道路橋梁施工中鋼纖維混凝土技術(shù)應(yīng)用探討

李紅旗

（長(zhǎng)江重慶航道工程局，重慶 400011）

前言

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的迅速發(fā)展，我國(guó)居民對(duì)建筑工程質(zhì)量要求越來(lái)越高，為了增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度，在工程施工中一般在普通的混凝土中加入一定量的鋼纖維混合成鋼纖維混凝土，以此來(lái)改善混凝土的拉伸強(qiáng)度，增加其承載能力，鋼纖維混凝土在我國(guó)的基礎(chǔ)建設(shè)工程中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。

1 鋼纖維和鋼纖維混凝土的性能概況

1.1 鋼纖維基本性能

鋼纖維按其制造方式分為切斷鋼纖維、剪切鋼纖維、切削鋼纖維和熔抽鋼纖維4種。

切斷鋼纖維抗拉強(qiáng)度高，但與水泥沙漿的界面粘結(jié)性較差。對(duì)鋼纖維表面進(jìn)行變形處理，制成表面有刻痕的、末端帶鉤的、波紋形的鋼纖維，或者圓截面與扁平截面交替的呈規(guī)律性變化的鋼纖維可以改善其力學(xué)性能。當(dāng)用廢鋼絲繩切斷而成時(shí)，必須進(jìn)行除油污和除銹處理。

剪切鋼纖維由剪切冷軋薄板制得，厚0.2～0.5mm，寬 0.25～O.9mm，抗拉強(qiáng)度為 450～800MPa，與水泥砂漿的粘結(jié)性比切斷鋼纖維好。

切削鋼纖維由旋轉(zhuǎn)的銑刀切削軟鋼錠或厚鋼板制得，強(qiáng)度比原材料有較大提高，截面呈三角形，與水泥混凝土的粘結(jié)較好。熔抽鋼纖維由熔融的鋼水甩制而成，纖維強(qiáng)度因熔鋼成分與熱處理?xiàng)l件而異，表面不規(guī)則且有一層強(qiáng)度很低的氧化層。氧化層盼存在降低了鋼纖維與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度。

鋼纖維的彈性模量與抗拉強(qiáng)度都比較高，大約為水泥基材的5倍以上。同時(shí)鋼纖維也可以制成各種變截面形狀，以增加與水泥基材之間的握裹力。

1.2 鋼纖維增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度機(jī)理

鋼纖維在混凝土中的主要作用，在于限制外力作用下基體中裂縫的擴(kuò)展。在受荷(拉、彎)初期，水泥基料與鋼纖維共同承受外力，而前者是外力的主要承受者：當(dāng)基料發(fā)生開(kāi)裂后，橫跨裂縫的鋼纖維成為外力的主要承受者。若鋼纖維體積摻量超過(guò)某一臨界值，整個(gè)復(fù)合材料可繼續(xù)承受較高的荷載，并產(chǎn)生較大的變形，直到鋼纖維被拉斷或鋼纖維從基料中被撥出，以至復(fù)合材料破壞。

1.3 鋼纖維混凝土的基本性能

鋼纖維混凝土是在普通混凝土中，均勻地亂向分布一定量的鋼纖維，經(jīng)硬化而得，與普通混凝土相比，具有一系列優(yōu)越的物理力學(xué)性質(zhì)：

1.3.1 強(qiáng)度與重量比值增大。

1.3.2 較高的抗拉、抗壓和抗彎的極限強(qiáng)度。在混凝土中摻入適量鋼纖維，其極限抗壓強(qiáng)度可以提高，單軸抗拉極強(qiáng)度可提高40%～50%，抗彎極限強(qiáng)度可提高50%～150%。

1.3.3 良好的抗沖擊性能。鋼纖維混凝土在纖維摻量為0.8%～2.O%時(shí)，其沖擊韌性指標(biāo)可提高50～100倍，甚至更高。

1.3.4 變形性能明顯改善。鋼纖維對(duì)混凝土抗壓彈性模量影響不顯著，但對(duì)抗拉彈性模量提高較多，鋼纖維對(duì)混凝土長(zhǎng)期收縮變形的影響也較明顯，鋼纖維可使混凝土的收縮率降低10%～30%。

