橋梁施工中鋼纖維混凝土技術(shù)的應(yīng)用分析

黃永智

【摘 要】文章介紹了鋼纖維混凝土的概念和工程特性，總結(jié)了該種材料在工程施工中的技術(shù)要點(diǎn)，如分散裝置設(shè)置、投料和攪拌、振搗和澆筑、接縫處理、摻量檢驗(yàn)和養(yǎng)護(hù)等;歸納了鋼纖維混凝土在橋梁施工中的應(yīng)用情況，如橋面鋪裝和橋體加固等;以桂林某橋梁工程為案例，分析了鋼纖維混凝土的工程特性與應(yīng)用價(jià)值，并給出了提高鋼纖維強(qiáng)度的具體措施。

【關(guān)鍵詞】鋼纖維;混凝土;技術(shù)

【中圖分類號(hào)】U445.57 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2022）04-0179-03

0 引言

“十四五”期間，為助力我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和現(xiàn)代化各領(lǐng)域的發(fā)展，交通設(shè)施的建設(shè)將進(jìn)一步提速，而作為交通基礎(chǔ)設(shè)施的橋梁工程，無論是在數(shù)量和質(zhì)量方面都有了更高的要求。近些年，隨著橋梁工程施工領(lǐng)域各項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展，施工的自動(dòng)化和機(jī)械化程度也在提高，使得橋梁施工企業(yè)不斷朝著短工期、高質(zhì)量、低成本的發(fā)展方向縱深邁進(jìn)?；炷潦菢蛄汗こ淌┕ぶ谐Ｓ玫牟牧?，其性能對(duì)橋梁工程的質(zhì)量和安全具有重要影響，鑒于此，橋梁工程技術(shù)人員對(duì)混凝土特性展開了深入的研究。鋼纖維混凝土技術(shù)是伴隨著新的施工理念、施工設(shè)備和施工標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展起來的，在回彈率、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)韌性（抗拉、抗彎、抗剪性能）等方面具有很多優(yōu)點(diǎn)，其抗疲勞和抗腐蝕性能較好。鋼纖維混凝土材料的成本較低，屬于環(huán)保型施工材料。鋼纖維混凝土施工技術(shù)常用于橋面的鋪裝和橋體結(jié)構(gòu)的加固中，工程效果十分顯著[1]。

1 鋼纖維混凝土的概念和工程特性

1.1 概念

鋼纖維混凝土是一種多相復(fù)合材料，即在普通的混凝土中摻入一定量的短鋼纖維而成，這些數(shù)量的短鋼纖維呈無序、雜亂分布，可在一定程度上防止混凝土內(nèi)部和外部裂縫發(fā)生，有效地提高了混凝土的抗拉、抗彎和抗疲勞等性能，具有很強(qiáng)的延展性和抗沖擊性。

1.2 工程特性

鋼纖維混凝土的纖維體積率一般為1%～2%，相比普通混凝土，其抗拉強(qiáng)度提高50%以上，抗彎強(qiáng)度提升70%，抗剪強(qiáng)度提高60%左右，但抗壓強(qiáng)度提高幅度較小，一般在25%以內(nèi)，抗壓韌性顯著提高。

在現(xiàn)代的施工工藝中，多使用濕噴鋼纖維混凝土，其鋼纖維長度一般為20～40 mm，厚度為0.5 mm左右。鋼纖維混凝土的工程特性如下：鋼纖維不發(fā)生回彈，或回彈率較低（5%～10%）;混凝土質(zhì)量比較均勻，強(qiáng)度一般達(dá)55 MPa，在特殊情況下可達(dá)100 MPa或更高;粉塵少、污染小、作業(yè)安全;水灰比小、透水性低;不需要特殊防腐處理，自身具備一定的防腐蝕和防電解能力。

2 鋼纖維混凝土施工注意要點(diǎn)

2.1 鋼纖維分散裝置設(shè)置

鋼纖維混凝土在橋梁工程施工中使用時(shí)，應(yīng)先設(shè)置鋼纖維分散裝置，這是主要技術(shù)措施之一，是保障鋼纖維混凝土工程性能在施工中有效發(fā)揮的關(guān)鍵，更是保障橋梁工程施工質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。使用鋼纖維混凝土分散裝置，可以使鋼纖維的長度、尺寸等符合工程質(zhì)量要求。分散裝置一般設(shè)置在攪拌機(jī)的上方，能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)的無人值守鋼纖維分散模式，節(jié)省了大量的人力成本。

