鋼纖維混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用研究

張玉峰，程 麗

（云南省綜合交通發(fā)展中心，云南昆明 650031）

當(dāng)前我國基建工程得到大力發(fā)展，作為跨越不利地形與障礙物的重要構(gòu)筑物之一，橋梁建設(shè)項(xiàng)目方興未艾，極大地推動了我國交通路網(wǎng)的發(fā)展與完善。不同于常規(guī)構(gòu)筑物，大跨度橋梁大多處于地形復(fù)雜的山區(qū)地帶，施工時受周邊不利環(huán)境的影響較大，如立于大峽谷之上的矮寨特大懸索橋、上跨四渡河的四渡河大橋以及處于海洋環(huán)境的港珠澳大橋等，由于長期露天服役、溫濕度變化大、受載工況不可控等，這些大型現(xiàn)代化橋梁的建設(shè)用材性能要求日益提高[1-2]，而傳統(tǒng)的鋼筋混凝土材料由于抗拉強(qiáng)度低、易銹蝕破壞等問題，越來越難以滿足橋梁建造或服役期間的性能要求，如高強(qiáng)度、抗開裂、耐腐蝕等。

鋼纖維混凝土作為一種新型建筑施工材料，近些年來發(fā)展迅速。與普通混凝土相比，鋼纖維混凝土不僅可以提高混凝土的抗拉性能和抗裂性能，且十分契合橋梁惡劣服役環(huán)境下的性能需求，如改善抗沖擊、抗斷裂韌性等，并有效避免循環(huán)載荷下的疲勞破壞，延長服役年限，保證橋梁的長期安全可靠[3]。基于橋梁工程中傳統(tǒng)混凝土的應(yīng)用缺陷，本文就鋼纖維混凝土在橋梁工程中的相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，如橋面鋪裝、墩臺加固、樁基補(bǔ)強(qiáng)等，并針對存在的施工質(zhì)量難控制、成本偏高以及回收利用不足等問題，提出了解決思路，以期進(jìn)一步推動橋梁工程中鋼纖維混凝土的應(yīng)用。

1 鋼纖維混凝土及其應(yīng)用特性

鋼纖維混凝土是一種新型水泥基復(fù)合材料，通過在傳統(tǒng)混凝土基材中均勻摻入適量短鋼纖維制備形成，主要應(yīng)用形式包括澆筑、灌漿或噴射等[4]。由于摻入了高強(qiáng)耐腐蝕的鋼纖維（如低碳鋼、玻璃鋼或不銹鋼），混凝土結(jié)構(gòu)中細(xì)小裂縫的外延現(xiàn)象得到抑制，脆性破壞概率降低，韌性提高。同時，亂向分布的鋼纖維使得混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成一種多向配筋的均勻加固體，其抗剪性、抗拉性及耐磨性等各項(xiàng)性能均有較大提升。

作為一類多相復(fù)合材料，鋼纖維混凝土適用于橋梁工程的應(yīng)用特性主要有以下幾點(diǎn)。

（1）較好的抗壓、抗剪性能。在普通混凝土中摻入鋼纖維，雖然對抗壓強(qiáng)度的改善程度不大（僅提升約10%），但能使抗剪強(qiáng)度提高1/2~1倍[5]。由于混凝土本身的抗壓強(qiáng)度較高，在有效提高其抗剪強(qiáng)度后，能極好地契合橋梁工程由于大跨度設(shè)計(jì)形式而對材料抗剪強(qiáng)度要求較高的這一需求，在同樣設(shè)計(jì)要求下，能大幅減少橋面鋪裝層厚度，減薄幅度可達(dá)40%左右，不僅可降低橋梁自重，而且能減小初期投資。

（2）抗沖擊性能優(yōu)良。在常規(guī)混凝土中摻入0.8%~2.0%的鋼纖維時，相比原混凝土，抗沖擊強(qiáng)度可提高50~100倍[6]，具有降低振幅、減小振動疲勞以及提高行車舒適性等特性。在同等動荷載作用下，鋼纖維混凝土引起的振動更小，如作為橋面鋪裝材料時，正常通車時引起的振動加速度可降低70%，而發(fā)生跳車時引起的振動加速度可降低50%。相比普通混凝土，鋼纖維混凝土能延長橋梁鋪裝路面服役年限，具有更好的應(yīng)用優(yōu)勢。

