道路橋梁施工中鋼纖維混凝土技術(shù)的應(yīng)用

張成進(jìn)

（貴州興黔人才資源有限責(zé)任公司，貴州貴陽550001）

0 引言

鋼纖維混凝土是指將短鋼纖維均勻摻入普通混凝土中，形成一種全新且特殊的多相復(fù)合材料。通過適量添加鋼纖維，能起到阻礙裂縫產(chǎn)生及發(fā)展的作用，并能提高混凝土成型后的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗沖擊性能與抗疲勞性，表現(xiàn)出良好的延性。在道路橋梁工程建設(shè)中，鋼纖維混凝土被用于橋面鋪裝層，以某道路橋梁工程為例，對其鋪裝層施工中鋼纖維混凝土的具體應(yīng)用進(jìn)行了深入分析。

1 鋼纖維的改善機(jī)理

鋼纖維在混凝土中均勻且無序的分布，其作用在于防止內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展，進(jìn)而避免產(chǎn)生宏觀裂縫。在這種作用的支持下，無論是抗拉強(qiáng)度，還是由拉應(yīng)力進(jìn)行控制的抗扭強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及抗彎強(qiáng)度，都能得到有效改善。即便在混凝土產(chǎn)生裂縫時，鋼纖維依然可以在承載力上做出很大貢獻(xiàn)，抗拉強(qiáng)度只有在鋼纖維被取出時才會降低。另外，鋼纖維的添加還能改善混凝土的疲勞性能，包括抗彎與抗壓。通過試驗(yàn)可知，如果鋼纖維混凝土遭到破壞，主要原因均為鋼纖維被拔出，而并非鋼纖維被拉斷。所以，改善基體和鋼纖維之間的黏結(jié)力，是保障鋼纖維混凝土發(fā)揮良好力學(xué)性能的關(guān)鍵。

通過大量的理論分析可知，鋼纖維受到的應(yīng)力與其長徑比、界面黏結(jié)強(qiáng)度為正比關(guān)系?；诖耍氡ＷC增強(qiáng)效果，首先要增加鋼纖維的長度和直徑比，其次要增強(qiáng)其與基體的黏結(jié)強(qiáng)度。然而，如果鋼纖維的長度和直徑比過大，則會影響混凝土的性能，表現(xiàn)為使和易性明顯降低，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致鋼纖維結(jié)團(tuán)，對拌和物的均勻性造成很大破壞，影響施工性能。由此可見，鋼纖維的長度和直徑比并非越大越好，而是要在合理的范圍內(nèi)，并盡可能提高黏結(jié)強(qiáng)度，這是確保拌和物性能的關(guān)鍵所在。鋼纖維和基體的黏結(jié)強(qiáng)度，主要由鋼纖維的形狀決定。

2 對鋼纖維的要求

施工前，需明確對鋼纖維的各項(xiàng)要求，保證所用鋼纖維的性能和質(zhì)量都滿足施工要求。

第一，在道路橋梁工程中使用的鋼纖維，以冷拉鋼絲型鋼纖維或銑削型鋼纖維為宜。另外，為避免鋼纖維結(jié)團(tuán)，還應(yīng)考慮鋼纖維自身的結(jié)團(tuán)性質(zhì)。

第二，按照相關(guān)的技術(shù)規(guī)程，為了使鋼纖維混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能達(dá)到最佳，例舉的工程中所選的鋼纖維為冷拉鋼絲型，其長度在50mm 左右，長度和直徑比在80 左右。有效抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1000MPa以上[1]。

第三，從每批鋼纖維中隨機(jī)抽取10 根進(jìn)行彎折試驗(yàn)，若10 根樣品中有不少于9 根不被折斷，則認(rèn)為這一批鋼纖維的彎折性能合格。具體的彎折試驗(yàn)方法為：將樣品圍繞在3mm 直徑的圓形鋼棒上，用手將鋼纖維朝相對容易彎折的方向進(jìn)行彎折，直到彎折角度達(dá)到90o。

第四，長度偏差應(yīng)控制在公稱長度的±5%以內(nèi)；直徑或等效直徑的偏差要控制在公稱直徑的±10%以內(nèi)；長度和直徑比的偏差則要控制在公稱值的±15%以內(nèi)。