2.2 鋼纖維混凝土投料與攪拌

鋼纖維混凝土的投料與攪拌過程十分重要，為達(dá)到橋梁工程施工工藝標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)嚴(yán)格規(guī)范投料與攪拌的具體流程。鋼纖維混凝土投料時(shí)的順序?yàn)橄雀珊鬂?，即先投入干料再投入濕料，并且在這個(gè)過程中應(yīng)注意分級(jí)投料，以避免鋼纖維發(fā)生固結(jié)等影響施工的情況，通常情況下的投料次序?yàn)樯啊⑺槭?、水泥、鋼纖維，投料完成后使用攪拌機(jī)進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁瑫r(shí)間一般為2 min，此時(shí)加入水及其他外加劑，濕料的攪拌時(shí)間約1 min。應(yīng)注意的問題是，為使鋼纖維制備質(zhì)量符合施工要求，應(yīng)選用合適的攪拌機(jī)，確保鋼纖維制備的效果最佳，應(yīng)使用雙錐反轉(zhuǎn)式出料攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，這種攪拌機(jī)能夠滿足特殊的工程質(zhì)量需求，不具備此種攪拌機(jī)的施工企業(yè)，也可以使用強(qiáng)制式攪拌機(jī)代替，施工人員應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場的實(shí)際情況調(diào)整攪拌機(jī)工作時(shí)間，例如在鋼纖維含量較大且坍落度較小的情況時(shí)，應(yīng)避免攪拌機(jī)長時(shí)間高負(fù)荷工作，以延長攪拌機(jī)的使用壽命[2]。

2.3 鋼纖維混凝土振搗和澆筑

鋼纖維混凝土在振搗和澆筑時(shí)應(yīng)注意以下問題：？譹？訛澆筑接頭不宜明顯，否則會(huì)影響鋼纖維混凝土澆筑質(zhì)量，為獲得具有較好整體性和連續(xù)性的鋼纖維混凝土，應(yīng)控制好澆筑的速度和厚度。？譺？訛振搗時(shí)禁止使用插入式的振搗方法，否則會(huì)發(fā)生集束效應(yīng)，應(yīng)盡可能使鋼纖維集中在振動(dòng)棒位置，以使鋼纖維混凝土具有較好的均勻性。？譻？訛為使鋼纖維混凝土具有更好的密實(shí)度并形成二維平面的分布方式，應(yīng)使用平板振動(dòng)器進(jìn)行輔助振搗。？譼？訛鋼纖維混凝土呈不規(guī)則分布，可采用真空吸水法去除其中的氣泡，保證鋼纖維混凝土的質(zhì)量。

2.4 鋼纖維混凝土接縫

鋼纖維混凝土具有較好的抗裂性及收縮性，在橋梁局部封閉式施工時(shí)，可使用混凝土攤鋪機(jī)進(jìn)行整幅式處理，可不必設(shè)置縱縫，當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)（設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%）后可進(jìn)行接縫切割。在非封閉式施工情況下，可能受到風(fēng)、光、雨、熱等外界環(huán)境的影響，鋼纖維混凝土自身的延展性等也會(huì)發(fā)生細(xì)微的變化，因此可設(shè)置縱縫減弱鋼纖維混凝土的性能變化，當(dāng)混凝土強(qiáng)度超過設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%后再進(jìn)行切縫。

2.5 摻量檢驗(yàn)和養(yǎng)護(hù)

鋼纖維的摻量應(yīng)該在混凝土澆筑位置進(jìn)行取樣檢驗(yàn)，并且每個(gè)工作班時(shí)間內(nèi)至少進(jìn)行2次檢驗(yàn)，每次取3份檢驗(yàn)樣品，每份檢驗(yàn)樣品為10 L。使用水洗法進(jìn)行鋼纖維摻量的檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將鋼纖維全部從混凝土中洗出，曬干后再進(jìn)行稱重，并且單份樣品中的鋼纖維量誤差應(yīng)控制在配比摻量的20%以內(nèi)，3份以上樣品的鋼纖維量誤差應(yīng)控制在配比摻量的5%以內(nèi)。鋼纖維的混凝土表面濕潤時(shí)間應(yīng)超過7 d且時(shí)間越長越好，其表面的養(yǎng)護(hù)材料可選用濕草袋。鋼纖維轉(zhuǎn)換梁在進(jìn)行養(yǎng)護(hù)時(shí)應(yīng)遮光、避雨、避風(fēng)，因此應(yīng)做好防光、防風(fēng)和防雨措施，進(jìn)行封閉式養(yǎng)護(hù)。鋼纖維轉(zhuǎn)換梁在進(jìn)行拆模時(shí)應(yīng)注意混凝土的強(qiáng)度是否滿足要求，一般在混凝土達(dá)到28 d的強(qiáng)度后進(jìn)行拆模，在冬季施工時(shí)還應(yīng)做好防寒、防凍措施[3]。

