鋼纖維混凝土在橋梁施工中的應(yīng)用

石永在

（內(nèi)蒙古路橋集團(tuán)有限責(zé)任公司六分公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010012）

1 工程概況

包茂高速公路包頭至東勝段改擴(kuò)建工程BMTJ-2 標(biāo)為本標(biāo)段主線舊路改擴(kuò)建工程，老路為雙向四車道，路基寬度為24.5m/26.0m。采用兩側(cè)拼接方式擴(kuò)建為8車道，整體式路基寬41.0m（每側(cè)加寬7.5～8.25m），設(shè)計(jì)速度為100km/h，其橫斷面組成為：行車道寬2×（4×3.75）m，中間帶寬3.5m（含2×0.75m 左側(cè)路緣帶），硬路肩寬2×3.0m （含2×0.5m 右側(cè)路緣帶），土路肩2×0.75m。其中，橋梁工程采用鋼纖維混凝土技術(shù)進(jìn)行施工。

2 鋼纖維簡介

鋼纖維的特性會受到施工工藝的影響，不同的制造工藝獲得的鋼纖維性質(zhì)也會存在差異。鋼纖維可以分為以下4種。

（1）剪切鋼纖維

這種類型的鋼纖維厚度一般比較小，約為0.3～0.6mm。但也正是受到材料的限制，其能夠達(dá)到的抗拉強(qiáng)度比較小，通常在700MPa左右。

（2）切斷鋼纖維

這種類型的鋼纖維抗彎、抗拉性能突出，但也存在鋼纖維與混凝土黏結(jié)不充分的問題，難以形成整體，有一定的局限性。

（3）切削鋼纖維

這種類型的鋼纖維是采用厚鋼板和鋼錠制造而成，硬度大、強(qiáng)度高，且鋼纖維和混凝土黏結(jié)也較為充分。

（4）熔抽鋼纖維

這種類型的鋼纖維由鋼水冷卻制造而成，具有抗拉強(qiáng)度高、延彈性良好的優(yōu)勢。但鋼水在冷卻的過程中，表面的鋼水會與氧氣反應(yīng)形成氧化膜，這層氧化膜的出現(xiàn)會降低鋼纖維與混凝土的黏結(jié)性。

2.1 鋼纖維混凝土的性能

鋼纖維混凝土是一種由混凝土和鋼纖維混合而成的復(fù)合材料，具體是根據(jù)試驗(yàn)室配比方案在普通混凝土中摻和一定量的鋼纖維制作而成。

（1）鋼纖維材料的加入改變了原混凝土的結(jié)構(gòu)類型，優(yōu)化了強(qiáng)度，使整個(gè)材料的強(qiáng)度得到了極大的提升。但鋼纖維的密度大，因在普通混凝土中加入了鋼纖維，所以同體積的鋼纖維混凝土的質(zhì)量較大。

（2）在巨大且反復(fù)行車荷載的沖擊下，普通混凝土施工的路橋結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)斷板的情況。鋼纖維具有良好的韌性，因而鋼纖維的加入會提升混凝土的抗沖擊韌性，增強(qiáng)路基路面結(jié)構(gòu)的承載力。總結(jié)眾多施工經(jīng)驗(yàn)來看，與普通混凝土相比，鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度得到了極大提升，是普通混凝土抗壓強(qiáng)度的2倍，且抗拉強(qiáng)度、抗彎性能優(yōu)越。

（3）鋼纖維的彈性變形能力強(qiáng)，因而在混凝土中加入鋼纖維還能夠改善混凝土的變形問題，增加路面抵抗變形的能力，降低工后沉降。

2.2 鋼纖維混凝土的特點(diǎn)