第五，鋼纖維的表面應(yīng)保持光潔，沒有缺陷、油污及水泥基，否則將對其增強(qiáng)效果造成很大影響。將鋼纖維中由于加工導(dǎo)致的黏結(jié)、銹蝕、雜質(zhì)等的含量，控制在其總量的±1%以內(nèi)[2]。

3 配比的要求與設(shè)計

3.1 配比要求

3.1.1 根據(jù)既有工程的施工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)選擇冷拉鋼絲型進(jìn)行施工時，其摻量以25～30kg/m3為宜，但具體的摻加數(shù)量還應(yīng)結(jié)合相關(guān)的試驗(yàn)來確定。

3.1.2 采用鋼纖維增強(qiáng)的混凝土，其粗骨料粒徑不能超過25mm。

3.1.3 單位體積水量，要以設(shè)計提出的稠度要求為依據(jù)進(jìn)行確定。一般情況下，每摻加總體積5%的鋼纖維，需要增加7kg 左右的用水量，同時提高2%的砂率。此外還要注意，如果混凝土中摻加了外加劑，則要充分考慮其可能造成的影響。

3.1.4 以混凝土的抗壓強(qiáng)度要求為依據(jù)，確定適宜的水灰比范圍。

3.1.5 采用鋼纖維增強(qiáng)的混凝土，其坍落度需要比一般的混凝土小，而維勃稠度則可以和一般的混凝土完全相同。

3.2 配比設(shè)計

3.2.1 設(shè)計原則

鋼纖維混凝土的配比設(shè)計方法和普通混凝土基本相同，要求在保證抗彎拉強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，符合路面施工提出的各項(xiàng)要求[3]。

3.2.2 設(shè)計指標(biāo)

鋼纖維混凝土配合比的控制性指標(biāo)包括：水灰比應(yīng)控制在0.47 以內(nèi)；砂率應(yīng)保持在38%～50%的范圍內(nèi)；水泥劑量應(yīng)保持在400～480kg/m3的范圍內(nèi)；坍落度應(yīng)保持在3～5cm 之間。

結(jié)合鋼纖維混凝土自身及施工特點(diǎn)，確定如下試驗(yàn)室配合比：

1#配合比：水灰比為0.40，水泥∶水∶（4.75～9.5mm）粗集料∶（9.5～19mm）粗集料∶砂∶外加劑∶鋼纖維=440∶177∶449∶675∶778∶5.76∶0∶45，實(shí)測坍落度為45mm。

2#配合：水灰比為0.40，水泥∶水∶（4.75～9.5mm）粗集料∶（9.5～19mm）粗集料∶砂∶外加劑∶鋼纖維=440∶177∶446∶671∶774∶5.76∶30，實(shí)測坍落度為42mm。

3#配合比：水灰比為0.40，水泥∶水∶（4.75～9.5mm）粗集料∶（9.5～19mm）粗集料∶砂∶外加劑∶鋼纖維=440∶177∶445∶669∶771∶5.76∶40，實(shí)測坍落度為42mm。

4#配合比：水灰比為0.40，水泥∶水∶（4.75～9.5mm）粗集料∶（9.5～19mm）粗集料∶砂∶外加劑∶鋼纖維=440∶177∶444∶667∶769∶5.76∶50，實(shí)測坍落度為41mm。

3.3 拌和物的性能

銑削型鋼纖維的表面較為粗糙，如同砂皮。所以，它和水泥漿體之間的黏結(jié)相對牢固，能有效減少或避免塌邊。通常，當(dāng)采用銑削型鋼纖維時，坍落度比常規(guī)混凝土低20mm 左右，且采用攤鋪機(jī)完成攤鋪與振動后，其具有和常規(guī)混凝土大致相同的黏聚性。

鋼纖維混凝土達(dá)到硬化后的性能為：

其一，在彎拉強(qiáng)度方面，1#配合比28d 齡期，彎拉強(qiáng)度為5.56MPa；2#配合比28d 齡期，彎拉強(qiáng)度為6.48MPa；3#配合比28d 齡期，彎拉強(qiáng)度為6.94MPa；4#配合比28d 齡期，彎拉強(qiáng)度為7.42MPa。根據(jù)以上實(shí)測結(jié)果可知，按照30～50kg/m3的用量添加鋼纖維，能使混凝土28d 齡期的彎拉強(qiáng)度提升15%～35%。

