第22卷第3期 甘肃科技 v0Z.22 No.3 2006年3月 Gansu Science and Technology Mar. 2006 高性能混凝土在道路工程中的应用 刘薇 ,张季男。 (1.重庆交通学院,重庆400074;2.北京中咨路捷工程技术咨询有限公司,北京100000) 摘要:介绍了高性能混凝土在国内外道路工程中的应用概况,并分析了针对道路性能改善的高性 能混凝土,高性能快速修补混凝土和纤维增强高性能混凝土,在道路工程中的推广价值。 关键词:高性能混凝土;高性能快速修补混凝土;纤维增强高性能混凝土 中图分类号:TU528.0 高性能混凝土(High Performance Concrete, 土时,尤其重视混凝土的施工性能,特别是高流动 缩写为:HPC),是近十几年开发出来的一种新型混 性,要求浇注混凝土后不振或微振,并应用于道路、 凝土。目前国际上己广泛认识到,高性能混凝土由 桥梁及水工建筑工程中。 于具有高耐久性、高工作性和高强度等特性,用它来 以小泽一野和冈村甫为代表的日本学者认为: 代替传统的混凝土结构物和建造在严酷环境中的特 高性能混凝土是一种具有高填充能力的混凝土,在 殊结构,具有显著的经济效益,因此逐渐被各国学 新拌阶段不需振捣就能完善浇筑,是高流态、免振自 者所接受,被认为是今后混凝土技术的发展方向。 密实混凝土;在水化、硬化的早期阶段很少产生由 但是,不可否认,在道路工程方面,高性能混凝土 于水化热或干缩等因素而形成的裂缝;在硬化阶段 的研究和应用还较少 高性能混凝土作为一种新型 具有足够的强度和耐久性。 的筑路材料,对其进行研究开发以满足水泥混凝土 3)在美国,1991年美国战略性公路研究计划 路面的性能要求就显得极为迫切并具有重要的现实 (SHRP)的报告中提出高性能混凝土用于公路工程 意义。 应满足下列要求:①最大水灰比为0.35;②按照 美国材料与试验协会ASTM C666子目A确定的 1 国内外研究概况 耐久性指数不小于8O ;③混凝土4h抗压强度应 高性能混凝土,是挪威于1986年首先开始研究 高于17.2MPa,或24h抗压强度应高于34.5MPa, 的。随后,日本、美国、加拿大、法国等国家也投入该 或28d抗压强度应高于68.9MPa。这个定义对满 项目的研究,并在不少工程中采用,如;高层建筑、道 足公路工程要求的HPC的耐久性能和强度都做出 路桥梁、海上平台、飘浮结构等工程。高性能混凝土 了量的规定。1993年,美国联邦公路管理局(FH— 在工程安全使用期、经济合理性、环境条件的适用性 wA)发起了在全国公路桥梁建设中推广应用HPC 等方面均产生了明显的效益[1]。 的计划。1996年美国公路与运输协会和美国联邦 1)在挪威,皇家科技研究院的科学与工业研究 公路管理局联合成立了HPC工作小组以实施HPC 基金(SINTEF)持续多年资助高强高性能混凝土的 在公路工程中的应用。如今,美国至少有12个州正 研究,如:l986—1992年的高强混凝土材料研究计 在广泛使用高性能混凝土建造桥梁,而且建设项目 划;1988—1993年的高强混凝土结构设计研究计 正在逐年增加。 划;1988—1992年和1993—1995年有关高性能 4)在加拿大,1989年设立了高性能混凝土国 轻质混凝土及其浮动结构的研究计划等。为了提高 家资助项目,提出了”高性能混凝土协作网”,获得 结构的耐久性,挪威规定所有桥梁的混凝土必须掺 500万美元的资助进行为期4年的研究 1994年又 粉煤灰或硅粉,水胶比不能超过0.4。目前,挪威的 斥资400万美元对高性能混凝土的施工应用进行研 公路结构物基本都采用HPC建造,并己取得了很 究。 好的经济效益。 以加拿大的P.C.Aitcin为代表的学者认为 2)在日本,在8O年代后期研制开发高性能混凝 高性能混凝土是一种具有高弹性模量、高密度、低渗 维普资讯 http://www.cqvip.com