（1）鋼纖維混凝土優(yōu)勢突出，具有良好的抗裂、抗拉、抗彎、抗剪、抗疲勞及抗凍性能[1]，并且可以節(jié)約施工材料的用量和控制施工成本。在路橋、機(jī)場跑道及廠房地面等工程項(xiàng)目中采用鋼纖維混凝土進(jìn)行澆筑施工，不僅可以減少鋼筋材料的消耗，還可以控制澆筑厚度，混凝土澆筑厚度可降低到一半，并且有效延長工程的使用壽命；若在鐵路、礦山隧道內(nèi)襯等工程項(xiàng)目中采用鋼纖維混凝土實(shí)施澆筑，可以減少鋼筋的用量，并省去盤條和金屬網(wǎng)配筋，保證工程質(zhì)量，對工程的長期安全使用具有積極意義。

（2）鋼纖維混凝土最突出的優(yōu)勢是改善了普通混凝土的抗裂及抗沖擊性能，當(dāng)鋼纖維混凝土澆筑的路橋結(jié)構(gòu)遭受行車荷載和沖擊時(shí)，分布于混凝土中的數(shù)百萬根鋼纖維能夠發(fā)揮作用，防止混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂。若在剛性屋面和防水工程中采用鋼纖維混凝土實(shí)施澆筑，鋼纖維的加入會大大提高混凝土的抗裂性能，改善建筑物的防漏性能，并且延長屋面的使用壽命，提高經(jīng)濟(jì)效益。

（3）采用鋼纖維混凝土不需要設(shè)置縱縫，可以用于建筑物的修補(bǔ)，有利于處理年久失修或失火燒損的建筑物補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)問題，還能夠保證建筑工程的質(zhì)量。

3 鋼纖維混凝土施工技術(shù)的應(yīng)用

3.1 施工準(zhǔn)備階段

綜合考慮施工項(xiàng)目的實(shí)際情況，先確定鋼纖維混凝土設(shè)備施工場地，并校驗(yàn)檢查施工設(shè)備，實(shí)施調(diào)試，做好準(zhǔn)備工作。在制作鋼纖維混凝土?xí)r，嚴(yán)格根據(jù)相關(guān)規(guī)范執(zhí)行，最后對鋼纖維混凝土材料進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收，確保鋼纖維混凝土的性能穩(wěn)定，鋼纖維混凝土在轉(zhuǎn)運(yùn)到施工現(xiàn)場后也要進(jìn)行驗(yàn)收。在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目工期和鋼纖維混凝土的特點(diǎn)確定混凝土澆筑方式，確保在規(guī)定工期內(nèi)保質(zhì)保量完成混凝土施工。

3.2 鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)

以施工規(guī)劃和施工圖紙為參考標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求精確確定鋼筋位置，并在確定位置做醒目標(biāo)記。鋼筋交匯位置，應(yīng)根據(jù)工程設(shè)計(jì)完成鉆孔，鉆孔間距為20cm，打孔完畢后將短鋼筋插入孔內(nèi)。先根據(jù)施工標(biāo)準(zhǔn)加工短鋼筋，截?cái)噤摻?，保證短鋼筋長度與設(shè)計(jì)長度相符合。定位后即可開展鋼筋鋪設(shè)作業(yè)，鋪設(shè)的鋼材采用直徑為12cm 和8cm 的補(bǔ)強(qiáng)鋼筋，并用鋼絲綁扎，確保綁扎松緊適度，鋼筋不松動。

3.3 安裝鋼模板

完成鋼筋鋪設(shè)作業(yè)后即可進(jìn)入模板安裝工序，先將鋼模板架起支立，再檢查模板的高度，并根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)高對模板進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，保證鋼模板安裝質(zhì)量。鋼模板安裝結(jié)束后檢查架設(shè)支架的穩(wěn)定性，確保鋼支架接頭過渡自然、順滑。另外，施工人員在安裝模板前，可以在鋼模板的內(nèi)壁均勻涂抹隔離劑，以防止在混凝土澆筑時(shí)梁頂連接位置出現(xiàn)漏漿缺陷，涂刷隔離劑后還能提升后期模板拆除效率。

