路橋施工中鋼纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)分析

郭開(kāi)先 北京路橋瑞通養(yǎng)護(hù)中心有限公司 北京 101400

在普通混凝土中摻入適量的亂向短鋼纖維組成的一種復(fù)合纖維混凝土材料,使其具有良好的韌性、抗拉、抗彎、抗剪、抗疲勞、抗沖刷、抗爆及控制裂縫和變形等。該纖維的最大特點(diǎn)是既要保證良好的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率,對(duì)冶煉過(guò)程控制有嚴(yán)格要求。鋼纖維混凝土用于路橋工程,主要起到強(qiáng)化混凝土的作用。鋼纖維是專用在混凝土中的一種加固材料,其增強(qiáng)效果主要取決于集體強(qiáng)度及鋼纖維的長(zhǎng)徑比、體積率等?；炷林屑尤脘摾w維可以增強(qiáng)其抗壓性、拉伸強(qiáng)度及韌性,也使得鋼纖維混凝土在被廣泛用于路橋時(shí),能夠有效地提升質(zhì)量。

一、鋼纖維及鋼纖維混凝土性能分析

(一)鋼纖維基本性能

根據(jù)生產(chǎn)制造鋼纖維的方式,可以將鋼纖維劃分成為四個(gè)類(lèi)型:切斷鋼纖維、剪切鋼纖維、切削鋼纖維、熔抽鋼纖維。

切斷鋼纖維抗拉強(qiáng)度較高,但是不易與水泥砂漿進(jìn)行粘結(jié),可以針對(duì)鋼纖維表面實(shí)施變形處理,將其處理成為波紋行形、圓截面、末端帶鉤、表面有劃痕或是扁平截面等多種不同形式的鋼纖維,可以使其中的力學(xué)性能發(fā)生改變,同時(shí)也更有利于提升其與水泥砂漿之間的粘結(jié)性。如果鋼纖維為使用廢鋼絲繩進(jìn)行切斷處理而制成,則必須保障廢鋼絲繩的銹跡和油污均已被清理干凈。

剪切鋼纖維的主要原料為冷軋薄板,其抗拉強(qiáng)度在450～800MPa之間,寬度在0.25～0.9mm 之間,厚度在0.2～0.5mm 之間,相對(duì)于切斷鋼纖維來(lái)說(shuō),其與水泥砂漿的粘結(jié)性相對(duì)更好。

切削鋼纖維的原材料為厚鋼板或是軟鋼錠,需要使用旋轉(zhuǎn)銑刀進(jìn)行切削處理,將其加工成為鋼纖維之后,其強(qiáng)度大幅度優(yōu)于原材料,同時(shí)截面為三角形,能夠與混凝土之間體現(xiàn)出較好的粘結(jié)性。

熔抽鋼纖維的主要原材料為熔融鋼水,通過(guò)甩制獲得,其表面具有不規(guī)則的特點(diǎn),同時(shí)含有強(qiáng)度較低的一層氧化層,因?yàn)榇嬖谘趸瘜?所以鋼纖維與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度較差。但在同時(shí),其抗拉強(qiáng)度和彈性模量均相對(duì)較高,為水泥基材的至少5倍,并且該類(lèi)型鋼纖維也可被制作成為不同的截面形狀,使其與水泥基材間的握裹力得到提升。

(二)鋼纖維增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的機(jī)理

將鋼纖維應(yīng)用于混凝土之中,其主要作用是控制受到外力作用時(shí)基體裂縫的持續(xù)擴(kuò)展。在通常情況下,水泥基料以及鋼纖維需要共同在受荷初期對(duì)外力進(jìn)行承載,但水泥基料屬于主要承受部分,如果其中出現(xiàn)開(kāi)裂情況,處于橫跨裂縫狀態(tài)的鋼纖維則需要主要承受外力。但是,如果鋼纖維體積摻量大于某一臨界值,復(fù)合材料整體則可繼續(xù)對(duì)較高的荷載進(jìn)行承受,且變形幅度持續(xù)增加,直至鋼纖維被外力從基料中拔出,或是被拉斷,同時(shí),復(fù)合材料整體也將被破壞。