1.3.5 抗裂和抗疲勞性能顯著提高。

1.3.6 優(yōu)越的抗剪性能。

1.3.7 良好的阻止和抑制因溫度應(yīng)力引起裂縫產(chǎn)生與擴(kuò)展的能力。

1.3.8 良好的抗凍性與耐磨性能。

1.4 影響鋼纖維混凝土性能的主要因素

鋼纖維混凝土性能受鋼纖維類型、鋼纖維摻量、鋼纖維長(zhǎng)徑比、砂率、粗骨料最大粒徑、減水劑、摻和料等因素的影響。其中鋼纖維類型、鋼纖維摻量和鋼纖維長(zhǎng)徑比是影響鋼纖維混凝土性能的主要因素。當(dāng)鋼纖維混凝土用于路面材料時(shí)，由于面層板較薄，因而受地下排水狀況的影響較大。

2 路橋施工中鋼纖維混凝土的應(yīng)用

2.1 道路施工中鋼纖維混凝土的應(yīng)用

由于鋼纖維混凝土路面具有減薄鋪裝厚度、縱縫不設(shè)或少設(shè)、橫向縮縫少、良好的耐磨性及凍融性等優(yōu)點(diǎn)，延長(zhǎng)路面使用壽命，從而在路面工程中獲得廣泛應(yīng)用。

2.1.1 新建全截面鋼纖維混凝土路面

全截面采用鋼纖維混凝土的路面厚度為普通混凝土路面厚度的5O%～60%，鋼纖維摻量為0.8%～1.2%。雙車道路面一般不設(shè)縱縫，橫縫間距20～30m，最長(zhǎng)可取50m。

2.1.2 新建復(fù)合式鋼纖維混凝土路面

復(fù)合式路面可以做成雙層式或三層式。雙層式路面的構(gòu)造是在全路面板厚的上層約全厚40%～60%鋪設(shè)鋼纖維混凝土。三層式復(fù)合路面是上下兩層分別做成鋼纖維混凝土層，中間夾普通混凝土層。結(jié)構(gòu)上比較合理，但施工復(fù)雜。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，三層式復(fù)合路面宜在機(jī)械化鋪設(shè)條件較高的地區(qū)使用。此外，還可以采用鋼纖維鋼絲網(wǎng)混凝土復(fù)合式路面。

2.1.3 碾壓鋼纖維混凝土路面

將鋼纖維置于碾壓混凝土中，從而使路面的強(qiáng)度和韌性增強(qiáng)，改善碾壓混凝土的力學(xué)性能。

2.1.4 鋼纖維混凝土罩面

舊混凝土路面損壞采用鋼纖維混凝土鋪筑罩面層。鋼纖維混凝土罩面分結(jié)合式、直接式、分離式3種結(jié)合。結(jié)合式罩面面層與舊混凝土相互粘結(jié)為一整體，共同發(fā)揮結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度作用。分離式罩面層與舊混凝土不粘結(jié)，而是中間設(shè)置?個(gè)隔離層，各層獨(dú)立發(fā)揮作用。直接式是直接在舊水泥混凝土面層上加鋪鋼纖維混凝土罩面層。一般用于損壞較輕微的舊水泥混凝土路面。

2.1.5 鋼纖維水泥砂漿或鋼纖維細(xì)石混凝土罩面修補(bǔ)

用鋼纖維水泥砂漿或鋼纖維細(xì)石混凝土對(duì)損壞的路面進(jìn)行修補(bǔ)罩面。鋼纖維體積率以1%～2%為宜，長(zhǎng)徑比可略高于鋼纖維增強(qiáng)混凝土的長(zhǎng)徑比。一般限制在70～l00范圍內(nèi)。

2.1.6 在多年凍土地區(qū)用于抗凍

在多年凍土地區(qū)選用鋼纖維混凝土路面以減少吸熱，并維持凍土熱平衡和提高抗凍性。

2.2 橋梁施工中鋼纖維混凝土的應(yīng)用

2.2.1 橋面鋪裝

采用鋼纖維混凝土橋面鋪裝層不僅可以增強(qiáng)橋面的抗裂性、耐久性和提高舒適性能，還可以增強(qiáng)橋梁抗折強(qiáng)度，增加橋梁本身剛度，減少鋪裝厚度，降低結(jié)構(gòu)自重，改善橋梁受力狀況。此外，采用鋼纖維混凝土和橡膠瀝青混凝土復(fù)合的雙層橋面也是一種有效措施。