3 鋼纖維混凝土技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

隨著橋梁工程施工領(lǐng)域各方面技術(shù)的不斷進(jìn)步，鋼纖維混凝土的應(yīng)用空間也越來越廣闊，良好的工程特性使其可廣泛用于橋梁施工的各個(gè)環(huán)節(jié)，如橋面鋪裝、橋梁墩臺(tái)局部加固、橋梁上部結(jié)構(gòu)加固、鋼筋混凝土樁加固等。

3.1 橋面鋪裝

鋼纖維混凝土具備多種優(yōu)良的工程特性，使得其在工程應(yīng)用時(shí)可節(jié)省更多的材料，如使用鋼纖維混凝土進(jìn)行橋面鋪裝時(shí)，橋面的厚度一般僅為普通混凝土厚度的一半。此外，鋼纖維混凝土橋面在抗裂、抗折和耐久等方面的性能也優(yōu)于普通混凝土橋面，并且對(duì)提高橋梁自身剛度、降低橋梁自重、優(yōu)化橋梁整體受力狀態(tài)、提高路面行車舒適度等方面都具有特殊的作用。鋼纖維混凝土用于橋面鋪裝時(shí)橋面通常做成雙層或者3層結(jié)構(gòu)，在雙層鋼纖維混凝土橋面結(jié)構(gòu)中，上層一般使用鋼纖維混凝土，而下層則多為普通混凝土，如橡膠瀝青混凝土等。在3層鋼纖維混凝土橋面結(jié)構(gòu)中，上層和下層多使用鋼纖維混凝土，而中間層則使用普通混凝土。3層鋼纖維混凝土橋面結(jié)構(gòu)一般較為復(fù)雜，施工難度很大，質(zhì)量要求較為嚴(yán)格，多用于機(jī)械化、自動(dòng)化施工水平較高的工程項(xiàng)目中。

3.2 橋梁墩臺(tái)局部加固

橋梁在長期的行車荷載作用下極易發(fā)生墩臺(tái)、橋面板裂縫現(xiàn)象，情況嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起墩臺(tái)、橋面板表層的脫落，為減少這種情況發(fā)生，應(yīng)對(duì)橋梁墩臺(tái)等結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加固工作?？墒褂脟娚錂C(jī)進(jìn)行鋼纖維混凝土的噴射作業(yè)，噴射厚度設(shè)置為5～20 cm，這種厚度對(duì)提高橋梁整體的抗震性具有一定的作用。鋼纖維混凝土應(yīng)使用摻量為1%的剪切鋼纖維，為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)早期抗裂性能，可使用硫鋁酸鹽速硬水泥和TS型速凝劑，在原有混凝土表面可局部鑿毛或噴涂鋼纖維混凝土，增強(qiáng)新舊混凝土之間的聯(lián)系性和整體性[4]。

3.3 橋梁上部結(jié)構(gòu)加固

鋼纖維混凝土用于橋梁上部結(jié)構(gòu)加固主要有兩種方法：一種是橋梁上部結(jié)構(gòu)的主梁使用鋼纖維混凝土，另一種是在橋體應(yīng)力較為集中的位置作局部加固，進(jìn)而改善橋體結(jié)構(gòu)的受力情況，控制橋梁結(jié)構(gòu)形變并降低橋體結(jié)構(gòu)自重，達(dá)到橋梁工程整體施工標(biāo)準(zhǔn)和使用要求。鋼纖維混凝土提高了橋梁結(jié)構(gòu)整體性能的同時(shí)也增強(qiáng)了橋梁外觀的美感，從降低施工成本的角度出發(fā)，也可大大減少橋體上部結(jié)構(gòu)材料的使用量，橋體上部結(jié)構(gòu)材料用量的減少使得下部墩臺(tái)的數(shù)量也隨之減少，因此使用鋼纖維混凝土進(jìn)行橋梁上部結(jié)構(gòu)加固，在滿足特定情況下施工需求的同時(shí)，對(duì)降低工程成本、提高經(jīng)濟(jì)效益也具有一定作用。

