淺談鋼纖維混凝土在遂廣高速公路橋面鋪裝的應(yīng)用

史玉波

（四川交投建設(shè)工程股份有限公司）

淺談鋼纖維混凝土在遂廣高速公路橋面鋪裝的應(yīng)用

史玉波

（四川交投建設(shè)工程股份有限公司）

高等級(jí)的公路橋面鋪裝工作不僅工作環(huán)境復(fù)雜，而且對(duì)于混凝土的抗拉性能和韌性亦有著更高的要求。本文基于此，以遂廣高速公路橋面的鋪裝為例，首先對(duì)鋼纖維混凝土的基本理論進(jìn)行了簡要分析，然后系統(tǒng)論述了遂廣高速公路鋼纖維混凝土橋面鋪裝的材料設(shè)計(jì)工作，最后對(duì)鋼纖維混凝土在遂廣高速公路橋面鋪裝的施工工藝的應(yīng)用進(jìn)行詳盡分析，望對(duì)相關(guān)的施工工作帶來一定的幫助。

鋼纖維混凝土；高速公路橋面；材料設(shè)計(jì)；施工工藝

1　引言

鋼纖維混凝土是近年來取得重大研究進(jìn)展的新型復(fù)合材料，相較于傳統(tǒng)的混凝土材料而言，鋼纖維混凝土通過滲入了適量鋼纖維提升了包括抗壓強(qiáng)度在內(nèi)的多項(xiàng)物理力學(xué)性能，并利用均勻分散的短鋼纖維使得屬于脆性材料的混凝土具有了一定的塑形。在受力過程中，鋼纖維和混凝土能夠發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，使得鋼纖維混凝土能夠具有抗彎、抗裂、抗疲勞等多項(xiàng)力學(xué)性能。由于近幾年來，我國早期建設(shè)的鋼筋混凝土橋面出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的破損，而從橋梁結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，大幅度提高橋面鋪裝層的厚度從而提升橋面承載能力的做法顯然是不可取的，故在這樣的背景下，具有一系列優(yōu)勢(shì)的鋼纖維混凝土開始在高等級(jí)的公路橋面工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

2　鋼纖維混凝土的基本理論分析

2.1混凝土的破壞機(jī)理

當(dāng)混凝土所受荷載達(dá)到某一水平時(shí)，混凝土內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一定的破壞，表面上出現(xiàn)肉眼可見的許多小裂縫，隨著荷載的進(jìn)一步加大，這些裂縫會(huì)進(jìn)一步蔓延并產(chǎn)生貫通。因此，整個(gè)混凝土的破壞過程與內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展過程息息相關(guān)。實(shí)踐表明，影響混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展過程的材料性能包括漿體和骨料的綜合強(qiáng)度、粘結(jié)能力以及可變形性等等。例如當(dāng)骨料的相對(duì)強(qiáng)度高于漿體時(shí)，砂漿中會(huì)因?yàn)楣橇系淖枇炎饔枚a(chǎn)生較多且表面曲折的分支裂縫。因此，無論是混凝土或砂漿，還是漿體強(qiáng)度較大的水泥漿體，整個(gè)真實(shí)斷裂面都大大超過肉眼觀測(cè)到的斷裂表面。

2.2鋼纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理

了解了混凝土的破壞機(jī)理后，如何提升混凝土的強(qiáng)度韌性也就成為了相關(guān)工程人員關(guān)心的話題。因此，鋼纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理是進(jìn)行鋼纖維混凝土性能設(shè)計(jì)的重要依據(jù)?，F(xiàn)階段所運(yùn)用的鋼纖維混凝土是在纖維增強(qiáng)塑料、纖維增強(qiáng)金屬的基本理論上發(fā)展而成中，其主要機(jī)理是纖維間矩理論，又稱纖維阻裂理論。該理論指出，如果想要從根本上增加混凝土這種本身具有一定的內(nèi)部缺陷的脆性材料的抗拉強(qiáng)度，就要對(duì)其在荷載作用下影響裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行控制。鋼纖維的加入實(shí)際上就能夠?qū)@種應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行控制，從而減緩裂縫尖端應(yīng)力的集中性，亦可以理解為在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形成和受力破壞的過程中，通過阻止裂縫發(fā)展，增大抗裂強(qiáng)度的途徑實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料受力前后阻止裂縫引發(fā)與擴(kuò)展的能力，達(dá)到了增強(qiáng)混凝土抗拉能力和韌性的最終效果。