（3）較好的抗裂性能。在橋梁通車荷載作用下，普通混凝土構(gòu)件一旦出現(xiàn)應(yīng)力集中，極易由于鋼筋達(dá)到屈服極限而迅速開裂并發(fā)生破壞。而摻入鋼纖維后，其在混凝土基體中均勻分散時能起到橋接效應(yīng)，纖維兩端分別扎根固定于微裂紋兩側(cè)，有效分擔(dān)鋼筋受到的拉應(yīng)力，并與基體協(xié)同受力，緩解裂紋擴(kuò)展。鋼纖維混凝土即使出現(xiàn)裂縫，也是細(xì)小、不連續(xù)的微裂縫，造成的裂損剝落現(xiàn)象較少，不影響結(jié)構(gòu)的整體連續(xù)性，同時抗凍融破壞能力較強(qiáng)，能延長橋梁的服役年限。

2 基于橋梁工程的鋼纖維混凝土應(yīng)用

2.1 在橋面鋪裝中的應(yīng)用

在橋面鋪裝材料應(yīng)用中，傳統(tǒng)的混凝土路面易受通車載荷作用、雨雪侵蝕及日夜溫差等影響而出現(xiàn)銹蝕、強(qiáng)度下降甚至開裂等，影響行車安全且維修成本高。而在橋面鋪裝時合理應(yīng)用鋼纖維混凝土，則能加強(qiáng)橋面的整體強(qiáng)度，有助于橋梁運(yùn)營的耐久性和穩(wěn)定性。

危偉等[7]總結(jié)了鋼纖維混凝土在橋面鋪裝環(huán)節(jié)的施工要點(diǎn)，認(rèn)為將鋼纖維混凝土作為鋪裝層能提高橋面的抗沖擊和抗磨性能，使建造后的路面更加經(jīng)久耐磨，減小車輛振動與跳車現(xiàn)象，提高行車舒適度。同時，鋼纖維混凝土橋面抗剪性能較強(qiáng)，故可減小橋面鋪裝厚度，降低橋梁整體重量，節(jié)約原材料成本。對于橋梁而言，相比普通混凝土，使用相同體積的鋼纖維混凝土，橋梁的承重和延展性得到加強(qiáng)，受力狀態(tài)更優(yōu)，大大提高了使用壽命和安全性。

牟廷敏等[8]為優(yōu)化橋面鋪裝層材料選用，基于普通混凝土與鋼纖維混凝土兩種材料，分別設(shè)計(jì)了包括剪力件構(gòu)造的2種橋面鋪裝方案，并建立模型開展相應(yīng)的抗疲勞性能試驗(yàn)。結(jié)果表明，相比普通混凝土+鋼筋網(wǎng)的鋪裝形式，鋼纖維混凝土結(jié)合剪力件的鋪裝方案具有更好的抗疲勞性能，在微裂縫限制效果方面更優(yōu)，且可節(jié)約鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)環(huán)節(jié)。

綜上可知，將鋼纖維混凝土作為橋梁鋪裝層材料，既能保證橋面良好的路用性能和行車舒適性，也能一定程度節(jié)約初期投資與后期維修成本。但目前，鋼纖維混凝土的橋面鋪裝工藝尚無具體規(guī)范可指導(dǎo)，質(zhì)量控制存在隱患，未來尚需盡快出臺相關(guān)施工標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 在橋梁上部結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

我國幅員遼闊，橋梁作為跨越河流或障礙物的有效形式得到了廣泛應(yīng)用，但相當(dāng)數(shù)量的橋梁建成年代較早，長時間服役后存在著銹蝕、開裂及變形移位等安全隱患，亟需采取加固措施進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，以延長其使用壽命。