l58 甘肃科技 第22卷 透性和高抗侵蚀能力的混凝土。 能的基础上采用现代混凝土技术,选用优质原材料, 5)在法国,1986年由部门组织国内23个 除水泥、水、集料以外,必须采用低水胶比,在妥善的 单位,包括研究机构、大学、公司、承包商进行一 质量管理条件下制成的;掺加足够的细掺料与高效 项名为”混凝土新途径”的研究项目,进行高性能混 外加剂,HPC应同时保证下列诸性能:耐久性、工作 凝土的研究并建造示范工程。1996年法国公 性、各种力学性能、适用性、体积稳定性以及经济合 共工程部和教育与研究部又组织了”高性能混凝土 理性。 2000”的国家研究项目,为期4年,投入研究经费 尽管不同国家、不同学者对高性能混凝土有不 550万美元,有4O余个机构参与。 同的定义和解释,但共同的观点是:HPC的基本特 法国Maker Y A认为:高性能混凝土的特点 征是按耐久性设计。在公路结构物中,水泥混凝土 在于有良好的工作性、强度及早期强度高、工程经济 一直以强度作为主要性能指标,并将其作为努力的 性高,耐久性高,特别适用于桥梁、港工、核反应堆以 方向。结构设计者也往往只对混凝土的强度特别感 及高速公路等重要的混凝土建筑结构。 兴趣。但是,仅几十年很多公路结构物就发生过早 6)在我国,对高强混凝土的研究是从7O年代 破坏,其原因不是由于强度,而是由于耐久性不足所 后期开始的,有许多研究机构、高等院校和施工单位 引起的。因此,在我国深入进行高性能混凝土的研 在研究与应用高强混凝土上作了大量的工作。1994 究,并将其应用于公路结构物是非常必要的,而且具 年国家自然科学基金项目”高强与高性能混凝土材 有广阔的发展前景。 料的结构与力学形态研究”由清华大学主持进行并 己完成。1995年高强混凝土委员会编制出版了《高 2高性能混凝土在我国道路工程中推广的障 强混凝土的结构设计与施工指南》,为高强混凝土结 碍分析 构设计提供了理论依据。1996年北京市科委、市建 目前,按耐久性设计的高性能混凝土在我国道 材研究院、北京市建筑工程研究院等四单位实施”高 路领域中的研究和应用还很少,特别是对高性能混 强与高性能混凝土”重点科研项目,从外加剂、砂石 凝土路用性能的系统研究成果和资料还鲜有报道。 料、复合水泥及掺合料,乃至包括标准和试验方法等 首先,这是因为我国道路建设的发展速度较快, 多方位联合攻关。1999年建设部将”高性能混凝土 与此同时我们对混凝土耐久性的研究并不充分。 外加剂应用技术”列入建筑业重点推广应用的第二 其次,高性能混凝土的获得,除了要选择优质 批新技术项目。同年,中国工程建设标准化协会批 的材料组成和合理的配合比,还要考虑掺人外加剂 准了《高强混凝土结构技术规程}ECSC1 04:99。 和掺合料,以及采取适当的施工工艺和养生方法 根据我国的工程实际,1999年,吴中伟院士进 (见表1)。这些技术途径的合理性与规范性都会制 一步明确了高性能混凝土的定义:HPC是一种新 约高性能混凝土在道路工程中的推广使用。 型的高技术混凝土,是在大幅度提高常规混凝土性 裒1制备商性能混凝土的技术途径 正确选择 合理的 施工工艺 HPC 原材料 工艺参数 选择与控制 硅酸盐水泥 水灰比(<4o) 强制式搅拌机. 密实的水泥石及 优质骨科 砂率O4%-39%) 泵送施工.高额 台理的孔结构. 超细矿物质掺料 胶凝材料用量 振动.坍落度损 界面过渡区的改 新型高效减水剂 (5o0坩00kg) 失控制.