(三)鋼纖維混凝土基本性能

鋼纖維混凝土也就是在普通混凝土之中適量加入鋼纖維維,并使其以亂向的形式均勻分布,并針對(duì)整體進(jìn)行硬化處理即可。相對(duì)于普通混凝土來(lái)說(shuō),其能夠體現(xiàn)出物理力學(xué)性質(zhì)優(yōu)越的特點(diǎn)。具體見(jiàn)表1。

表1 鋼纖維混凝土物理力學(xué)性質(zhì)優(yōu)勢(shì)

(四)鋼纖維混凝土性能主要影響因素

鋼纖維混凝土的性能能夠受到多方面因素影響,一般包括摻和料、減水劑、粗骨料粒徑、砂率、鋼纖維長(zhǎng)徑比、鋼纖維摻和量以及鋼纖維類(lèi)型等,而主要因素為鋼纖維的類(lèi)型、摻和量和長(zhǎng)徑比。如果選擇將鋼纖維混凝土應(yīng)用于路面的修建工作,因?yàn)槊姘逯睾穸容^小,所以可能導(dǎo)致地下排水受到不良影響。

二、鋼纖維混凝土施工技術(shù)在路橋施工中的應(yīng)用

(一)鋼纖維混凝土施工技術(shù)在道路施工中的應(yīng)用

通過(guò)應(yīng)用鋼纖維混凝土,路面的鋪裝厚度得以縮減,可以少設(shè)甚至不設(shè)重縱縫,使橫向縮縫數(shù)量減少,路面的凍融性及耐磨性均較為良好,有利于延長(zhǎng)道路的使用壽命,同時(shí)保障道路應(yīng)用過(guò)程中的安全性。

1.新建全截面鋼纖維混凝土路面

在新建全截面鋼纖維混凝土路面的過(guò)程中,應(yīng)將路面的厚度設(shè)置為常規(guī)路面厚度的一半或是60%,混凝土之中的鋼纖維摻量則應(yīng)控制在0.8～1.2%之間,雙車(chē)道的路面上可以不設(shè)置縱縫,相鄰橫縫之間的距離一般應(yīng)控制為20～30m,最長(zhǎng)大為50m。

2.新建復(fù)合式鋼纖維混凝土路面

復(fù)合式路面一般應(yīng)為雙層式或是三層式,其中雙層式復(fù)合式路面的構(gòu)造為,針對(duì)全路面板的上層部分,鋪設(shè)路面整體厚度40～60%的鋼纖維混凝土,三層式復(fù)合式路面則應(yīng)將其中的上層和下層設(shè)置成為鋼纖維混凝土層,中間部分為普通混凝土層。從實(shí)際上來(lái)看,三層式的復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)合理性更強(qiáng),但是同時(shí)施工過(guò)程的復(fù)雜性也更強(qiáng)。一般來(lái)說(shuō),三層式復(fù)合式路面主要在機(jī)械化鋪設(shè)水平較高的區(qū)域進(jìn)行應(yīng)用。另外,還可以實(shí)際情況為基礎(chǔ),適當(dāng)應(yīng)用鋼纖維—鋼絲網(wǎng)混凝土構(gòu)建復(fù)合式路面。