2.2.2 橋梁墩臺(tái)等結(jié)構(gòu)局部加固

對(duì)動(dòng)載長(zhǎng)期作用下造成的橋梁墩臺(tái)及橋面板裂縫或表層剝落病害，采用轉(zhuǎn)子II型噴射機(jī)噴射5～20cm鋼纖維混凝土以滿足結(jié)構(gòu)的整體性和抗震性要求。一般鋼纖維類型采用剪切鋼纖維，摻量為1.0%：采用硫鋁酸鹽快硬水泥和TS型速凝劑提高早期抗裂性能：對(duì)舊混凝土表面噴砂或鑿毛，增加新舊混凝土的整體性。

2.2.3 鋼筋混凝土樁加強(qiáng)

采用鋼纖維混凝土對(duì)樁頂或樁尖局部增強(qiáng)，樁的穿透力有較火提高，錘擊次數(shù)減少，大大提高打擊速度。一般在樁頂和樁尖部位采用鋼纖維混凝土，增強(qiáng)樁頂?shù)目箾_擊韌性，避免樁頂在打入設(shè)計(jì)深度以前出現(xiàn)破裂，并增加樁尖入土能力，提高打擊速度。樁身部分仍用預(yù)應(yīng)力或非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土。當(dāng)然也可以全斷面整體澆筑鋼纖維混凝土，但其經(jīng)濟(jì)效益會(huì)有所下降。所以，應(yīng)經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較決定。

2.3 采用噴射鋼纖維混凝土襯砌隧道和邊坡防護(hù)加固

采用噴射鋼纖維混凝土襯砌隧道是一種有效的技術(shù)措施。具有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性和防止隧道滲漏水的作用。在邊坡巖石節(jié)理裂隙發(fā)育的地質(zhì)不良地段，采用普通混凝土支護(hù)并用噴射鋼纖維混凝土加強(qiáng)或全截面采用噴射纖維混凝土支護(hù)加固。

3 鋼纖維混凝土設(shè)計(jì)

鋼纖維混凝土配合比可以根據(jù)普通混凝土配合比的選擇原則，通過(guò)試驗(yàn)最后決定。首先應(yīng)選擇與基材強(qiáng)度相適應(yīng)的鋼纖維品種，鋼纖維極限抗拉強(qiáng)度應(yīng)大于500MPa。圓直和熔抽鋼纖維適宜配制中低標(biāo)號(hào)混凝土，剪切鋼纖維可配制高標(biāo)號(hào)混凝土。鋼纖維含量以0.5～2.0%為宜。為使鋼纖維混凝土力學(xué)性能與施工和易性要求盡量一致，對(duì)鋼纖維長(zhǎng)徑比應(yīng)加以控制，同時(shí)還應(yīng)考慮鋼纖維的最小直徑。鋼纖維最小直徑不應(yīng)小于0.40mm，一般應(yīng)控制在0.45～0.70mm左右：鋼纖維的長(zhǎng)度不應(yīng)過(guò)長(zhǎng)。在正常攪拌機(jī)拌和時(shí)，長(zhǎng)徑比應(yīng)控制在50～80鋼纖維細(xì)石混凝土的砂率應(yīng)高于相同標(biāo)號(hào)的普通混凝土。為保證鋼纖維同基體牢固結(jié)合，通常采用粒徑較小主骨料，最大粒徑為10～20mm。為改善混合料施工和易性，減少水泥用量和降低成本，可采用減水劑或其它外摻劑。注意鋼纖維外觀必須潔凈、無(wú)銹、無(wú)油污，并不含其它雜質(zhì)和碎屑。

4 鋼纖維混凝土施工技術(shù)

鋼纖維混凝土的施工，按其施r：方法來(lái)分有澆注鋼纖維混凝土、噴射鋼纖維混凝土和灌漿鋼纖維混凝土。鋼纖維混凝土道橋丁程質(zhì)量的優(yōu)劣，在很大程度上取決于施工質(zhì)量。因此，在鋼纖維混凝土施丁時(shí)，除了滿足普通混凝土的旌工要求外，還應(yīng)特別重視鋼纖維給施工帶來(lái)的技術(shù)問(wèn)題，確保鋼纖維均勻分布在基體中。

4.1 設(shè)置鋼纖維分散裝置

由于鋼纖維一次性直接投入攪拌機(jī)易出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，為使鋼纖維充分分散，宜將鋼纖維通過(guò)分散機(jī)再進(jìn)入攪拌機(jī)。分散機(jī)功率宜為0.75～1.0kW，分散力宜為20～60kg／min。鋼纖維應(yīng)事先與細(xì)骨料定量拌合均勻或選擇直徑較粗、材質(zhì)較好的纖維，并在料斗入口處設(shè)置振動(dòng)篩。