混凝土 善,体积稳定性, 新型高效减水剂 养护剂养护 高强高耐久性 (0.8%-1.4%) 另外,我国许多学者认同于欧美学者的观点,认 混凝土的抗震性能下降,这对受交通荷载频繁作用 为高性能混凝土必须高强(≥60MPa),使得高性能 的道路、桥梁混凝土来讲是极为不利的。因此,应 混凝土在道路方面的应用受到很大的。 该根据目前道路与桥梁工程中大部分采用C60以 众所周知,高强混凝土的最大缺点是破坏时呈 下普通水泥混凝土的现状,对其进行高性能化,并 脆性,并随强度的提高其脆性也随之增加,导致水泥 用于道路建设中以满足道路结构物的要求,从而提 维普资讯 http://www.cqvip.com
第3期 刘薇等:高性能混凝土在道路工程中的应用 159 高整个道路混凝土结构物的耐久性。 总之,高性能混凝土作为一种目前在我国应用 很少的新型路用材料,首先应该研究其适用于道路 结构物要求的原材料特性。此外,还应对高性能混 Supercement”水泥等。也均可达到混凝土路面快速 恢复交通的目的。 在我国,8O年代末90年代初,在国家科委项 目”我国水泥混凝土路面发展对策及修筑技术研究” 的引导下,江苏省建筑科学研究院研制的JK系列 混凝土快速修补剂(JK一4型,JK—l0型,JK一24 凝土的物理力学性能和耐久性,变形及体积稳定性 等方面进行系统的研究。尤其,需要针对水泥混凝 土路面固有的缺陷,如:工期长;随混凝土强度增 大,其韧性越差,脆性越高等不足,对高性能混凝土 型)具有高早强、收缩小、性能优异等优点,可在24h 内开放交通,并已在全国多个省市的道路、市政部门 进行进一步的完善研究。 3 针对道路性能改善的高性能混凝土技术 3.1 高性能快速修补混凝土技术 目前,国内早期修建的水泥混凝土路面均出现 了不同程度的破损现象。随着国民经济的迅速发 展,公路交通量和汽车载重量日趋增加,路面结构的 损坏日趋严重。从现有的特别是8O年代和9O年代 初修筑的水泥混凝土路面来看,由于设计、材料、施 工技术、施工管理和质量控制等方面的原因,以及自 然灾害的破坏等原因,投入使用3—5年后就出现了 大量的早期破坏。据不完全统计,我国现有的水泥 混凝土路面将有5O一6O 左右都将面临着修补。 由于交通路网的需求,在对使用的道路进行路 面修补时,不允许长时间封闭交通,尤其是高速道路 和城市道路。采用普通水泥混凝土对路面进行修补 时,需要较长的养生时间,早期强度低,一般需要5 —7天才能开放交通,给路面尽快恢复交通(最好是 在24h以内,乃至12h以内)带来了困难。因此,水 泥混凝土路面快速修补技术是当今急需研究的问 题。 对快速修复混凝土路面,国外已经研制了适用 于水泥混凝土路面修补的快硬高早强水泥。如目 前【z],美国开发的”派拉蒙特”(Pyrament)混合水泥 拌制的混凝土,4h抗压强度达到13.4MPa。该水泥 在纽约州12h完成一座桥梁接缝的修复。在寒冷的 冬天,5h内重建了肯塔基州的巴克地方7.6m X 18.3m的机场跑道。日本广泛使用的调凝水泥(或 称喷射水泥),这种喷射水泥的终凝时间为15min, 而普通硅酸盐水泥为190min。由喷射水泥拌制的 砾石混凝上掺入0.3 的缓凝剂后,初凝时间约为 40min,而普通混凝土可5h甚至更长。一天龄期的 喷射水泥混凝土的抗弯强度可达到4.1MPa,抗拉 强度可达到2.5MPa,采用喷射水泥进行路面维修 可在12h以内完成并恢复交通。此外还有英国的” Swiftcrete”水泥,德国的”Draifach”水泥,意大利的” 进行过应用,也取得了较好的路面修补效果。但由 于该材料含有氟铝酸盐、硅酸盐、硫铝酸盐等特种材 料,致使价格昂贵。 