3.碾壓鋼纖維混凝土路面

在混凝土之中合理?yè)饺脘摾w維,以提升路面整體的韌性以及強(qiáng)度,再通過(guò)碾壓的方式,強(qiáng)化混凝土力學(xué)性能。

4.鋼纖維混凝土罩面

在舊混凝土路面發(fā)生損壞的情況下,使用鋼纖維混凝土為舊路面鋪設(shè)一層罩面層,可以延長(zhǎng)路面的使用壽命,并提升路面整體的應(yīng)用效果。以鋼纖維混凝土作為罩面層,可以將其分為分離式、直接式和結(jié)合式三種類(lèi)型。分離式:鋼纖維混凝土罩面層不接觸原本的混凝土面層,而是于二者中間增加一隔離層,使不同的路面層能夠單獨(dú)發(fā)揮作用。直接式:針對(duì)原本的混凝土路面層直接鋪設(shè)鋼纖維混凝土罩面層。結(jié)合式:將鋼纖維混凝土罩面層與原本的混凝土層進(jìn)行粘結(jié),使二者融為一體,以共同發(fā)揮結(jié)構(gòu)作用。一般在損壞程度不嚴(yán)重的路面上進(jìn)行應(yīng)用。

5.鋼纖維水泥砂漿或鋼纖維細(xì)石混凝土罩面修補(bǔ)

使用鋼纖維水泥砂漿或是鋼纖維細(xì)石混凝土作為罩面,修補(bǔ)損壞路面,其中的鋼纖維體積率應(yīng)控制在1～2%,長(zhǎng)涇可根據(jù)實(shí)際情況略多于鋼纖維混凝土長(zhǎng)徑,但是一般需要將長(zhǎng)徑控制為70～100。

6.應(yīng)用于多年凍土地區(qū)

將鋼纖維混凝土應(yīng)用于多年凍土地區(qū),可以有效控制路面吸熱,從而為凍土維持熱平衡提供更加良好的基礎(chǔ),也有利于提升道路的抗凍性。

(二)鋼纖維混凝土施工技術(shù)在橋梁施工中的應(yīng)用

1.橋面鋪裝

使用鋼纖維混凝土對(duì)橋面進(jìn)行鋪裝,不僅有利于提升橋面整體的耐久性、抗裂性以及舒適性,還可強(qiáng)化橋梁的抗折能力,是橋體自身的高度顯著提升,同時(shí)還可縮減鋪裝厚度,使結(jié)構(gòu)整體自重降低,也就更有利于優(yōu)化橋梁的受力情況。并且,若能夠?qū)摾w維混凝土與橡膠瀝青混凝土進(jìn)行復(fù)合應(yīng)用,此類(lèi)型的雙層橋梁應(yīng)用效果將更加良好。

2.橋梁上部承受荷載部位

在橋梁之中,應(yīng)用鋼纖維混凝土針對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域或是主拱圈位置實(shí)施強(qiáng)化工作,有利于優(yōu)化結(jié)構(gòu)整體受力性能,可以在一定程度上避免發(fā)生結(jié)構(gòu)變形情況,同時(shí)減輕橋梁自重,也就更有利于實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的輕量化和大跨度。與此同時(shí),因?yàn)閼?yīng)用鋼纖維混凝土,所以橋梁的結(jié)構(gòu)性能可以得到優(yōu)化,外在造型也更加美觀,材料使用量相對(duì)減少,下部的墩臺(tái)數(shù)量也就可以隨之減少,由此,橋梁整體造價(jià)降低,經(jīng)濟(jì)效益也就可以得到提升。

3.橋梁墩臺(tái)等結(jié)構(gòu)的局部加固

對(duì)于能夠長(zhǎng)期受到動(dòng)載作用的橋梁墩臺(tái)來(lái)說(shuō),其中極易出現(xiàn)表層脫落或是面板裂縫等不良情況,以此為基礎(chǔ),應(yīng)用轉(zhuǎn)子II型噴射機(jī)合理開(kāi)展鋼纖維混凝土的噴射工作,更有利于優(yōu)化橋梁墩臺(tái)的結(jié)構(gòu)整體性,同時(shí)可提升其中的抗震性能。并且通常來(lái)說(shuō),鋼纖維混凝土之中的鋼纖維,以剪切鋼纖維為主,摻量在1.0%左右,同時(shí)于其中合理加入TS型速凝劑以及硫鋁酸鹽快硬水泥,以促使鋼纖維混凝土的早期抗裂性能得到顯著優(yōu)化。其中的舊混凝土部分,應(yīng)該針對(duì)其表面進(jìn)行噴砂處理或是鑿毛處理,以提升新舊混凝土之間的整體性。

