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[原创] 解决桥梁伸缩缝的“沉疴” [复制链接]

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weixinyu 发表于 2017-11-10 17:16:43 |显示全部楼层 |          |
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解决桥梁伸缩缝的“沉疴”——振动搅拌高强高韧桥梁伸缩缝技术


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文/ 张飞龙 尚庆芳


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       2015年底中国桥梁数量已达到77.9万座,并且还在以每年2.7万座的速度迅速增长,中国桥梁的数量已经位居世界第一。但随着我国经济建设的迅猛发展,公路交通量急剧增大,公路上行驶车辆的行驶速度和轴重不断增加,使得我国桥梁由于伸缩缝的破坏而遭受不同程度毁坏的现象也十分严重。

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桥梁伸缩缝现状

       桥梁伸缩缝是桥梁结构的重要组成部分,因其长时间暴露在大气中,使用环境比较恶劣,是桥梁结构中最易遭到破坏而又较难以修补的部位。桥梁伸缩缝在设计、施工上稍有缺陷或不足,就容易引起早期破坏,如图1所示。轻则产生渗水、桥头跳车等,影响行车安全和舒适;重则出现错台、下沉现象,缩短桥梁寿命,引发交通事故。而桥梁伸缩缝的破坏,极有可能引起较大的车辆冲击荷载,使行车状况恶化,桥梁使用寿命急剧降低。

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图1 伸缩缝早期损坏

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       常见的伸缩缝病害有:混凝土破损、伸缩缝松动及伸缩缝翘起。这些病害主要是由于混凝土与钢材的粘结力不足引起的。另外出现上述病害的成因还有:混凝土品质低、混凝土施工质量低、遭受除冰盐的破坏、保护层厚度离散性较大以及车辆超载等。病害成因混凝土品质低、混凝土施工质量低的具体体现为:混凝土设计标号不够、运输过程中的强度损失,并且大量施工作业还在以翻斗车、拖拉机、农用车及手动工具为主的粗放型生产方式进行,如图2所示的两种常见的混凝土生产方式,造成混凝土的生产速度低、生产质量下降。另外还经常出现“等料难”的现象。

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高强高韧伸缩缝混凝土

       高强高韧伸缩缝混凝土是通过掺入适量体积、经特殊工艺处理过的高性能有机纤维,以提高材料的抗拉应变,并通过振动搅拌技术,实现混凝土的高强度和高粘结性。

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图2 桥梁伸缩缝混凝土生产方式


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       高强高韧伸缩缝混凝土的优点是,抗拉应力可以随应变的增大而逐渐提高,并且极限应变可以增大到普通混凝土、钢纤维混凝土的百倍以上(如图3所示),使得混凝土材料的抗拉、抗弯能力在一定程度上得到提高。如图4所示,普通混凝土材料的裂缝宽度约3.8mm,而高强高韧混凝土的裂纹宽度比普通混凝土的小几十倍,可以极大提高结构的耐久性。


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图3 混凝土的应变-应力曲线图

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图4 混凝土的疲劳开裂曲线

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车载式高强高韧搅拌装置

       车载式高强高韧混凝土振动搅拌装置是在汲取众多桥梁设备施工经验的基础上,融合振动搅拌混凝土关键技术,顺应现代桥梁养护管理发展趋势而开发的一款新型设备,将大幅提升桥梁伸缩缝施工效率与质量、延长桥梁及其伸缩缝的使用寿命。

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振动搅拌设备的研发理念和特点

       工程施工中对于混凝土的拌和、运输,主要是依靠强制式混凝土拌和站和混凝土运输罐车来实现。根据混凝土工程量的大小,目前市场上混凝土拌和主机以1m3~3m3为主,较小方量混凝土拌和主机主要有0.5m3和0.75m3。工程建设和养护过程中,经常出现对混凝土的数量需求不大于200L~300L。但对混凝土质量要求较高的情况,根据实际施工条件,需要一种使用方便、转运灵活、能保证拌和物质量的设备。