因此,在吸取其他混凝土快速修补剂的长处的 同时,结合高性能混凝土技术,应采用取材方便、成 本低廉的以工业废渣粉煤灰为主的快速修补专用掺 合料[3],如:以优质粉煤灰(II级及以上)通过超细 后,掺少量无机矿粉,高表面活性物质,含硅量较高 的烧结熟料,两种化工原料复合而成,简称为粉煤 灰复合超细粉快速修补专用掺合料(简称PFAC)。 用PFAC等量取代3O?,6以上的水泥配制的混凝土 称为高性能快速修补混凝土(High Performance Rapid Repair Concrete,缩写为:HPRRC),它可以 解决修补水泥混凝土路面尽快恢复交通这一技术难 题,可满足12h后开放交通的要求,确保了修补区混 凝上的耐久性,且其价格比JK系列混凝土快速修 补剂便宜得多。 此外,采用树脂混凝土,高分子聚和物混凝土 等材料也可用于水泥混凝土路面快速修复,但同样 因为原材料的特殊性,致使其价格昂贵,不利于推 广使用。 综上所述,上述快速修补材料,在尽可能短的时 间内修复混凝土路面并恢复交通,解决了水泥混凝 土路面快速修复恢复交通这一技术难题。但由于这 些材料价格昂贵,工程造价高,致使推广应用困难。 开发新型的水泥混凝土路面快速修补材料仍然是当 今乃至未来工程材料发展的一个重要研究方向。 3.2 纤维增强高性能混凝土技术 混凝土高性能化是混凝土技术发展多年来的努 力方向。但是,混凝土本身固有的弱点一抗拉、抗 弯、抗冲击、韧性差等仍旧着其优势的充分发 挥。并且随着混凝土强度的不断提高,这一弱点也 愈突出。通常认为,混凝土强度越高,其韧性越差, 脆性越高,混凝土耐久性问题越大 ]。由于路面工 程中对水泥混凝土的特殊要求,例如:对抗折强度 的要求、对抗温度变形能力和抗疲劳荷载能力的要 维普资讯 http://www.cqvip.com
160 甘肃科技 第22卷 求等,必须通过改善混凝土的韧性、变形适应性及抗 裂性等性能指标,才能得到满足 因此,长期以来许 面层等部位中大量应用了钢纤维混凝土,并取得了 较好的效果。此外,国内外不乏利用钢纤维混凝土 多学者不断探索改善混凝土上述性能的方法和途 径。中国工程院院士吴中伟教授认为,复合化是水 泥基材料高性能化的主要途径,纤维增强是其核心, 对高性能水泥基材料增加韧性、抗冲击性等起关键 作用,复合化的技术思路一超叠加效应对纤维增强 混凝土高性能化有重要意义,可用公式”1+2>3”表 示。因此纤维增强高性能混凝土将是水泥混凝土未 在高等级道路、桥梁建设与加固工程中成功的应用 实例。目前,随着钢纤维混凝土应用技术的不断成 熟,大规模应用己指日可待。 玻璃纤维是我国在土建工程中应用较早的纤维 材料,与钢纤维相比,玻璃纤维强度高(1500— 35ooMPa)、弹性模量更接近于混凝土(7—8× 1O MPa)、能耗低、成本低,是未来发展纤维混凝土 来的发展方向L5]。 纤维混凝土是在水泥混凝土中复合纤维而成的 复合材料,通过纤维复合后,可以使混凝土的内部结 构产生较大的变化,在充分利用水泥混凝土自身抗 压强度较高这一优点的基础上,利用纤维的韧性,最 大限度地发挥各种材料的独自特性并赋予整体以单 一材料所不具备的优良特性,从而改善混凝土的多 种性能。例如复合不同品种或掺量的纤维可以提高 混凝土的抗拉强度、抗折强度、抗压强度、抗冲击能 力、抗疲劳能力、阻裂抗碎能力、抗温度变形能力、抗 渗能力、抗冻能力等。这些性能的改善在道路工程 中正是所期望的。因此,利用纤维改性在道路混凝 土工程中具有十分广阔的应用前景。 就目前研究的现状来看,水泥混凝土中掺加不 同纤维后可以改善不同的物理力学性能指标,其中, 所改善的最基本性能指标,主要是提高混凝土的韧 性,这正是为了满足提高道路工程抗交通荷载能力 的需求。目前可以改善水泥混凝土性能的纤维有钢 纤维、玻璃纤维、有机纤维、碳纤维等。