4.2 攪拌投料順序和攪拌時(shí)間

為防止鋼纖維結(jié)團(tuán)，需采取分級(jí)投料，先干后濕工藝。即按砂一鋼纖維一碎石一水泥?；旌土舷仍跀嚢铏C(jī)內(nèi)干拌1min，然后加水和外加劑濕拌2min。

4.3 采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)

鋼纖維混凝土攪拌機(jī)，一般最好使用強(qiáng)制式攪拌機(jī)和雙錐反轉(zhuǎn)出料攪拌機(jī)。當(dāng)纖維摻量較高和坍落度較小時(shí)，為不使攪拌機(jī)超負(fù)荷工作，攪拌機(jī)的利用率相應(yīng)有所降低。

4.4 澆注和振搗

鋼纖維混凝土在澆注時(shí)，不得有明顯的澆注接頭。每次倒料必須相壓15～20cm，使鋼纖維混凝土保持整體連續(xù)性。同時(shí)，鋼纖維混凝土的澆注必須連續(xù)進(jìn)行。因使用插入式振動(dòng)棒插入鋼纖維混凝土進(jìn)行振搗，會(huì)使鋼纖維朝振動(dòng)著的振動(dòng)棒聚集，產(chǎn)生集束效應(yīng)，為確保鋼纖維的二維分布，宜使用平板振動(dòng)器振搗成型。當(dāng)采用振搗棒時(shí)，為保證邊角混凝土密實(shí)，應(yīng)使鋼纖維縱向條狀集束排列有利于抵抗板體收縮應(yīng)力、溫度應(yīng)力及荷載的傳遞。振搗好的混凝土表面應(yīng)抹平，將外露的鋼纖維壓入混凝土中，以防止露出表面的纖維銹蝕或刺人。

4.5 成型

鋼纖維混凝土具有粗骨料細(xì)、砂率大、纖維亂向分布的特點(diǎn)，因此鋼纖維混凝土路面宜采用真空吸水工藝，機(jī)械抹平以防止鋼纖維外露。采用壓紋機(jī)壓紋工藝以避免拉毛產(chǎn)生纖維外露現(xiàn)象。拆模后對(duì)纖維外露或漏振時(shí)，應(yīng)及時(shí)處理。

4.6 接縫施工

鋼纖維混凝土的收縮性小、抗裂性能好。有條件封閉交通的施工路段，采用混凝土攤鋪機(jī)可做成整幅式，不設(shè)縱縫。鋼纖維澆筑養(yǎng)生達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度50%后切鋸縮縫。

4.7 運(yùn)輸

鋼纖維混凝土在運(yùn)輸過(guò)程中，坍落度和含氣量都會(huì)有損失，拌和物稠度下降。由于在運(yùn)輸時(shí)受到振動(dòng)使鋼纖維下沉，影響了鋼纖維混凝土的均勻性。因此鋼纖維混凝土的運(yùn)輸距離應(yīng)盡量縮短，料斗出口尺寸要大一些。有條件時(shí)也可以采用泵送。

5 結(jié)語(yǔ)

5.1 鋼纖維混凝土是一種新型的優(yōu)質(zhì)水泥基復(fù)合材料，可以實(shí)現(xiàn)按照使用要求設(shè)計(jì)材料的目的。隨著鋼纖維生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步和基礎(chǔ)理論的不斷完善，鋼纖維混凝土在路橋工程的應(yīng)用將進(jìn)一步拓寬。

5.2 采用復(fù)合路面結(jié)構(gòu)是充分發(fā)揮鋼纖維混凝土路用性能和降低工程造價(jià)的有效途徑。

5.3 重視鋼纖維混凝土的施工，是保證其質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

5.4 開(kāi)發(fā)砂漿滲澆高含量鋼纖維和采用聚合物浸漬鋼纖維混凝土進(jìn)一步提高鋼纖維混凝土的物理力學(xué)性能。

[1]徐平.鋼纖維聚合物混凝土機(jī)床基礎(chǔ)件靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及損傷機(jī)理研究[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2006.

[2]范小春.層布式鋼纖維混凝土基本性能與應(yīng)用研究[D].武漢理工大學(xué)，2008.

[3]郭艷華.鋼纖維混凝土增韌性能研究及韌性特征在地下結(jié)構(gòu)計(jì)算中的應(yīng)用[D].西南交通大學(xué)，2008.