橋梁梁體與墩臺之間在長期動載作用下會存在表層脫落或開裂破損現(xiàn)象，在工作面狹窄的條件下，通過噴射鋼纖維混凝土可較好地實(shí)現(xiàn)加固，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和動載承受能力，改善結(jié)構(gòu)的應(yīng)用穩(wěn)定性。如肖耀輝等[9]在某鐵路橋梁的墩臺補(bǔ)強(qiáng)加固中，針對墩臺滲漿嚴(yán)重、功能失效以及受載振動劇烈等現(xiàn)狀，考慮需要在不停運(yùn)的基礎(chǔ)上開展加固搶修施工的實(shí)際情況，經(jīng)多方案分析，最終將易于現(xiàn)場操作的噴射早強(qiáng)鋼纖維混凝土確定為加固措施，采取的主要技術(shù)措施為：在交通不中斷條件下，于既有墩臺外補(bǔ)充噴射鋼筋混凝土套箍，總厚30cm，其中14cm為鋼纖維混凝土；鋼纖維采用0.4mm×0.5mm×25mm的剪切鋼纖維，鋼纖維體積摻量為1.0%，采用轉(zhuǎn)子Ⅱ型噴射機(jī)噴射早強(qiáng)鋼纖維混凝土；為提高早期抗裂性能，噴射混凝土采用硫鋁酸鹽快硬水泥和TS型速凝劑。采用上述工藝進(jìn)行加固后，橋墩橫向最大振幅由加固前的1.22mm下降至0.29mm，降幅達(dá)76%。運(yùn)營三年后測試的振幅仍維持在加固后水平。

郭輝[10]對某懸鏈線箱形肋拱橋的拱頂截面應(yīng)用鋼纖維混凝土進(jìn)行施工，并對其抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了驗(yàn)算，結(jié)果表明，采用鋼纖維混凝土作為主拱圈大大改善了拱式橋梁的受力性能，減輕了自重，較傳統(tǒng)的拱式橋梁可節(jié)省混凝土30%~40%，減少用鋼量15%~20%，下部墩臺圬工數(shù)量也相應(yīng)減少，降低造價(jià)15%左右，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 在橋梁樁基礎(chǔ)施工中的應(yīng)用

作為上部結(jié)構(gòu)的受載基礎(chǔ)，橋梁樁基施工質(zhì)量一定程度上決定了整個橋梁工程的建造品質(zhì)與使用安全性。為彌補(bǔ)傳統(tǒng)混凝土的性能不足，可通過將鋼纖維混凝土應(yīng)用于樁基結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)性能強(qiáng)化。如用于樁尖，可以提高樁尖的穿透力，提高打樁效率；而將其應(yīng)用于樁頂，可以有效提高樁頂?shù)目箾_擊韌性及抗裂能力，避免預(yù)制樁體結(jié)構(gòu)受損[11]。

在實(shí)踐應(yīng)用中，考慮綜合造價(jià)及實(shí)施性價(jià)比等因素，一般不適合將鋼纖維混凝土完全替代常規(guī)混凝土進(jìn)行樁基施工，但可選擇性地針對樁基重點(diǎn)部位采取鋼纖維混凝土進(jìn)行局部強(qiáng)化。目前，鋼纖維混凝土在橋梁樁基中有兩種應(yīng)用方式[12]：一是在樁基頂部或底部適當(dāng)范圍采取鋼纖維混凝土進(jìn)行灌注，其余樁身區(qū)域仍采用普通混凝土，縱筋仍按設(shè)計(jì)要求配置；二是在樁體全斷面整體灌注鋼纖維混凝土，取消鋼筋骨架綁扎環(huán)節(jié)，輔以樁中心處配置一根普通鋼筋，避免起吊時的脆性損壞。由于鋼纖維價(jià)格高，采用樁頂和樁尖部位配置鋼纖維混凝土的第一種方案，既能降低造價(jià)，也起到了改善抗沖擊性能的作用，因此應(yīng)用更為廣泛。

西南交通大學(xué)的歐陽芳等[13]采用FLAC3D軟件對鋼纖維混凝土樁的承載性能進(jìn)行了模擬分析，基于試驗(yàn)得到的荷載-應(yīng)變曲線和實(shí)測應(yīng)變值，驗(yàn)證了模型的正確性，并據(jù)此分析了樁體變形的影響因素，認(rèn)為適當(dāng)增大樁體摩擦角以及樁周土體的黏聚力均有助于減小樁體沉降量與變形壓縮量。該結(jié)論為鋼纖維混凝土樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

