鋼纖維混凝土技術(shù)在道路橋梁施工中的應(yīng)用分析

李?，Q

（浙江省建投交通基礎(chǔ)建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310000）

道路橋梁工程的質(zhì)量通病集中在混凝土結(jié)構(gòu)上，常見(jiàn)類(lèi)型包括路面、墩臺(tái)、箱梁等部位的結(jié)構(gòu)裂縫，混凝土本身的性能對(duì)這些結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量、強(qiáng)度等具有深遠(yuǎn)的影響。鋼纖維混凝土作為一種優(yōu)異的復(fù)合型材料，具備突出的抗拉、抗沖擊、抗彎折性能。將這些施工材料應(yīng)用于道路橋梁工程中可顯著提高其質(zhì)量，研究鋼纖維混凝土施工技術(shù)對(duì)促進(jìn)此類(lèi)工程項(xiàng)目的發(fā)展具有積極的作用。

1 鋼纖維混凝土的性能特點(diǎn)

道路橋梁工程的強(qiáng)度、抗震性及耐久性與混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉性能、抗彎性能等密切相關(guān)，普通的混凝土材料在施工時(shí)會(huì)因?yàn)闇囟瓤刂撇坏轿?、養(yǎng)護(hù)措施不規(guī)范而產(chǎn)生裂縫，在普通混凝土材料中添加適量的鋼纖維可顯著地提高其抗拉性能、抗剪性能以及抗彎性能，形成復(fù)合型材料。鋼纖維混凝土材料具有如下特點(diǎn)：（1）突出的抗拉性能。混凝土材料本身具有一定的抗拉性能，當(dāng)其受到內(nèi)、外部應(yīng)力的作用，并且這種應(yīng)力超過(guò)材料本身的抗拉性能時(shí)，就會(huì)在混凝土結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生裂縫。例如，大體積混凝土澆筑之后會(huì)因?yàn)樗嗟乃鸁岫纬蔁崦浝淇s效應(yīng)，熱量積聚在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，產(chǎn)生向外的膨脹作用力，當(dāng)這種作用力超過(guò)抗拉性能時(shí)就會(huì)形成裂縫。鋼纖維分布在混凝土材料內(nèi)部，水泥附著在這些纖維材料上，其抗拉性能會(huì)顯著提升。鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能、抗彎折性能也會(huì)因此而顯著提高；（2）優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性。鋼纖維混凝土材料的性能非常優(yōu)越，在同等強(qiáng)度和承載力下，鋼纖維混凝土材料的體積用量比普通混凝土更少，水泥、粗細(xì)集料的用量也更加節(jié)約，施工成本也有所下降；（3）具有明顯的收縮性。普通混凝土材料在凝固時(shí)會(huì)逐漸流失水分，在夏季高溫條件下水分流失速度較快，如果不能及時(shí)補(bǔ)水，甚至?xí)l(fā)干縮裂縫。在混凝土中加入鋼纖維之后會(huì)降低其收縮值，通常下降幅度可達(dá)到7%～9%，這種混凝土材料具有顯著的抗干縮裂縫性能[1]。

2 鋼纖維混凝土的配置方法

2.1 原材料要求

第一，鋼纖維。按照材質(zhì)劃分，鋼纖維材料包括普碳鋼纖維、不銹鋼纖維、合金纖維等，不同材質(zhì)的鋼纖維在抗拉強(qiáng)度上存在很大的差異，鋼纖維的長(zhǎng)度一般在20mm～60mm 之間，國(guó)內(nèi)常用的鋼纖維長(zhǎng)度為30mm、35mm，通常單根鋼纖維的抗拉強(qiáng)度不得低于800N/mm。在施工之前要對(duì)鋼纖維的長(zhǎng)度、物理性能、直徑等性能參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，并且確保其表面不存在油污、泥土等污染物[2]。另外，鋼纖維粘結(jié)在一起，會(huì)形成團(tuán)塊，這種情況在配置混凝土?xí)r會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，導(dǎo)致其不能攪拌均勻。

第二，水泥。根據(jù)混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度選擇合適的水泥材料，并且在施工之前通過(guò)專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)水泥的細(xì)度、體積穩(wěn)定性、坍落度、初凝時(shí)間和終凝時(shí)間等性能參數(shù)，不同廠家、不同批次的水泥都要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的檢測(cè)。