其二，在抗沖擊性方面，將沖擊次數(shù)作為沖擊強(qiáng)度，1#配合比沖擊次數(shù)為21 次；2#配合比沖擊次數(shù)為69 次，與未添加鋼纖維時相比，提高了3.3 倍；3#配合比沖擊次數(shù)為88 次，與未添加鋼纖維時相比，提高了4.2 倍；4#配合比沖擊次數(shù)為106 次，與未添加鋼纖維時相比，提高了5.0 倍。根據(jù)以上實(shí)測結(jié)果可知，按照30～50kg/m3的用量添加鋼纖維，能使混凝土的抗沖擊強(qiáng)度提高3～5 倍。

其三，在抗干縮開裂方面，在連續(xù)養(yǎng)護(hù)28d 的水穩(wěn)基層表面澆筑尺寸為（30×50×5）cm 的常規(guī)混凝土板和按照50kg/m3摻量添加鋼纖維的混凝土板，然后用碘弧燈照射，并用風(fēng)扇使板快速失水。在這一過程中，通過觀察確定開裂時間。常規(guī)混凝土板24h 裂縫數(shù)量為5 條，裂縫總長度為51cm，48h 裂縫數(shù)量為7條，裂縫總長度為82cm；鋼纖維混凝土板24h 裂縫數(shù)量為1 條，其長度為7cm，48h 裂縫數(shù)量為2 條，其總長度為18cm。根據(jù)以上實(shí)測結(jié)果可知，鋼纖維的添加能延緩裂縫的產(chǎn)生，且裂縫的數(shù)量與長度均有所減少。

其四，在耐磨性方面，主要采用水泥膠砂耐磨試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)[4]。試驗(yàn)開始前，應(yīng)先將試件放入60oC烘箱，烘干到重量保持恒定，然后采用試驗(yàn)機(jī)連續(xù)磨削50 轉(zhuǎn)，并對試件因磨削而損失的數(shù)量進(jìn)行計算，據(jù)此對試件的耐磨性進(jìn)行描述與評價。常規(guī)混凝土的單位面積磨削量為5.83g，而鋼纖維混凝土的單位面積磨削量則為4.42g?？梢姡噍^于常規(guī)混凝土，鋼纖維混凝土具有更好的耐磨性。

4 施工工藝

4.1 拌和

在鋼纖維混凝土拌和過程中，應(yīng)注意以下幾個方面：

其一，在拌制、生產(chǎn)鋼纖維混凝土的過程中，應(yīng)將鋼纖維連同粗細(xì)骨料一同添加至攪拌機(jī)。

其二，相較于普通混凝土，鋼纖維混凝土要多拌20～30s，其目的在于保證鋼纖維在混凝土中分布均勻，不會結(jié)團(tuán)。

其三，安排專人對鋼纖維的實(shí)際摻加量與配合比進(jìn)行嚴(yán)格控制，以達(dá)到預(yù)期的增強(qiáng)效果和質(zhì)量[5]。

其四，拌和時應(yīng)對不同原材料進(jìn)行的稱量，結(jié)果偏差要符合下列要求：稱量鋼纖維、水泥與外加劑時，其偏差要控制在±2%以內(nèi)；稱量粗細(xì)骨料時，其偏差要控制在±3%以內(nèi)；而稱量水時，其偏差要限制在±1%以內(nèi)。

4.2 攤鋪、振搗與整平

鋼纖維混凝土的布料及攤鋪，不僅要滿足一般混凝土的布料及攤鋪要求，還需要滿足以下特殊要求：

其一，鋪裝層的層厚一般取10cm，偏差要控制在-5～+10mm 的范圍內(nèi)。

其二，無論施工中使用何種機(jī)械或方法進(jìn)行布料及攤鋪，都應(yīng)保證鋼纖維的實(shí)際分布達(dá)到均勻和連續(xù)，在一個面板的范圍內(nèi)進(jìn)行布料和攤鋪時，不能中斷。

