鋼纖維混凝土技術(shù)在公路橋梁施工中的應(yīng)用分析

商國(guó)峰

（東營(yíng)交通發(fā)展集團(tuán)有限公司，山東東營(yíng)257000）

1 工程概況

某市近年來交通運(yùn)輸量不斷提升，轄區(qū)內(nèi)道路橋梁車輛荷載不斷增加，考慮到交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展需求，計(jì)劃采用鋼纖維混凝土對(duì)轄區(qū)內(nèi)多條道路以及橋面進(jìn)行改造升級(jí)。項(xiàng)目選擇在某橋梁中段進(jìn)行鋪設(shè)試驗(yàn)，該橋全長(zhǎng)90.5 m，寬度為10.0 m，上部結(jié)構(gòu)為后張預(yù)應(yīng)力空心板，下部結(jié)構(gòu)為雙柱式橋墩，兩端為“U”形橋臺(tái)，護(hù)欄為鋼護(hù)欄。要求改造升級(jí)后的橋面抗壓強(qiáng)度在40 MPa以上，彎拉強(qiáng)度在5.5 MPa以上，最終將根據(jù)本次鋪設(shè)試驗(yàn)結(jié)果決定是否采用鋼纖維混凝土對(duì)另一大橋橋面進(jìn)行改造升級(jí)。

2 鋼纖維混凝土特點(diǎn)

鋼纖維混凝土作為一種新型材料，主要具備以下特點(diǎn)：（1）強(qiáng)度及重量比值較大。由于在混凝土中加入了鋼纖維，使基體混凝土可以更好地抵御外力作用，其強(qiáng)度及重量比值得到明顯增加。（2）抗剪性能、抗拉性能、抗彎性能及抗扭強(qiáng)度較好[1]。相關(guān)研究證明，在混凝土材料中加入約2%的鋼纖維，雖然其抗壓性能僅能提升約15%，但是其抗拉強(qiáng)度最高可以提升50%，抗彎強(qiáng)度最高可提升80%，抗剪強(qiáng)度最高可提升100%。（3）抗沖擊性能良好?？箾_擊性能指的是材料抵抗荷載或者沖擊作用的能力，鋼纖維混凝土相較于普通混凝土抗沖擊性能可以提升大約5倍，沖擊抗拉、抗彎等性能也能得到大幅提升。（4）收縮性能顯著改善。在常規(guī)鋼纖維摻量條件下，相較于普通混凝土鋼纖維混凝土材料的收縮值可以下降約8%。（5）鋼纖維混凝土的抗彎和抗壓疲勞性能相比普通混凝土有較大改善。當(dāng)摻有1.5%鋼纖維抗彎疲勞壽命為1×106次時(shí)，應(yīng)力比為0.68，而普通混凝土僅為0.51。當(dāng)摻有2%鋼纖維混凝土抗壓疲勞壽命達(dá)2×106次時(shí)，應(yīng)力比為0.92，而普通混凝土僅為0.56。

3 鋼纖維混凝土原材料性能要求及配合比設(shè)計(jì)

3.1 原材料性能要求

鋼纖維混凝土需要使用的原材料主要包括鋼纖維、水泥、粗骨料、細(xì)骨料、水以及外加劑。本項(xiàng)目中選用的鋼纖維材料規(guī)格為0.5 mm×0.5 mm×25 mm，密度為6.8 g/cm3，長(zhǎng)徑比為50，其性能要求見表1。

表1 鋼纖維性能指標(biāo)表

水泥材料作為鋼纖維混凝土的主要材料之一，利用水泥可以將粗骨料、細(xì)骨料以及鋼纖維凝結(jié)為一個(gè)整體，從而形成符合要求的鋼纖維混凝土。本項(xiàng)目中水泥材料選用的是P·O42.5R水泥，其性能見表2。

表2 水泥材料性能指標(biāo)表

鋼纖維混凝土粗骨料一般多采用表面粗糙、棱角較多的碎石。同時(shí)鋼纖維混凝土對(duì)于粗骨料粒徑要求較為嚴(yán)格，一般不能超過鋼纖維粒徑的65%，最大粒徑不宜超過20 mm，否則會(huì)導(dǎo)致鋼纖維集中在粗骨料周圍，難以實(shí)現(xiàn)均勻分布，進(jìn)而影響鋼纖維對(duì)基體混凝土的增強(qiáng)效果。本項(xiàng)目中采用的是本地區(qū)碎石，最小粒徑為4.75 mm，最大粒徑為19 mm。