第三，粗、細(xì)集料的質(zhì)量要求。檢查粗、細(xì)集料時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注其材質(zhì)、粒徑范圍、含泥量等關(guān)鍵參數(shù)，以含泥量為例，粗集料在開(kāi)采、加工和運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中可能會(huì)沾染淤泥、黏土等污染物，如果不能?chē)?yán)格控制這一參數(shù)，由此配置成的混凝土材料會(huì)存在較大的質(zhì)量缺陷，凝固之后易產(chǎn)生裂縫。粗集料采用集配關(guān)系來(lái)配置，常規(guī)的粒徑為2.36mm、4.75mm、9.5mm、16mm 等，粗細(xì)相間的粒徑可使其達(dá)到良好的密實(shí)程度[3]。

第四，減水劑。混凝土的流動(dòng)性是影響施工效果的重要因素，在配置混合料時(shí)可在其中添加適量的減水劑，其作用是優(yōu)化鋼纖維混凝土的水膠性能，改善其流動(dòng)性，減水劑大的主要成分是聚羧酸。

2.2 合理設(shè)計(jì)混合比

要保證鋼纖維混凝土的性能，就應(yīng)該根據(jù)設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格控制各種原材料的比例，道路橋梁工程中使用的普通混凝土通常都提出了具體的強(qiáng)度要求，即使沒(méi)有加入鋼纖維，普通混凝土的強(qiáng)度也不能低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值，加入鋼纖維之后是在原有的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的性能提升。為了確定最佳混合比，施工之前可制作鋼纖維混凝土試塊，采用不同的比例，對(duì)比混合料的坍落度、流動(dòng)性、凝固后的強(qiáng)度，進(jìn)而確定出最佳的混合比。在工程實(shí)踐中通常將鋼纖維的體積率控制在1.0%～1.5%之間。

2.3 鋼纖維混凝土的拌合及運(yùn)輸方法

第一，鋼纖維混凝土的攪拌。（1）鋼纖維的處理。鋼纖維容易發(fā)生塑性形變，在運(yùn)輸過(guò)程中有可能結(jié)塊，將其直接投入混合料攪拌時(shí)難以分布均勻，進(jìn)而影響混凝土質(zhì)量，為了避免這一情況，可使用專(zhuān)門(mén)的打散機(jī)將其徹底分離開(kāi)，消除結(jié)團(tuán)、結(jié)塊的現(xiàn)象；（2）攪拌機(jī)械。路橋工程的混凝土用量大，需采用機(jī)械方式來(lái)攪拌配置，大規(guī)模配置時(shí)可使用大型的拌和站或者滾筒式攪拌機(jī)，少量配置時(shí)可人工方式來(lái)處理；（3）加料方式。各種材料進(jìn)入攪拌機(jī)械的順序直接影響著鋼纖維混凝土的質(zhì)量，按照先細(xì)料后粗料的方式逐步加料。因此，應(yīng)先加入水泥，然后依次加入鋼纖維、細(xì)集料、粗集料和水。另外，鋼纖維應(yīng)該分批、分次加入攪拌，一次性投料會(huì)導(dǎo)致其在機(jī)械中結(jié)塊，不能分布均勻；（4）拌和方式。在水泥、鋼纖維和粗細(xì)集料沒(méi)有攪拌均勻之前不應(yīng)提前加水拌合，因?yàn)榧铀笏鄷?huì)變成黏稠的漿液，粘附性增強(qiáng)，如果鋼纖維沒(méi)有攪拌均勻就加水，后續(xù)再攪拌也難以達(dá)到良好的效果。因此，在工程實(shí)踐中可先采用干拌方式，當(dāng)各種材料混合均勻之后再加水?dāng)嚢琛Ｍǔ８砂璧臅r(shí)間控制在1～2 分鐘之內(nèi)，之后再加水?dāng)嚢?～3 分鐘之內(nèi)。單次拌和過(guò)程中不能將攪拌機(jī)械填滿(mǎn)，由于水泥和集料具有較高的粘稠度，單次攪拌量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備難以負(fù)荷[4]。因此，單次攪拌量應(yīng)控制在機(jī)械設(shè)備容量的60%以?xún)?nèi)。

