聚丙烯纤维混凝土在石圳大桥桥面铺装修复中的综合运用研究

赖水生

(福建省龙岩市公路局)

1 工程概况及病害情况

石圳大桥位于G205线福建省龙岩市上杭县旧县乡，见图1，中心桩号为K2457+917，全长217.58 m，与汀江河斜交30°，上部结构为预应力混凝土简支T梁，桥跨组合为9×20 m，连城侧还设有一座通道涵。桥面净空为行车道9 m+人行道2×1.50 m，桥面纵坡0%，设计荷载为汽-20，挂-100。该桥原设计桥面铺装为厚10～17 cm的C30混凝土，桥面铺装钢筋直径6.5 mm，纵、横向间距15 cm。

图1 石圳大桥桥型布置图

该桥于1997年建成通车，交工验收时检查发现横隔板错位，桥整体性差，现经过多年的运营，桥面铺装T梁铰缝处出现纵向贯通裂缝、混凝土局部碎裂，T梁铰缝出现露筋等病害，并经观察病害有发展。上杭台背填料不密实下沉导致右侧翼墙外突、墙体产生纵向水平贯通裂缝。上述病害的存在导致桥梁整体性比以前更差，重车过桥甚至速度较快的空车过桥时，桥梁就会产生较大挠度，已威胁到桥梁的安全使用。

2 破坏原因分析

2.1 桥面铺装病害原因分析

根据该桥病害特征及竣工资料分析，认为产生病害的主要原因是:

(1)施工质量较差，T梁横隔板错位，搭接不整齐，T梁间铰缝钢筋未按规范要求相互交叉焊接成整体，造成上部结构各T梁间的横向联结薄弱，所以T梁铰缝处的混凝土铺装层首先产生了纵向贯通裂缝。

(2)交通量的急剧增加以及超重超限车辆的不断增多，加剧了裂缝的发展。

(3)台背填料不密实、下沉，导致桥头路面开裂。

桥面铺装层直接受行车荷载和环境温度等因素的影响，其质量直接影响桥梁的使用效果。现有的桥面铺装层主要采用水泥混凝土和沥青混凝土结构，普通公路上的桥梁主要采用水泥混凝土结构，但水泥混凝土具有抗拉强度低、抗冲击与疲劳性能差、易开裂、抗渗性差等缺陷，而且桥面铺装厚度不可能太大，所以水泥混凝土桥面铺装层在当前重载交通越来越多的交通环境下往往容易出现早期裂缝，这些裂缝加速了钢筋的腐蚀和混凝土的破坏，对后期的结构受力、抗渗耐久性等产生不良影响，导致其寿命缩短，维修费用增加，甚至威胁到整段公路的安全畅通，所以必须采取有效措施进行整治。

2.2 桥台侧翼墙外鼓、裂缝原因分析

经调查，桥台侧翼墙外鼓、出现纵向水平裂缝的原因主要是施工质量问题，砌体分层砌筑施工中未先洒水湿润下层砌体、未坐浆、砌筑工艺差、砂浆不饱满、挡墙后未按规定设置反滤层、墙后未按规范回填等问题，必须拆除重砌。

3 维修加固技术研究

3.1 桥面铺装裂缝处理技术

为确保桥梁的运营安全，提高该桥的承载能力，采用人工凿除原桥面铺装混凝土，用C40聚丙烯纤维混凝土对桥面铺装层进行补强加固，具体方案及施工控制要点如下:

(1)T梁顶板植埋锚固钢筋

浇筑新桥面铺装层混凝土前，梁顶表面应凿毛成凹凸不小于4～6 mm的粗糙面，无表面浮浆，骨料清晰外露，并采用高压水充分冲洗，去除杂物，使其表面清洁、湿润后，才能浇筑桥面铺装混凝土。为使新铺桥面铺装混凝土与T梁整体受力，在T梁顶板植埋锚固钢筋。锚固钢筋采用直径12 mm的HRB335钢筋，用环氧树脂砂浆或锚固剂将锚筋锚入T梁内6 cm，以铰缝为中线对称设置，纵向间距20 cm，横向间距15 cm，在铰缝两侧加密设置，在T梁中间设置一排锚筋，纵向间距50 cm，锚孔的位置应根据具体情况作相应调整，应尽可能不损伤T梁，锚孔应清理干净，确保锚筋牢固锚入T梁，并与桥面铺装的钢筋网筋相焊接以保证新铺桥面铺装混凝土与T梁整体受力。

(2)T梁间设置钢筋加强联结

增设铰缝横向联结钢筋，采用直径16 mm的HRB335钢筋，长70 cm，间距20 cm，以加强铰缝横向传力，增强上部承重构件的横向联系，同时起到了增强桥面铺装层与T梁间新旧混凝土粘结性的作用，使汽车荷载能均匀地从桥面铺装层传递到T梁。

(3)钢筋网补强加固

为加强桥梁的横向联结，提高桥梁的整体承载力，桥面铺装钢筋采用单层钢筋网，钢筋采用直径为12 mm的HRB335钢筋，纵、横向钢筋间距10 cm。

(4)原铺装层全部人工凿除重铺C40聚丙烯纤维混凝土，更新置换伸缩缝

凿除作业不得使用大型机械，且不得集中作业，以免产生过大的冲击和震动破坏桥梁，造成安全问题。在桥面铺装铺筑前应将桥面清洗干净。桥面铺装采用厚12～17 cm C40聚丙烯纤维混凝土，同时掺加早强剂。