鋼纖維混凝土中的細(xì)骨料應(yīng)采用耐久性好、質(zhì)地較為堅(jiān)硬的機(jī)械砂、天然砂或者混合砂，其主要作用是填充粗骨料空隙，從而使水泥、粗骨料以及鋼纖維凝結(jié)為一個(gè)整體。本項(xiàng)目中采用的是附近的天然河砂。

本項(xiàng)目采用的水為飲用水，符合鋼纖維混凝土拌和要求。外加劑采用高效緩凝減水劑，以改善鋼纖維混凝土和易性，提升強(qiáng)度。

3.2 配合比設(shè)計(jì)特點(diǎn)

相較于普通混凝土配合比設(shè)計(jì)，鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：

1）需要摻入一定量鋼纖維，以提高混凝土抗彎、抗拉、抗疲勞能力和韌性。因此，在配合比設(shè)計(jì)的強(qiáng)度控制方面，當(dāng)有抗壓強(qiáng)度要求時(shí)，除按抗壓強(qiáng)度控制外，還應(yīng)根據(jù)工程性質(zhì)和要求，按彎拉強(qiáng)度控制，確定拌和料的配合比，以充分發(fā)揮鋼纖維混凝土的增強(qiáng)作用。

2）設(shè)計(jì)鋼纖維混凝土配合比時(shí)，必須考慮鋼纖維是否可以均勻分布，以充分發(fā)揮鋼纖維的強(qiáng)化作用。

3）摻入鋼纖維時(shí)，會(huì)影響混凝土的和易性，因此，在配合比設(shè)計(jì)上應(yīng)適當(dāng)增加水泥以及單位用水量。

3.3 配合比設(shè)計(jì)要求

鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)應(yīng)滿足4項(xiàng)基本要求，具體如下：（1）配合比設(shè)計(jì)必須符合項(xiàng)目要求的耐久性以及強(qiáng)度；（2）配合比設(shè)計(jì)的和易性必須符合施工要求；（3）配合比設(shè)計(jì)要兼顧經(jīng)濟(jì)性，合理控制成本；（4）配合比設(shè)計(jì)要最大限度發(fā)揮鋼纖維對(duì)基體混凝土的增強(qiáng)作用。

4 鋼纖維混凝土在道路橋梁施工中的應(yīng)用

4.1 施工準(zhǔn)備

施工準(zhǔn)備環(huán)節(jié)的主要工作包括清理施工區(qū)域、布置鋼筋網(wǎng)、安裝模板以及綁扎鋼筋網(wǎng)。在正式施工前，需要做好以下準(zhǔn)備工作：

1）對(duì)橋面進(jìn)行全面檢查，檢查內(nèi)容包括橋面是否清理干凈、焊接處理是否到位、鋼筋綁扎是否存在問題。

2）檢查施工設(shè)備器具，主要包括鋼纖維混凝土拌和設(shè)備、振搗設(shè)備、運(yùn)輸車輛以及供電設(shè)備，確保各項(xiàng)設(shè)備器具性能優(yōu)良。

3）對(duì)模板標(biāo)高進(jìn)行復(fù)核，確保與施工方案設(shè)計(jì)保持一致、檢查模板固定是否牢固，若發(fā)現(xiàn)問題要及時(shí)處理，以防在振搗過程中出現(xiàn)跑?；蚵{等情況，影響施工質(zhì)量。考慮到本項(xiàng)目施工期在9月份，雷雨天氣較多，施工前還應(yīng)準(zhǔn)備好雨棚，以防突降暴雨[2]。

4.2 鋼纖維混凝土拌和、運(yùn)輸

在施工過程中，鋼纖維混凝土拌和以及運(yùn)輸都是影響施工質(zhì)量的關(guān)鍵性因素之一。在本項(xiàng)目中，鋼纖維混凝土拌和設(shè)備采用雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)，為確保鋼纖維均勻分布在基體混凝土中，避免拌和過程中出現(xiàn)結(jié)團(tuán)情況，拌和時(shí)單次拌和量控制在攪拌機(jī)額定拌和量的80%以下，材料采用機(jī)械投放，投放順序如下：碎石、鋼纖維（50%）、砂、水泥、鋼纖維（50%）、水、高效緩凝減水劑。攪拌時(shí)間為：首次加入鋼纖維時(shí)拌和1 min，二次加入鋼纖維時(shí)拌和1 min，加入高效緩凝減水劑后拌和2 min，拌和總時(shí)長(zhǎng)需要控制在6 min以內(nèi)，一旦超拌可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)團(tuán)情況。