第二，鋼纖維混凝土的運(yùn)輸。混凝土中的粗集料和鋼纖維在運(yùn)輸過(guò)程中有可能逐漸沉積在底部，導(dǎo)致其出現(xiàn)離析的質(zhì)量缺陷，此時(shí)，上層混凝土水泥漿液，骨料和鋼纖維分布在下層，其流動(dòng)性嚴(yán)重下降，水泥泵車(chē)也無(wú)法將其灌注到位。為了避免這一問(wèn)題，施工單位在制備混凝土?xí)r要合理選擇作業(yè)位置，距離澆筑點(diǎn)不能過(guò)遠(yuǎn)，減少路程時(shí)間。另外，鋼纖維混凝土本身存在特定的凝固時(shí)間，通常初凝時(shí)間在1 到3 個(gè)小時(shí)之內(nèi)，鋼纖維混凝土在運(yùn)輸時(shí)要將路程時(shí)間控制在初凝時(shí)間之前[5]。

3 鋼纖維混凝土在道路橋梁施工中的應(yīng)用

3.1 鋼纖維混凝土的應(yīng)用范圍

第一，路面鋪裝。理論上講鋼纖維混凝土材料可用于各種路橋混凝土結(jié)構(gòu)施工，但最主要的使用場(chǎng)景是路面鋪裝。路面結(jié)構(gòu)最常見(jiàn)的質(zhì)量通病是結(jié)構(gòu)性裂縫，這是因?yàn)槁访婊炷两Y(jié)構(gòu)受到地基不均勻沉降、溫度控制不到位等多種因素的影響，容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫。而鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)憑借良好的抗沖擊性和抗拉性，在預(yù)防路面結(jié)構(gòu)裂縫方面具有突出的優(yōu)勢(shì)。

第二，局部加固。路橋的墩臺(tái)、箱梁、排水結(jié)構(gòu)等承受著較大的應(yīng)力或者較為復(fù)雜的環(huán)境條件，這些部位常常產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂縫，為此，可使用鋼纖維混凝土材料對(duì)這些重要的部位進(jìn)行充分的加固，防止其受到應(yīng)力作用而產(chǎn)生裂縫或者表層脫落的問(wèn)題。

第三，樁基施工。橋梁工程的樁基是非常關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)承載物，并且樁基埋設(shè)于地下，容易受到地下水、凍脹等各種不良因素的影響，因此，可使用鋼纖維混凝土材料澆筑樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

3.2 施工準(zhǔn)備

第一，支模。路橋工程現(xiàn)澆混凝土施工要在基礎(chǔ)面上搭建模板，常用的模板材料為膠合板、鋼模板或者鋁合金模板等，在選擇模板時(shí)要綜合考慮其承載能力、密封性以及表面的平整性，模板搭建順序?yàn)榈啄?、?cè)模、端模以及頂模，搭建過(guò)程中要采取有效的措施對(duì)其實(shí)施加固，防止模板在混凝土的沖擊下出現(xiàn)變形，在模板的接縫位置要設(shè)置密封條，防止漏漿。

第二，綁扎鋼筋。路橋工程中，要在混凝土結(jié)構(gòu)中設(shè)置一定數(shù)量的鋼筋，施工前通過(guò)批量檢查的方式對(duì)鋼筋的抗拉性能、屈服強(qiáng)度、抗彎性能等實(shí)施嚴(yán)格的檢查，必要時(shí)可委托專(zhuān)業(yè)的第三方機(jī)構(gòu)。

第三，橋面和路面灑水。鋼纖維混凝土材料含有較大水分，這是確保其流動(dòng)性和凝固效果的關(guān)鍵因素，路面或者橋面的基層具有一定的吸水性，如果直接將混凝土澆筑在干燥的路面或者橋面基層上，混凝土中的水分會(huì)大量流失，進(jìn)而嚴(yán)重影響其凝固質(zhì)量。施工之前應(yīng)該提前3 小時(shí)在基層灑水，確保水分徹底滲透，此時(shí)再澆筑混凝土?xí)r就不會(huì)流失水分，混凝土的運(yùn)輸時(shí)間和等待時(shí)間要在初凝之前。