3　遂廣高速公路鋼纖維混凝土橋面鋪裝的材料設(shè)計(jì)

3.1鋼纖維的選擇

如表1所示，鋼纖維混凝土的性能取決于原材料的質(zhì)量和不同拌和料的配合比設(shè)計(jì)。在鋼纖維的選擇中，需要注意以下幾個(gè)方面：

①廠家生產(chǎn)的鋼纖維分為380MPa、600MPa、1000MPa三個(gè)等級(jí)，對(duì)于常用的鋼纖維體積百分率在0.6～1.0%之間的鋼纖維混凝土，斷裂混凝土截面上轉(zhuǎn)換到鋼纖維承擔(dān)的應(yīng)力值除了與整個(gè)鋼纖維的抗拉強(qiáng)度相關(guān)以外，還受到了鋼纖維摻量控制，為了保障鋼纖維混凝土的使用壽命，實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)采用600MPa或1000MPa的鋼纖維。②所選用鋼纖維表面的需盡可能避免存在銹蝕、油污等雜質(zhì)，即使是因加工不良存在粘連片、鐵屑等雜質(zhì)，也不得超過整個(gè)鋼纖維總重量的1%，避免其對(duì)整個(gè)混凝土的強(qiáng)度產(chǎn)生影響。③鋼纖維長度必須大于粗集料的最大粒徑，長度和直徑偏差不得超過長度直徑公稱值的±10%，且最好能與混凝土的最大粒徑相匹配，避免在施工過程中面臨攪拌不均勻或是攪拌困難等難題。④保障鋼纖維的性能，例如形狀合格率不應(yīng)低于90%，施工過程中能夠承受一定的彎折等等。

表1　鋼纖維混凝土的強(qiáng)度分析

3.2聚丙烯腈纖維的使用

相較于聚丙烯纖維相比，聚丙烯腈纖維具有親水性強(qiáng)、強(qiáng)度更高、耐老化性能卓越等更多優(yōu)點(diǎn)，且明顯有利于混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等一系列性能的提升（見表2）。故遂廣高速公路的橋面鋪裝上將原設(shè)計(jì)10cm厚的鋼筋網(wǎng)片C40混凝土改為了10cm厚C40鋼纖維混凝土，每方混凝土加0.8kg聚丙烯腈纖維，40kg鋼纖維。在具體應(yīng)用時(shí)，聚丙烯腈纖維的直徑與長度分別控制在12～15μm、6～12mm之間，并且施工人員需要保證整個(gè)聚丙烯腈纖維不得含有雜物等影響性能的雜質(zhì)，避免在混凝土中產(chǎn)生結(jié)團(tuán)等一系列情況。

表2　聚丙烯腈纖維對(duì)混凝土性能影響

3.3混凝土配合比設(shè)計(jì)

鋼纖維混凝土的拌合料由水泥、水、粗細(xì)骨料、鋼纖維等不同成分按照一定的比例配合而成，不同組成材料的配比對(duì)于鋼纖維混凝土的物理力學(xué)性能有著重要影響。

3.3.1含砂率

含砂率的選擇一般與粗集料粒徑和混凝土體積相關(guān)，隨混凝土體積的增大而增大，隨粗集料粒徑增大而減小。實(shí)際工程的取值一般位于35～45%之間。

3.3.2水泥用量

水泥用量是保證混凝土強(qiáng)度以及彈性模量的重要因素，過少的水泥用量容易使得鋼纖維混凝土的強(qiáng)度不符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，但過多的水泥用量又會(huì)造成混凝土因水化熱過高產(chǎn)生溫度裂縫等問題。表3～4給出了遂廣高速公路橋面中可參考使用的兩種水泥用量，實(shí)際施工過程中，可采用高效減水劑、摻加礦物摻合料、合理設(shè)計(jì)級(jí)配等措施，輔以適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)室試配工作來控制水泥用量。

表3　水泥用量的合理控制<一>

表4　水泥用量的合理控制<二>

4　遂廣高速公路鋼纖維混凝土橋面鋪裝的施工工藝

4.1施工準(zhǔn)備工作

施工準(zhǔn)備工作包括主梁標(biāo)高的驗(yàn)收與核查、橋體表面的沖洗與清鑿、梁體表面鋼筋的彎曲等等。為了保障鋪裝層面標(biāo)高準(zhǔn)確，可考慮根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求確定好相關(guān)的標(biāo)高控制系統(tǒng)，確定整個(gè)網(wǎng)片頂面標(biāo)高，以保障橋面鋪裝過程中的精度要求。