3.4 鋼筋混凝土樁加固

樁體在受到強(qiáng)大沖擊力情況下，各部分結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生不同程度的變化，其中樁頂部受到的沖擊力和破壞力最強(qiáng)，為有效避免樁頂部在錘入一定深度后發(fā)生破裂或折斷的情況，可使用鋼纖維混凝土對(duì)樁頂部進(jìn)行加固，以增強(qiáng)樁頂部的抗擊穿能力，這對(duì)提高樁整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也有一定的好處。

4 工程案例分析

4.1 工程概況

以廣西桂林市某大橋施工為例，該橋頭為軟土地基，粉噴樁處理，橋臺(tái)結(jié)合處路基和橋臺(tái)的剛度存在較大差異，通過測(cè)量發(fā)現(xiàn)，路基下沉量超出橋臺(tái)下沉量，為此計(jì)劃在橋臺(tái)和路基結(jié)合處架設(shè)搭板枕梁，橋面和搭板枕梁使用鋼纖維混凝土進(jìn)行施工，防止發(fā)生橋頭跳車現(xiàn)象。鋼纖維混凝土的設(shè)強(qiáng)度等級(jí)為C40，抗折強(qiáng)度為7.2 MPa，稠度約40 mm，嚴(yán)格控制水泥用量（450 kg/m3以內(nèi)）。

4.2 鋼纖維混凝土施工過程

4.2.1 施工材料的選用

首先，篩選鋼纖維材料。鋼纖維材料的力學(xué)特性應(yīng)不低于常規(guī)類工程材料中一級(jí)碳素鋼特性的要求，鋼纖維長度、直徑等參數(shù)指標(biāo)也應(yīng)符合工程施工標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼纖維太長或太短都會(huì)影響混凝土結(jié)構(gòu)特性，例如直徑太粗會(huì)增加鋼纖維體積而影響美觀，鋼纖維直徑太細(xì)又容易折斷，因此應(yīng)控制好鋼纖維長徑比。在詳細(xì)分析了以往施工經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)工程資料后，擬選用揚(yáng)州某化纖廠生產(chǎn)的鋼纖維（剪切型）作為施工材料，其長度為3 cm，抗拉強(qiáng)度可達(dá)400 MPa，等效直徑為0.5 mm。其次，選取水泥材料。本項(xiàng)目中擬使用普通的硅酸鹽水泥，外加粉煤灰作為水泥的礦物活性劑，細(xì)骨料砂的標(biāo)準(zhǔn)為不含氯鹽等相關(guān)成分，細(xì)度模數(shù)范圍為2.4～3.0，選用福建某廠商生產(chǎn)的河砂，這種河砂不含氯鹽和貝殼等不利成分，細(xì)度模數(shù)為3.0，各用料施工配比如下：水泥∶砂∶碎石∶粉煤灰∶鋼纖維∶水=1∶1.52∶2.65∶0.02∶0.23∶0.45，水泥用量為450 kg/m3，砂率為35.5，坍落度為40 mm，28 d抗壓強(qiáng)度為46.5 MPa，抗折強(qiáng)度為8.5 MPa。

4.2.2 具體施工過程

鋼纖維混凝土的具體施工過程包括投料、攪拌、運(yùn)輸、振搗和澆筑、找平修整、養(yǎng)護(hù)及質(zhì)量控制。各施工用料通過自動(dòng)的稱重計(jì)量裝置進(jìn)行投料，使用強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行二次投料攪拌，記錄攪拌時(shí)間后發(fā)現(xiàn)，鋼纖維混凝土的攪拌時(shí)間比普通混凝土長3 min左右，鋼纖維使用機(jī)械裝置進(jìn)行分散加入，使用自卸車進(jìn)行運(yùn)輸以確保鋼纖維混凝土在運(yùn)輸過程中不會(huì)發(fā)生離析，振搗過程應(yīng)保持均勻。在橋面和搭板枕梁施工過程中，應(yīng)保證鋼纖維混凝土一次性澆筑完成。由于鋼纖維混凝土的流動(dòng)性較差，很容易發(fā)生堆積成團(tuán)的現(xiàn)象，因此需使用多點(diǎn)澆筑、連續(xù)澆筑的方式。完成澆筑后開始進(jìn)行找平。在進(jìn)行混凝土表面收光時(shí)，禁止拋撒水泥，可使用少量水泥砂灰代替，其中水泥∶砂為1∶15，最后進(jìn)入鋼纖維混凝土的養(yǎng)護(hù)與質(zhì)量控制環(huán)節(jié)，這個(gè)過程與普通混凝土方法一致。