3.3 鋼纖維混凝土澆筑

第一，機(jī)械檢查。鋼纖維混凝土通過(guò)泵車(chē)澆筑，施工之前嚴(yán)格檢查模板、鋼筋的具體情況，確保其固定牢靠。路橋工程大多采用一次性連續(xù)澆筑的作業(yè)方式，為了保證實(shí)施效果，混凝土運(yùn)輸車(chē)輛和混凝土泵車(chē)之間要達(dá)到良好的配合效果。

第二，澆筑。施工過(guò)程中采用機(jī)械方式作業(yè)，避免混凝土材料堆積在一起，因而要根據(jù)作業(yè)面將其均勻地?cái)備侀_(kāi)來(lái)，如果在局部位置出現(xiàn)堆積，可采用人工方式將其攤鋪均勻?；炷吝\(yùn)輸車(chē)輛和澆筑車(chē)輛應(yīng)該提高配合效果，盡可能避免中斷。

第三，振搗。混凝土振搗操作可使用振搗棒或者振搗器，但是在鋼纖維混凝土的振搗操作中不宜使用振搗棒，因?yàn)檎駬v棒插入到混凝土之后會(huì)導(dǎo)致鋼纖維集中在一起，形成集束，達(dá)不到均勻分布的效果。因而在振搗鋼纖維混凝土?xí)r應(yīng)該以振搗器為主，振搗器只作用在其表面，不會(huì)引發(fā)集束的問(wèn)題。

第四，混凝土結(jié)構(gòu)表面處理。合理情況下鋼纖維應(yīng)該均勻地分布在混凝土材料內(nèi)部，但是在振搗過(guò)程中有些鋼纖維材料會(huì)移動(dòng)到面層，這些暴露在外部的鋼纖維會(huì)成為嚴(yán)重的質(zhì)量缺陷，甚至?xí)潅鳂I(yè)人員。澆筑振搗結(jié)束之后應(yīng)該及時(shí)抹面，使暴露在外的鋼纖維材料重新回到混凝土內(nèi)部。

3.4 后期處理及養(yǎng)護(hù)

第一，切縫。采用一次性連續(xù)澆筑的方式雖然能顯著提高鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)的施工效果，但是在道路凝固之后還要在其表面實(shí)施切縫處理。路橋混凝土結(jié)構(gòu)受到熱脹冷縮效應(yīng)的影響，其體積會(huì)有所變化，尤其是低溫凍脹情況。混凝土結(jié)構(gòu)凝固到一定強(qiáng)度之后，要在其表面切縫，為混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)留出足夠的伸縮空間。在實(shí)施切縫操作時(shí)要控制好間距、深度等參數(shù)，通常切縫間距為30m，深度一般控制在3cm 之內(nèi)，切縫時(shí)要確保混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%以上。

第二，養(yǎng)護(hù)。（1）鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)效果是決定其施工質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，在澆筑完成的初期階段，要監(jiān)控鋼纖維混凝土的內(nèi)部溫度，可在結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置溫度采集傳感器，當(dāng)其超過(guò)安全閾值，可通過(guò)冷水循環(huán)降溫的方式來(lái)加以控制，施工前要事先在混凝土結(jié)構(gòu)中設(shè)置冷水管；（2）在鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)階段要重視環(huán)境溫度，夏季高溫情況下將塑料薄膜覆蓋在結(jié)構(gòu)物表面，可有效防止水分的快速流失，進(jìn)而預(yù)防干縮裂縫。冬季施工時(shí)要將施工時(shí)間控制在下午5點(diǎn)之前，作業(yè)時(shí)的溫度不得低于5℃。實(shí)際上鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)本身具有顯著的抗拉效果，可在一定程度上預(yù)防干縮裂縫和膨脹裂縫，但是基本的養(yǎng)護(hù)措施依然是必要的。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼纖維混凝土材料憑借優(yōu)異的抗拉性能、抗剪性能、抗沖擊性能，可顯著提高道路橋梁工程的質(zhì)量、環(huán)境耐受力以及抗震性能。鋼纖維混凝土材料可用于澆筑路橋工程的樁基、墩柱、墩臺(tái)、箱梁以及路面等結(jié)構(gòu)物。在施工時(shí)要合理配置混合料的比例、鋼纖維的投料方式、攪拌方式，并且在澆筑之后通過(guò)振搗器將混合料密實(shí)到位。