圖1　遂廣高速公路橋面的沖洗濕潤工作

4.2混凝土的拌合

考慮到鋼纖維采用箱裝或袋裝的方式，在進(jìn)行拌和前，應(yīng)用鋼纖維分散裝置或是人工分散方法對(duì)體積較密實(shí)的鋼纖維進(jìn)行分散，避免拌合時(shí)鋼纖維產(chǎn)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象從而影響施工質(zhì)量。拌合過程中，鋼纖維經(jīng)架設(shè)在攪拌機(jī)上面或是單側(cè)平臺(tái)上的鋼纖維分散機(jī)進(jìn)行分散，然后與粗細(xì)骨料，水泥一起按照砂→鋼纖維→石子→水泥的順序投于強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)內(nèi)，經(jīng)攪拌機(jī)筒干拌兩分鐘后加水進(jìn)行濕拌，2～3min后即可出料并運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)。

4.3混凝土的澆筑

拌和料經(jīng)運(yùn)輸過程到達(dá)施工地點(diǎn)后，相關(guān)的施工人員即可由低至高開始進(jìn)行澆筑工作。需要注意的是，由于鋼纖維混凝土采用泵送施工，整個(gè)拌和料流動(dòng)度較大，混凝土從運(yùn)輸車?yán)锓懦龊笾苯訑備伜?，需要先以平板式振?dòng)器振平搗實(shí)，再利用鋼滾筒進(jìn)行來回滾壓，從而有效避免鋼纖維混凝土因結(jié)構(gòu)上下層的鋼纖維分布不均勻造成鋼纖維下沉，進(jìn)而影響施工質(zhì)量。整個(gè)振搗持續(xù)時(shí)間以混凝土停止下沉、不再冒氣泡并泛出泥漿為準(zhǔn)，同時(shí)防止過振現(xiàn)象的產(chǎn)生。

4.4振搗及后期養(yǎng)護(hù)

混凝土的振搗工作需要采用振平梁提漿振平法，不允許在整平機(jī)整平后進(jìn)行人工抹平或是水泥漿體填補(bǔ)。澆筑整平后及時(shí)用厚型塑料薄膜覆蓋養(yǎng)生，15d內(nèi)持續(xù)進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，使得混凝土呈潮濕狀態(tài)，有效延長混凝土的使用壽命。

5　結(jié)束語

鋼纖維混凝土橋面鋪裝與普通混凝土橋面鋪裝相比較，其抗斷裂性、抗拉能力以及抗韌性均有著明顯的提高，而從實(shí)際的施工情況來看，即使部分高速公路的橋面出現(xiàn)個(gè)別裂縫，也不會(huì)如傳統(tǒng)的混凝土一般迅速擴(kuò)張而斷開，同時(shí)縮縫位置也會(huì)因鋼纖維整體連接作用不易產(chǎn)生完全斷開?；诖?，采用鋼纖維混凝土進(jìn)行高速公路的路面鋪裝確實(shí)收到了優(yōu)秀的使用效果，同時(shí)它相較于傳統(tǒng)的混凝土橋面而言，維護(hù)周期和使用壽命較長，養(yǎng)護(hù)工作量大為減少，方便行車。故我國可考慮進(jìn)一步廣泛推進(jìn)鋼纖維混凝土在高等級(jí)公路橋面上的廣泛應(yīng)用。

[1]王斯新.鋼纖維混凝土在高速公路橋面鋪裝層中的應(yīng)用[J].江蘇建筑科技學(xué)院院報(bào)，2012，6（31）：53～54.

[2]宋緒梅.平陰黃河公路大橋鋼纖維混凝土橋面鋪裝技術(shù)研究[J].建筑科學(xué)方法探究，2011，5（7）：12～14.

[3]陳淑卿.PVA纖維混凝土在高等級(jí)公路橋面鋪裝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].科教文匯，2012，8（11）：22～26.

U444

A

1673-0038（2015）09-0173-02

2015-2-10

史玉波（1986-），男，本科，從事道路與橋梁施工管理工作。