伸缩缝采用GQF-MZL型伸缩缝，全桥在0#台、4#墩、9#台处共设3条伸缩缝，其它墩顶处设桥面连续。桥梁伸缩缝装置采用异型钢材设计的桥梁伸缩缝装置，该伸缩装置的承重结构和位移控制系统分开，能适应大位移量伸缩。

3.2 聚丙烯纤维混凝土维修加固技术及施工工艺

由于聚丙烯纤维混凝土具有轻质、抗拉强度高、抗冲击和抗裂性能好、化学稳定性好等优点，使混凝土的能量吸收能力和延性提高，抗弯强度和疲劳极限也有所提高，从而增加结构的抗震能力，基于以上的优点，该项目中采用C40聚丙烯纤维混凝土(PFRC)进行桥面铺装的重铺。聚丙烯纤维分为单丝纤维和网状纤维，单丝聚丙烯纤维一般使用于细石混凝土，该项目采用纤维长度为19 mm的聚丙烯网状纤维。

原材料方面，该项目采用广东塔牌集团股份有限公司生产的P.O 52.5R塔牌水泥;细集料采用中粗砂，细度模数2.98;粗集料分两档，粒径范围分别为4.75～19 mm、19～26.5 mm，压碎值8.3%，针片状4.7%;外加剂采用CNF-3引气缓凝高效减水剂，掺量1%;外掺料采用聚丙烯网状纤维，掺量1 kg/m3。混凝土水灰比采用0.36，单位用灰量412 kg/m3，坍落度35～50 mm，设计配合比见表1。

表1 石圳大桥聚丙烯纤维混凝土设计配合比

在施工配合比设计时对相同材料、同时制作且制作成型和养护条件完全相同、的掺加聚丙烯纤维和未掺的4组混凝土试件分别进行了抗压强度和抗折强度的试验比对，试验结果表明，掺加聚丙烯纤维的抗压强度可提高约11%，抗折强度可提高约7%，见表2。

表2 石圳大桥聚丙烯纤维混凝土抗压、抗折强度对比试验结果

聚丙烯纤维混凝土施工工艺要求及注意事项如下:

①保证纤维材料充分均匀分散。

②粗细集料的粒径应在规范允许范围内。

③按照配合比用量各种材料应正确计量

④先下砂和碎石再加入聚丙烯纤维，然后加入水泥，最后加水在强制式搅拌机均匀拌和，搅拌时间长短以纤维能在砂浆中的均匀分布为度。

⑤采用高频振捣器，避免欠振与过振，要保证聚丙烯纤维混凝土较好的密实性。

⑥抹面时不要使用过粗糙的工具，以免带出纤维，抹面次数也不宜过多，以免影响纤维网对抑制塑性裂缝的作用。

⑦及时养护工作，保证聚丙烯纤维混凝土早期强度的增长。

3.3 桥台侧翼墙外鼓、裂缝维修加固措施

拆除损坏的桥栏杆和上杭台右侧翼墙，采用7.5#浆砌片石进行修复。对上杭台桥头下沉路段，采取路面挖除后换填1 m深的砂砾，路面结构为25 cm厚的水泥混凝土面层+15 cm厚5%水泥稳定碎石基层，面层设单层钢筋网补强，钢筋为直径12 mm的HRB335钢筋，纵向钢筋间距10 cm，横向钢筋间距20 cm，横向钢筋位于纵向钢筋之下。

4 工程效果评价及技术总结

4.1 工程效果评价

(1)短钢筋锚固力检测

锚固钢筋控制拉拔应力为8 MPa，24 h后共抽检30根，经检测其拉拔力均大于10 MPa，满足设计要求。

(2)聚丙烯纤维混凝土强度检测

现场抽取聚丙烯纤维混凝土抗压试块4组，抗折试件4组，分别检测7 d、28 d强度，检测结果表明，抗压强度和抗折强度均满足设计要求，见表3。

表3 石圳大桥聚丙烯纤维混凝土强度检测结果

(3)经检测，聚丙烯纤维混凝土桥面铺装施工质量符合规范要求，且通车运营至今，未发现有裂缝及其他任何病害，证明修治结果是确实可行而有效的。

(4)经维修加固桥台侧翼墙外鼓、裂缝等病害已消除。

4.2 技术总结

聚丙烯纤维混凝土(PFRC)具有质量轻、抗拉强度高、抗冲击和抗裂性能好、化学稳定性好等优点，此外，由于聚丙烯纤维可代替部分钢筋而降低混凝土的自重，提高了混凝土的能量吸收能力和延性，增加了结构的抗震能力，特别适合桥面铺装的受力特性。同时聚丙烯纤维与钢纤维相比具有掺配简单、施工方便、价格相对低廉的优点，因此，适用性更广，值得在桥梁的维修加固特别是桥面铺装中广泛应用。

对比试验结果表明，聚丙烯纤维混凝土虽可提高混凝土的抗弯拉和抗压强度等，但提升比率不大，这是由于聚丙烯纤维不含极性基团也没有化学活性基团，与混凝土中的水泥相溶性差，水泥不易附在纤维表面，减弱了聚丙烯纤维的增强作用，所以应加强聚丙烯纤维的表面极性的研究，改善纤维与水泥的粘结力，进一步提高了聚丙烯纤维混凝土的抗折性能和抗压性能。