根据它们对 混凝土所改进性能特点和技术经济效果的不同,分 别应用于不同的部位与范围 钢纤维混凝土是发展最早的一种纤维,也是目 前道路与桥梁工程混凝土中应用较多的纤维。因为 它具有较高的抗拉强度(3Oo—IO00MPa),可以显著 提高混凝土的抗折强度、抗压强度、抗振动能力和抗 裂能力,使其在道路与桥梁工程的应用也己得到工 程界的普遍认可。掺加钢纤维可以明显提高混凝土 的抗折强度或减薄路面的厚度,这些改善可以起到 提高抗疲劳荷载能力、延长混凝土路面温度缝间距、 减少混凝土用量、降低工程造价、降低路面厚度等效 果。河北省在许多各种等级道路建设中的桥面铺 装、伸缩缝处理中采用了大量钢纤维混凝土。天津 市也在许多道路工程中应用了钢纤维混凝土,如近 几年在外环线改造工程、津围道路改造工程、京沈等 高速道路工程的桥面伸缩缝面层处理及部分路段的 复合材料的主要原料之一。虽然玻璃纤维己用于铺 设混凝土路面,但是,由于普通玻璃纤维的碱腐蚀性 差,并不适合于硅酸盐水泥混凝土中使用,使其难以 大量应用 由于耐碱玻璃纤维的成本较高,目前还 难以大量应用于水泥混凝土工程中。随着材料技术 的不断发展,耐碱玻璃纤维的成本也在不断下降,国 内外己有利用耐碱玻璃纤维进行桥梁加固的成功先 例,在不久的将来利用耐碱玻璃纤维生产的纤维混 凝土也将会在道路与桥梁工程中占有一定的地位。 此外,也可以采用非碱性水泥配制玻璃纤维水泥混 凝土,而且也有利用非碱性水泥配制玻璃纤维混凝 土用于道路或桥梁工程修补的成功实例。、 碳纤维(也称碳素纤维)是六十年代利用现代加 工技术生产的优质纤维材料开发研制的一种高性能 纤维。它具有抗拉强度和弹性模量都很高、化学性 质稳定、耐腐蚀性好、与其它混凝土粘结良好的优 点,过去主要应用于航天与特殊民用行业。近十年 来,随着材料技术的发展,其生产成本的不断下降, 人们开始意识到它在土建工程中的应用前景,并进 行了大量的有关应用研究。目前的研究结果表明, 碳纤维混凝土的性能十分优良,与普通混凝土相比 它不仅可以避免各种开裂和环境腐蚀的破坏,而且 抗拉强度可提高1O倍左右,弯曲韧性可提高2O倍 以上。此外碳纤维可以代替加强钢筋,使混凝土结 构可以满足某些特殊的要求 目前在桥梁加固工程 中已得到较广泛的应用。例如在某些桥梁加固维修 工程中采用碳纤维混凝土加固技术已取得了较理想 的效果。虽然目前碳纤维的成本较高,尚不能大规 模应用,但是国内外对其应用技术的研究十分活跃, 应用碳纤维混凝土也将是发展未来道路与桥梁建设 工程科技中不可忽视的因素。 有机纤维混凝土是近十年来的后起之秀,随着 化学工业技术的进步,各种性能优良的合成纤维不 断出现,不断为改善混凝土性能提供更新的复合纤 维。目前以聚丙烯纤维为代表的各种有机纤维在改 维普资讯 http://www.cqvip.com
第3期 刘薇等:高性能混凝土在道路工程中的应用 16l 善混凝土性能方面已开始发挥重要的作用。常用的 能和环境好的优点,在道路工程中应用,可达到文明 有机纤维有尼龙纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维和聚 施工和快速开放交通的目的。并且经济和社会效益 酯纤维等。 显著,完全可以适应道路工程技术进步的要求,适应 其中,聚丙烯纤维与钢纤维相比,细度要大得 我国经济高速发展和加快现代化、城市化建设的需 多(当量直径0.02—0.1 mm),在较少的掺量下就 要,值得大力推广应用。随着科学技术的进步,高性 能获得巨大的纤维根数(700—3000万根/kg),因此 能混凝土的开发应用还将会进一步发展。今后,对 在材料中的纤维间距小。