,以免过分扰动纤维。
(4)摊铺速度的控制:机手操作摊铺机应匀速连续不断地摊铺,对于纤维混凝土摊铺速度应控制在0.8~1.5 m/s之间,速度太快则影响混凝土的密实度。
(5)抗滑构造的制作。
钢纤维混凝土路面抗滑构造的施工不宜采用挂布软施制作法,因钢纤维宜刺入布中拖出坑槽,建议采用拉、挂软尾排刷拉毛法,但要对排刷经常换洗。也可不拉毛,只用硬刻槽机刻出宏观抗滑构造。玻璃纤维混凝土路面抗滑构造的制作不宜采用拉挂软毛排刷或粗布、帆布制作,因上述制作法皆能拉出纤维球体,影响面层的外观,建议采用挂拖多层丝绸法,或不挂毛,仅硬刻槽。
2 DBI(传力杆自动插入机械)技术的应用
应用DBI的主要目的是为了消除高等级公路水泥路面上的错台跳车,从根本上改善舒适性,这种技术仅适用于无筋无纤维混凝土。纤维混凝土本身可达到消除错台跳车之目的。本工程DBI只用在普通和高弯拉强度混凝土试验路段上。
2.1 滑模摊铺使用DBI插入传力杆的施工步骤
(1)首先将加工好的传力杆按每条缩缝的设计数量分2层放入传力杆分布行车盒中。
(2)由左到右开动行车移动,盒中的传力杆在设定插入位置将有一根由自重自动落入传力杆槽中(路面传力杆的设定位置可根据设计要求等间距或非等间距变化)。
(3)到达缩缝位置后开动振动插入杆(每根传力杆2个插头),振动压入传力杆,传力杆插入深度由插头深度确定,插头深度根据板厚不同可调整到面板中央位置。
(4)插入到位后插头自动垂直升起,最后,自动跟进补偿滞后的位置。这个功能很重要,因为在传力杆自动插入的过程中,插头不能移动,而滑模摊铺机仍在继续摊铺,不能由于插入传力杆而停机。
(5)必须在设定板即缩缝位置准确插入传力杆,误差不大于3 cm,并作标记,以利于缩缝切割在设计板长位置,即插入传力杆的中间位置。
2.2 应用DBI技术时应注意的主要问题
应用DBI技术时应注意以下2个问题:(1)传力杆的加工精度一定要满足下述规定要求,首先传力杆两端必须是圆截面,不得挤压切断形成扁头,尺寸误差不应大于1~3 mm,其次传力杆必须要垂直,只有这样才能保证行车分布时不卡传力杆;
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(2)新拌混凝土不得特别干硬,必须满足《公路水泥混凝土路面滑模施工技术规程》(JTJ/T037.1-2000)规定的可振捣密实的最小坍落度10 mm及最大振动粘度系数600 N/m2•s要求,也就是说,摊铺时的混凝土必须具备滑模可摊铺性,不得有大面积或整车料的麻面现象。如果不具备可摊铺性,强制摊铺会出现由于振动插头在整机46 t重量的压制下都插入不到中间位置的情况。此时,不仅是传力杆插入不到位,而且整个路面的密实度将有严重问题,这种完全超出滑模施工工艺要求的工况仅在缺乏经验的试摊铺时出现过1次,插入时发现表面严重麻面,传力杆插不下去,挖开后,发现传力杆在2/3的位置处,所以连路面一起不得已废弃。在一般滑模可摊铺的情况下,包括混合料过软,路面边缘塌边时,传力杆的插入位置、精度和上部密实均没有问题。
3 结语
(1)在宣大高速公路混凝土路面中成功地应用了钢纤维和耐碱玻璃纤维,钢纤维混凝土面板平均抗弯拉强度达7.7 MPa,平均抗压强度达42 MPa,劈裂强度达4.8 MPa;耐碱玻璃纤维混凝土面板平均抗弯拉强度达7.5 MPa,平均抗压强度达40 MPa,劈裂强度3.6 MPa。2种面板强度明显比普通混凝土面板提高了一个台阶,且路面平整,无裂纹断板现象。建议在以后的混凝土路面施工中,钢纤维混凝土可适当降低纤维的掺量,以降低工程费用,钢纤维的掺量可控制在30~50 kg/m3,而碱玻璃纤维混凝土可根据砂石料情况,适当降低水泥用量。
(2)DBI技术有以下优点:①使用DBI技术不影响滑模摊铺机的推进施工速度,传力杆插入过程中无需停机或停机次数少,保证了路面的高平整度,保持了滑模摊铺水泥混凝土路面的快速度、高施工效益和优良的平整度;②DBI技术的经济性好,无需使用钢筋支架;③传力杆插入精度较高,完全满足《公路水泥混凝土路面滑模施工技术规程》(JTJ/J037.1-2000)的规定,在配备振动搓平梁的条件下,上部插入缺陷可完全修复;④DBI技术中没有钢筋支架的约束,冬季缩缝开口位移量将更均匀
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