其三，布料時，具體的松鋪高度要通過試驗(yàn)性攤鋪來確定，通常要比一般的混凝土高10mm。

其四，墩臺上一般設(shè)有伸縮縫，在此處進(jìn)行鋪裝時，要預(yù)留一定的寬度暫不澆筑，待伸縮縫安裝好后，再使用強(qiáng)度滿足要求的混凝土將預(yù)留槽澆筑飽滿[6]。

其五，施工縫分為橫向縫和縱向縫，這兩種縫應(yīng)形成一個標(biāo)準(zhǔn)的垂直面，同時要在預(yù)留槽內(nèi)實(shí)施施工縫的布置。

其六，考慮鋼纖維混凝土中含有鋼纖維，故振搗不能用插入式振搗棒，這一點(diǎn)和一般的混凝土完全不同。施工中使用的機(jī)械和方法，既要使混凝土振實(shí)，又要避免破壞鋼纖維的分布，在從表面向下30mm 的范圍內(nèi)，混凝土中的鋼纖維應(yīng)盡量呈平面。在振搗結(jié)束后，要用3m 直尺實(shí)施平整度的檢測，一般不能超過3mm。

其七，拌和物從出料到結(jié)束攤鋪的時間應(yīng)達(dá)到以下要求：第一，當(dāng)施工氣溫為5～9oC 時，從拌和物出料到運(yùn)輸?shù)綀?，滑模與軌道所需要的時間不能超出1.25h，三輥軸機(jī)組所需要的時間不能超出1.0h；從出料到完成鋪筑，滑模與軌道所需要的時間不能超過1.5h，三輥軸機(jī)組所需要的時間不能超出1.25h。第二，當(dāng)施工氣溫為10～19oC 時，從拌和物出料到運(yùn)輸?shù)綀觯Ｅc軌道所需要的時間不能超出0.75h，三輥軸機(jī)組所需要的時間不能超出0.5h；從出料到完成鋪筑，滑模與軌道所需要的時間不能超過1.0h，三輥軸機(jī)組所需要的時間不能超出0.75h。第三，當(dāng)施工氣溫為20～29oC 時，從拌和物出料到運(yùn)輸?shù)綀?，滑模與軌道所需要的時間不能超出0.5h，三輥軸機(jī)組所需要的時間不能超出0.35h；從出料到完成鋪筑，滑模與軌道所需要的時間不能超過0.75h，三輥軸機(jī)組所需要的時間不能超出0.5h。第四，當(dāng)施工氣溫為30～35oC時，從拌和物出料到運(yùn)輸?shù)綀觯Ｅc軌道所需要的時間不能超出0.35h，三輥軸機(jī)組所需要的時間不能超出0.25h；從出料到完成鋪筑，滑模與軌道所需要的時間不能超過0.5h，三輥軸機(jī)組所需要的時間不能超出0.35h[7]。

其八，攤鋪時，不可由于拌和物干澀而私自加水，必要時可使用噴霧的方法避免其表面水分的大量蒸發(fā)。

4.3 抗滑溝槽

抗滑溝槽的制作方法以硬刻槽法為宜，也可使用滾式拉槽器進(jìn)行制作?？刂茰喜鄣纳疃?～5mm，相鄰兩個溝槽之間的距離則需按照30～50mm 進(jìn)行控制。在施工中，要精確掌握制槽時間，在防止表面破損的同時，使構(gòu)造深度滿足設(shè)計要求。

4.4 養(yǎng)護(hù)

與一般的混凝土相同，鋼纖維混凝土也需要通過薄膜覆蓋與灑水相結(jié)合的方法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)的持續(xù)時間應(yīng)達(dá)到7d 以上，但要注意不可圍水養(yǎng)護(hù)[8]。

5 結(jié)語

綜上所述，在道路橋梁施工過程中，通過對鋼纖維混凝土的合理應(yīng)用，能有效改善混凝土的各項(xiàng)性能，延長道路橋梁的使用壽命。通過對上述施工要求的執(zhí)行及對施工技術(shù)的應(yīng)用，該工程不僅順利完成施工，而且取得了良好的效果，值得類似道路橋梁工程中的鋼纖維混凝土施工參考借鑒。