3.4 鋼纖維混凝土制備

（1）鋼纖維材料

應(yīng)根據(jù)不同的施工項(xiàng)目選擇適宜的鋼纖維混凝土加工工藝，考慮到本工程抗拉強(qiáng)度需達(dá)到1 000MPa 的要求，采用剪切鋼纖維加工制造而成的鋼纖維混凝土。其中，鋼纖維直徑為0.5mm，長徑比為60，密度為6.8g/cm3。

（2）水泥材料

采用42.5 水泥作為鋼纖維混凝土制備材料。水泥材料性能如表1所示。

表1 水泥材料指標(biāo)性能

（3）粗細(xì)集料

本工程粗集料采用碎石，并且選用兩種粒徑不同碎石集料，第一種碎石集料的粒徑為4.8～9.5mm，第二種碎石集料的粒徑為9.5～19mm，摻配比為6∶4。粗集料的性能如表2所示。

表2 碎石性能指標(biāo)

（4）細(xì)集料

本工程細(xì)集料采用中粗砂，堆積密度為1 440kg/m3，表觀密度為2.66g/cm3，含泥量為2.3%，泥塊含量為0.9%，空隙率為46.0%。

（5）確定鋼纖維混凝土材料的配合比

試驗(yàn)根據(jù)項(xiàng)目要求開展配比試驗(yàn)，確定目標(biāo)配比方案。首先，設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度fr為5.5MPa，28d 彎拉強(qiáng)度fe則按照式（1）計(jì)算，為6.6MPa。

式（1）中：fe為28d彎拉強(qiáng)度均值（MPa）；fr為設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度值（MPa）；C為彎拉強(qiáng)度變異系數(shù)；s為彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)樣本標(biāo)準(zhǔn)差；t為保證率系數(shù)。

設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度fc＞40MPa，抗壓試配強(qiáng)度按照式（2）計(jì)算，為49.9MPa。

式 （2） 中：fc為 28d 抗壓強(qiáng)度均值 （MPa）；f為設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa）；Z為保證率系數(shù)，取1.645；σ為抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，取6MPa。

經(jīng)計(jì)算，確定鋼纖維混凝土配比方案，具體為鋼纖維∶水泥∶水∶砂∶碎石= 0.21∶1∶0.4∶0.01∶2.77。

3.5 投料攪拌

在鋼纖維投入攪拌機(jī)之前，應(yīng)采用功率為0.75～1.0kW 分散機(jī)，分散機(jī)分散力度控制在30～60kg/min，將鋼纖維充分打散。分散后的鋼纖維分批次投入攪拌機(jī)，并且可以利用雙錐翻轉(zhuǎn)出料攪拌機(jī)提升攪拌效率，使鋼纖維與混凝土充分黏結(jié)，避免鋼纖維結(jié)團(tuán)。

另外，在攪拌時(shí)應(yīng)遵循先干后濕的材料添加順序，將鋼纖維、粗細(xì)集料及水泥等加工原材料投放至攪拌機(jī)內(nèi)，采用干拌和加水拌和兩種方式，干拌的時(shí)間不得低于1min，加水拌和的時(shí)間不得低于2min，總拌和時(shí)長控制在5min 以內(nèi)，并且在攪拌機(jī)內(nèi)預(yù)留一些空間，以保證各類原材料被充分拌和，避免攪拌機(jī)負(fù)荷超載。

3.6 材料運(yùn)輸

制備好的鋼纖維混凝土材料采用自卸式泵車轉(zhuǎn)運(yùn)到施工現(xiàn)場。為避免鋼纖維混凝土出現(xiàn)離析等質(zhì)量問題，應(yīng)加強(qiáng)出機(jī)坍落度和入模坍落度的檢查，防止因?yàn)樘涠扰c設(shè)計(jì)要求不符而產(chǎn)生鋼纖維沉底病害。同時(shí)，考慮到在鋼纖維混凝土拌和制備的過程中加入了一些外加劑，如減水劑，為提升混凝土攤鋪效率和保證攤鋪質(zhì)量，應(yīng)先做好混凝土鋪筑區(qū)域的規(guī)劃，預(yù)先平整攤鋪面，縮短鋼纖維混凝土的等待時(shí)間。