鋼纖維混凝土在運(yùn)輸過程中必須確保不出現(xiàn)離析情況。在本項(xiàng)目中，攪拌機(jī)設(shè)置在橋頭位置（本項(xiàng)目屬于試驗(yàn)性質(zhì)，混凝土用量較小，因此，在施工現(xiàn)場(chǎng)完成拌和），距離施工區(qū)域較近，使用小型自卸四輪車運(yùn)輸鋼纖維混凝土，要求車輛將鋼纖維混凝土運(yùn)輸至澆筑施工區(qū)域卸料時(shí)，高度控制在1.5 m以下，避免鋼纖維混凝土出現(xiàn)離析情況。

4.3 鋼纖維混凝土澆筑、振搗

本項(xiàng)目中，鋼纖維混凝土澆筑施工采用三輥軸機(jī)組鋪筑工藝，施工流程為：布料—密集排振—拉桿安裝—補(bǔ)料—三輥軸整平。攤鋪系數(shù)約控制在1.2，攤鋪過程中嚴(yán)禁耬耙或拋擲，避免拌和物出現(xiàn)離析情況。攤鋪過程中如發(fā)現(xiàn)有結(jié)團(tuán)情況，須人工將其撕開抖散，也可以直接將其剔除，避免出現(xiàn)蜂窩。需要注意的是，鋼纖維混凝土從運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)到澆筑施工完成，整個(gè)過程應(yīng)控制在40 min以內(nèi)。

本項(xiàng)目中鋼纖維混凝土振搗采用的是平板振動(dòng)器與插入式振動(dòng)器配合的振搗方式，振搗過程中施工人員配合振搗作業(yè)對(duì)混凝土再次進(jìn)行整平。需要注意的是，由于鋼纖維混凝土相較于普通混凝土流動(dòng)性較差，邊角位置容易出現(xiàn)蜂窩，因此，振搗時(shí)可以先從邊角位置開始。鋼纖維混凝土振搗時(shí)間以其停止下沉、不冒氣泡、泛出水泥漿為準(zhǔn)，應(yīng)避免過振。

4.4 鋼纖維混凝土養(yǎng)護(hù)

由于本項(xiàng)目施工時(shí)間在9月份，氣溫相對(duì)較高，因此，采用濕法對(duì)鋼纖維混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。在鋼纖維混凝土終凝后，以土工布覆蓋混凝土面，同時(shí)間斷性地進(jìn)行灑水作業(yè)，使鋼纖維混凝土表面保持一定濕度。本項(xiàng)目中鋼纖維混凝土養(yǎng)護(hù)周期為7 d，在養(yǎng)護(hù)期間該路段交通完全封閉，嚴(yán)禁車輛行人通過，待養(yǎng)護(hù)完成檢測(cè)橋面各項(xiàng)性能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后方可開放交通[3]。

4.5 抗滑處理

路面抗滑處理一般多采用拉槽法、壓紋法以及刻紋法，考慮到本項(xiàng)目采用的是鋼纖維混凝土，采用拉槽法或者壓紋法無法達(dá)到橋面抗滑構(gòu)造的深度要求，并且可能會(huì)帶出混凝土中的鋼纖維，因此，決定使用刻紋法。待鋼纖維混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%后，采用刻紋機(jī)沿橫向進(jìn)行刻紋，刻紋深度為3 mm，刻紋間距為25 mm。對(duì)橋面進(jìn)行刻紋后，能夠提升橋面摩阻系數(shù)，同時(shí)對(duì)于橋面干擾程度較小，并且可以防止混凝土中的鋼纖維被帶出，綜合施工效果良好。

4.6 橋面切縫

本項(xiàng)目采用的是縱向分幅的施工方式，因此，橋面可以不設(shè)縱向切縫，僅設(shè)橫向切縫即可。切縫間距為20 m，切縫寬度為5 mm，切縫深度為3 mm，要求切縫與護(hù)欄基礎(chǔ)位置的假縫保持對(duì)齊。切縫施工在鋼纖維混凝土強(qiáng)度達(dá)到15 MPa后進(jìn)行，完成切縫施工后需要進(jìn)行灌縫處理，灌縫材料選擇聚氨酯焦油。

5 結(jié)語

綜上所述，鋼纖維混凝土相較于普通混凝土具有明顯優(yōu)勢(shì)，在道路橋梁工程施工中采用鋼纖維混凝土材料，可以顯著提升路面或橋面力學(xué)性能，有效延長(zhǎng)道路橋梁使用壽命，保障交通運(yùn)輸安全，綜合效益良好。