如能保证聚丙烯纤维充分 于高性能混凝土科学的理解应该是”与一定历史阶 分散和纤维基体问有足够粘结强度时,上述特点使 段和工程实际相适应的性能”。因此,我们还要不断 聚丙烯纤维能有效早期(塑性期和硬化初期)水 努力,使高性能混凝土技术更加完善并得到广泛的 泥基材料由于离析、泌水、收缩等因素形成的原生裂 推广使用。 隙的发生和发展,减小原生裂隙的数量和尺度。而 参考文献: 原生裂隙通常是水泥基材料破坏或性能劣化的起 [1]Henry G.Russell。ACI Defines high Performance con- 源。由于早期水泥基材料自身的抗拉强度很低,因 crete,Vo12 1 Concrete international[J],Februaryl, 此聚丙烯纤维的阻裂能力与纤维的抗拉强度、弹性 1999. 模量等指标并不明显相关,而随纤维细度的增大、基 [2]Shigen Li,David G Geissert。Gregory C.Frantz,and 材中纤维间距的减小而增强。通过以上分析可见, Jack E.Stephens,Freeze—Thaw Bond Durability of 聚丙烯纤维和钢纤维的阻裂效应不可相互替代,因 Rapid—Setting Concrete Repair Materials[J]。ACI Materials Journal/March—April 1999. 为它们分别改善了不同时期水泥基材料的性能 ]。 [3]尹健,周士琼,高性能快速修补混凝土的研究与应用, 对于路面桥面水泥基材料,钢纤维在材料裂后方能 高强与高性能混凝土及其应用第四届学术讨论会论文 发挥的阻裂效应并无实际的意义,而水泥基材料在 集[c],2001年1o月. 早期易发生塑性开裂的性能缺陷,却有可能通过掺 [4]徐至钧.纤维混凝土技术及其应用[M].北京:中国建 入聚丙烯纤维得以解决或改善。 筑工业出版社,2003 [5] 吴中伟.纤维增强一水泥基材料的未来.纤维水泥制品 4 结语 行业论文选集[C].(I965—1999). 综上所述,高性能快速修补混凝土和纤维增强 [6] 曹诚。刘兰强.关于聚丙烯纤维对混凝土性能影响的几 高性能混凝土均具有早强、抗裂、抗冲击、抗弯高性 点认识.混凝土[J]。2000,9;49—51. (上接第164页) 对沿线高边坡病害的监测,不可 分析为主查清每一段边坡的基本地质条件,确定其 能逐点采用,仅选择复杂有代表性的工点监测,并分 坡体结构和岩体结构,判断分析边坡是否产生变形 治理工作的不同阶段分步实施。 破坏、变形破坏的性质,以及稳定性等,此为边坡防 3,5 特殊工点施工地质编录及必要的变更优化设 护工程设计的关键。 计阶段 , 高边坡的地质工作为此必须采用”地质追踪、动 随着边坡的开挖,根据现场揭露的实际地质情 态设计”,随施工进行加深地质工作,根据实际地质 况和施工期间发生的边坡变形破坏的特征,进一步 情况完善设计。 补充和完善地质资料,及时反馈设计基础资料和计 以上是作者根据生产实践,结合高边坡工程特 算参数,全程贯彻动态设计的思想,必要时进行工程 点的勘察设计工作的体会,与同行讨论,希望今后对 设计变更和优化,可确保工程达到经济合理且安全 类似工程有所帮助。 可靠的目的。 参考文献: [1]霍明.山区高速公路勘察设计指南[M].北京:人民交 4 结论 通出版社,2003. 高边坡治理工程的地质工作是在分析区域地质 [2]交通部第一公路勘察设计院.公路工程地质勘察规范 环境和地质构造格局的基础上,以场地结构面调查 (J TJ 064—98)[S].北京:人民交通出版社,I999.
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