3.7 澆筑振搗

在開展鋼纖維混凝土澆筑作業(yè)前，施工人員應(yīng)做好準(zhǔn)備工作。第一，在澆筑鋼纖維混凝土前4h，施工人員檢查橋面的平整度并連續(xù)灑水，直到澆筑前1h 時(shí)結(jié)束灑水作業(yè)，保持橋面的平整度和濕潤度；第二，檢查施工設(shè)備，規(guī)劃澆筑區(qū)域，確保混凝土澆筑作業(yè)連續(xù)開展，避免鋼纖維混凝土出現(xiàn)離析缺陷[2]。

在澆筑鋼纖維混凝土前，應(yīng)先對混凝土進(jìn)行振搗，有效的振搗有利于增強(qiáng)鋼纖維的收縮性能，提高混凝土結(jié)構(gòu)的承載力。本工程采用平板式的振動器實(shí)施振搗，充分振搗混凝土材料的每一部位，尤其是加強(qiáng)邊角部位的振搗，確?；炷林懈黝惒牧暇鶆蚍植?，鋼纖維無結(jié)團(tuán)，但也不能過度振搗，不得改變鋼纖維材料排列方式。

3.8 施工抹平

采用機(jī)械抹平的方式對混凝土振搗面實(shí)施抹平，將外露在混凝土面的鋼纖維壓入混凝土中，保證混凝土面的平面度，防止外露的鋼纖維影響后續(xù)施工，埋下質(zhì)量安全隱患。

3.9 刻槽

為提高混凝土結(jié)構(gòu)面的抗滑性能，本工程對混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)施刻槽[3]。結(jié)合施工要求和不同規(guī)格刻槽的特點(diǎn)，本工程刻槽寬度控制在4mm 以內(nèi)，深度控制在5mm 以內(nèi)，各道刻槽的間距為25mm。另外，考慮到橋面的設(shè)計(jì)行車速度和設(shè)計(jì)使用年限，橋梁鋪面鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)的刻槽表面積不得超出橋面的12%～15%。

3.10 切縫處理與后期養(yǎng)護(hù)

通過了解鋼纖維混凝土的規(guī)律和特點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)相比于普通混凝土，鋼纖維混凝土在應(yīng)用性能和使用質(zhì)量方面都能良好地適應(yīng)高速公路橋梁施工的需要?；诒竟こ趟谖恢煤驼麄€(gè)場所具備的穩(wěn)定性開展進(jìn)一步分析，本高速公路橋梁無法完全封閉交通，日常交通壓力較大，無法采用整幅施工的方式開展施工，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的施工情況調(diào)整施工方案，橫縫切鋸間距為30m，沿著橋梁墩頂開始縮縫切鋸，在切縫時(shí)應(yīng)加強(qiáng)兩側(cè)防撞欄縮縫的控制，使其保持水平狀態(tài)。同時(shí)，必須檢查確定鋼纖維混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，即達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的一半以上后才可以開展切縫作業(yè)，切縫深度宜控制在2～3cm。在完成切縫作業(yè)后應(yīng)實(shí)施灌縫，并做好后期的養(yǎng)護(hù)。

4 結(jié)語

伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合型材料的應(yīng)用越來越成熟，鋼纖維混凝土作為高質(zhì)量的復(fù)合型材料已經(jīng)在路橋工程中得到了廣泛的應(yīng)用。基于此，本研究依托具體工程實(shí)例，重點(diǎn)分析了高速公路橋梁施工中鋼纖維混凝土技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，闡述了鋼纖維混凝土施工流程和施工技術(shù)要點(diǎn)，可為類似工程提供參考借鑒。