在橋梁樁基應(yīng)用方面，相比常規(guī)鋼筋混凝土灌注樁，盡管鋼纖維混凝土樁體的成本更低、抗沖擊性能更優(yōu)，但作為一種預(yù)制樁體，鋼纖維混凝土樁的打樁效果受多方面因素影響，如鋼纖維種類與摻量、樁基所處的工程地質(zhì)條件及制備工藝等，有必要進(jìn)一步深入優(yōu)化應(yīng)用要素，保證鋼纖維混凝土樁體的承載力。

3 存在的不足及解決思路

鋼纖維混凝土具備優(yōu)良的抗裂、耐腐蝕、耐磨及抗沖擊性等力學(xué)特性，在未來橋梁工程建設(shè)中具有很大的應(yīng)用潛力[14]。但是，鋼纖維混凝土作為一種纖維增強(qiáng)型水泥基復(fù)合材料，其應(yīng)用還存在一些問題和不足，尚需繼續(xù)研究和解決。

（1）施工質(zhì)量較難控制。不同于實(shí)驗(yàn)室，橋梁工程的現(xiàn)場施工環(huán)境復(fù)雜多變，受復(fù)雜地域環(huán)境影響，在制備、運(yùn)輸或泵送施工過程中，鋼纖維混凝土內(nèi)部情況可能會發(fā)生改變，如鋼纖維在混凝土內(nèi)分布不均勻（發(fā)生團(tuán)聚）、塌落度下降及含氣量改變等，最終造成鋼纖維混凝土材料性能下降。因此，對于鋼纖維混凝土，在生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中需要加強(qiáng)控制與管理，確保規(guī)范施工，同時還應(yīng)深入探究保證鋼纖維均勻分布的措施及檢測技術(shù)。

（2）施工成本偏高。鋼纖維混凝土自重大，在生產(chǎn)中需要加入大量的鋼材，加大對鋼材的消耗，增加了工程建造的成本。這造成在施工過程中，大多數(shù)項(xiàng)目沒有足夠的資金使用昂貴的鋼纖維材料，導(dǎo)致鋼纖維混凝土在實(shí)際應(yīng)用中受到較大限制。因此，未來需要進(jìn)一步研究鋼纖維生產(chǎn)的低成本化，并合理地應(yīng)用于需要加固或增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)部位，使更多的橋梁工程可以在預(yù)算范圍內(nèi)應(yīng)用鋼纖維混凝土。

（3）缺乏資源再生的研究?，F(xiàn)今對鋼纖維材料的環(huán)保回收工作研究較為缺乏，如何“變廢為寶”，實(shí)現(xiàn)鋼纖維的可持續(xù)化利用既符合當(dāng)前的“雙碳”倡議[15]，也利于鋼纖維混凝土的推廣應(yīng)用。我國大型基建項(xiàng)目眾多，鋼纖維在橋梁工程中的應(yīng)用具有獨(dú)特優(yōu)勢，一旦實(shí)現(xiàn)鋼纖維材料的再生利用，將在降低施工成本的同時，極大程度減輕對環(huán)境的負(fù)面影響，現(xiàn)實(shí)意義巨大。

4 結(jié)束語

隨著我國基建工程建設(shè)的不斷發(fā)展，橋梁作為重要的地面障礙物跨越方案，深受工程師的青睞。鋼纖維混凝土擁有良好的力學(xué)性能、耐腐蝕性以及抗沖擊性，契合橋梁工程建設(shè)的復(fù)雜施工環(huán)境與惡劣服役環(huán)境要求，應(yīng)用價(jià)值與潛力非常廣闊。在施工過程中合理運(yùn)用鋼纖維混凝土技術(shù)，能夠提高生產(chǎn)效率并且保證施工質(zhì)量。

本文就鋼纖維混凝土在橋面鋪裝、橋梁上部結(jié)構(gòu)及樁基礎(chǔ)施工等方面的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)介紹，針對應(yīng)用中存在的質(zhì)量、成本及環(huán)境等問題，提出了對應(yīng)的解決思路。未來尚需在充分認(rèn)識鋼纖維混凝土優(yōu)勢的同時把握好研究重點(diǎn)，使其在橋梁工程中得到更好的應(yīng)用。