4.3 鋼纖維混凝土應(yīng)用效果

本工程案例在橋面和搭板枕梁的施工中使用了鋼纖維混凝土材料，旨在平衡橋臺(tái)結(jié)合處構(gòu)件的剛度差異并提高橋梁整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在完成鋼纖維混凝土養(yǎng)護(hù)和質(zhì)量控制后，測(cè)量人員對(duì)橋臺(tái)結(jié)合處、橋面等部分進(jìn)行實(shí)地檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，應(yīng)用鋼纖維混凝土材料后，橋臺(tái)結(jié)合處構(gòu)件剛度差異性減弱效果明顯，橋面平整且富有韌性，能夠有效抵抗標(biāo)準(zhǔn)荷載車輛通行所引起的正常沖擊，橋梁整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和強(qiáng)度等指標(biāo)均符合工程施工標(biāo)準(zhǔn)和行車安全要求。同時(shí)，施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)人員計(jì)劃在半年后再次對(duì)該橋梁各部分進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)重點(diǎn)放在橋梁使用的耐久性和抗腐蝕性等方面，以進(jìn)一步論證鋼纖維混凝土材料的實(shí)際應(yīng)用效果。

5 鋼纖維強(qiáng)度的影響因素與改善措施

當(dāng)前，國內(nèi)外工程建設(shè)領(lǐng)域已廣泛而深入地展開了有關(guān)鋼纖維的理論研究，如纖維間距理論、微觀斷裂理論和復(fù)合材料理論等。結(jié)合大量的工程試驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用，有數(shù)據(jù)表明鋼纖維的強(qiáng)度主要與以下因素有關(guān)：基體強(qiáng)度（fm），鋼纖維黏結(jié)長度（長徑比：I/d，I代表鋼纖維長度，d代表鋼纖維直徑），鋼纖維體積率（鋼纖維所占混凝土總體積的百分?jǐn)?shù)），鋼纖維和基體之間黏結(jié)強(qiáng)度（T）和基體中鋼纖維具體分布、取向（η），鋼纖維形狀，鋼纖維和基體之間摩擦阻力、咬合力。相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)鋼纖維混凝土受到破壞時(shí)，多數(shù)情況是鋼纖維被拔出而非拉斷，因此改善鋼纖維和基體之間黏結(jié)強(qiáng)度（T）是改善鋼纖維強(qiáng)度的核心措施。上述改善鋼纖維強(qiáng)度的理論依據(jù)可參考鋼纖維混凝土相關(guān)的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式，這里不再贅述。

6 結(jié)語

混凝土強(qiáng)度是評(píng)估一個(gè)國家工程建設(shè)水平的重要指標(biāo)之一，雖然我國當(dāng)前混凝土施工技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，無論是混凝土產(chǎn)量還是質(zhì)量方面都取得了較大的進(jìn)步，但是與國外發(fā)達(dá)國家相比仍存在一定的差距，在混凝土的強(qiáng)度、韌性及抗腐蝕性等方面，我國已進(jìn)行了大量的實(shí)踐工作，并取得了豐富的研究成果，由我國自主研制并生產(chǎn)的鋼纖維制備一體化設(shè)備已出口東南亞等國家，相信在不久的未來，我國在鋼纖維混凝土施工技術(shù)領(lǐng)域的研究一定能實(shí)現(xiàn)更大范圍的突破，屆時(shí)鋼纖維混凝土技術(shù)也會(huì)有更廣闊的的應(yīng)用空間。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]孫虎.公路橋梁施工中鋼纖維混凝土技術(shù)的應(yīng)用[J].四川建材，2021（12）：85-86.

[2]朱仕林.現(xiàn)代路橋施工中鋼纖維混凝土的施工技術(shù)分析[J].建筑與預(yù)算，2020（2）：64-66.

[3]朱威.道路橋梁施工中鋼纖維混凝土技術(shù)應(yīng)用研究[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2020（24）：34-35.

[4]韓景科.鋼纖維混凝土技術(shù)在道路橋梁施工中的應(yīng)用新探[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2020（5）：180-182.