       在2016年11月举行的全国桥梁学术年会上,车载式特殊混凝土振动搅拌设备的设计研发思路、创意与成果,赢得了“桥梁技术与产品创新最佳孵化奖”。

       车载式高强高韧振动搅拌装置的工作性能高,施工机动灵活、效率高,对于多种高性能混凝土搅拌适应性强。


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图5 振动搅拌装置图

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图6 伸缩缝施工专用车


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振动搅拌的原理及优势

       传统强制搅拌方式使混合料发生周向运动、轴向运动以及径向运动。其主要缺陷在于:微观上并未达到均匀,界面联结强度低;传统搅拌机搅拌装置存在速度梯度和搅拌低效率区域;搅拌装置的最大线速度受限制,搅拌时间长,多材料适应性差等。

       而振动搅拌方式为对流运动+扩散运动,比普通搅拌机搅拌频率高,同时搅拌装置每分钟又释放1500次以上振动弹力波,对混合料撞击能量能够达到静力搅拌机至少10倍以上,使得水泥颗粒一直处于震颤状态,从而破坏粘聚的水泥团单元体。由于混合料的运动速度加大,增加了物料颗粒间的有效碰撞次数。振动作用净化了粗集料表面,增加了水泥与粗集料的粘结力以及集料颗粒表面水化生成物向液相扩散的速度,使水泥水化速度加快。水泥等细集料充分弥散,水泥水化更加充分,水泥水化产物与骨料表面牢固粘结,强度耐久性及耐冲刷性等指标明显提升。振动搅拌与传统搅拌的对比分析示意图如图7所示。

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图7 振动搅拌对传统搅拌的优化效果示意图


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图8 混合料微观对比图(传统搅拌试样振动搅拌试样)


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       从图7、图8中可知,振动搅拌不仅提高了混凝土的均匀性,还提高了混凝土的抗裂性。大量数据分析表明,振动搅拌装置的机械结构以及拌和效果都优于传统搅拌,对混凝土的材料节约与性能提升起到了重要的作用。从经济性分析来看,振动搅拌高强高韧混凝土保证了施工质量、提高了施工效率、树立了安全文明形象、降低了养护费用。

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水泥混凝土振动搅拌的效果分析

       振动搅拌以其独有的工艺和技术,为水泥混凝土的发展做着不懈的努力。从混凝土施工和易性的改善,到力学性能的提高;从混凝土微观结构的改善,到耐久性能的提升,振动搅拌从各个方向有效地提高着混凝土的性能。


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表1 振动搅拌高强高韧混凝土性能指标


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表2 振动搅拌与强制搅拌机效果对比表

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表3 50基准配合比表(单位:kg)

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       1.C50混凝土搅拌对比分析——

       试验结果:振动组(Z—4),经试验坍落度245mm,倒坍落度桶排空时间5.9s;非振动组(F—4),坍落度227mm,倒坍落度桶排空时间7.0s。从试验结果可知,振动搅拌使C50混凝土的流动性有一定的提高,粘聚性有所降低。成型标准试件进行测试,振动搅拌试件7d的抗压强度平均值为50.4MPa,而普通搅拌试件的7d抗压强度平均值为46.9MPa,振动搅拌比普通搅拌使强度提高约5MPa。

       2.C30混凝土搅拌对比分析——

在新厂区的建设过程中,住宅区混凝土浇筑采用一半强制搅拌、一半振动搅拌的方式。标号为C30,搅拌混凝土的效果对比,如图9。从图中可以明显看出经振动搅拌后,混凝土的均匀性得到极大的提升。并且混凝土和易性好,容易施工,浇筑7d后强度提升5MPa左右。

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图9 振动搅拌与强制搅拌效果对比(振动搅拌强制搅拌)


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作者单位:河南万里路桥集团股份有限公司


编辑:裴小吟

美编:欣钰

审校:廖玲

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