4.鋼纖維混凝土樁加強(qiáng)

針對(duì)樁尖部分或是樁頂部分使用鋼纖維混凝土進(jìn)行局部增強(qiáng)處理,有利于提升樁穿透力,從而減少所需的錘擊次數(shù),打擊速度也就大幅度提升,與此同時(shí),樁頂部分的抗沖擊韌性可以得到提升,也就可以避免出現(xiàn)樁頂進(jìn)入到設(shè)計(jì)深度之前即出現(xiàn)破裂的情況。同時(shí),中間部分的入土能力提升,打擊工作的效率也就可以得到提升。對(duì)于樁身部分,一般仍然采用預(yù)應(yīng)力鋼纖維混凝土或是非預(yù)應(yīng)力鋼纖維混凝土,當(dāng)然也可以選擇整體澆筑鋼纖維混凝土,但若如此,其中的經(jīng)濟(jì)效益將在一定程度上下降,所以還應(yīng)以實(shí)際情況為基礎(chǔ),選擇經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)的技術(shù)開(kāi)展施工作業(yè)。

(三)鋼纖維混凝土施工技術(shù)在襯砌隧道和邊坡防護(hù)中的應(yīng)用

針對(duì)襯砌隧道開(kāi)展噴射鋼纖維混凝土施工,可以促使隧道內(nèi)的結(jié)構(gòu)整體性得到提升,同時(shí)降低漏水情況出現(xiàn)的頻率,并且對(duì)于邊坡位置,如果其中存在巖石節(jié)理裂隙等不良情況,也可采用光纖混凝土噴射技術(shù)對(duì)該部分進(jìn)行加固處理。

三、鋼纖維混凝土施工技術(shù)

應(yīng)用鋼纖維混凝土開(kāi)展施工工作,根據(jù)施工方法,可以將其劃分成為不同類(lèi)型:(1)澆筑鋼纖維混凝土;(2)噴射鋼纖維混凝土;(3)灌漿鋼纖維混凝土。且鋼纖維混凝土的應(yīng)用效果能夠大幅度受到施工質(zhì)量的影響,所以在進(jìn)行施工作業(yè)時(shí),不僅需要保障常規(guī)的混凝土施工要求得到充分滿足,還需針對(duì)鋼纖維混凝土施工過(guò)程中易出現(xiàn)的技術(shù)問(wèn)題予以充分重視,盡可能保障鋼纖維于基體中均勻分布,進(jìn)而方可提升施工效果。

(一)鋼纖維分散裝置的設(shè)置

如果一次性將大量鋼纖維投入到攪拌機(jī)之中。易在攪拌機(jī)內(nèi)呈現(xiàn)出結(jié)團(tuán)情況,所以為了保障鋼纖維的有效分散,應(yīng)該首先將鋼纖維投入到分散機(jī)中,經(jīng)過(guò)分散處理,再送入攪拌機(jī)。進(jìn)行分散處理過(guò)程中,應(yīng)該將分散機(jī)的運(yùn)行功率應(yīng)控制在0.75—1.0kW 之間,分散力應(yīng)控制在20～60kg/min之間。并且,在將鋼纖維投入到分散機(jī)之前,應(yīng)首先開(kāi)展篩選工作,選擇材質(zhì)良好、直徑較粗、適合應(yīng)用于鋼纖維混凝土之中的鋼纖維,且將其投入到分散機(jī)內(nèi)之前,還應(yīng)于料斗入口位置安裝振動(dòng)篩進(jìn)行再次篩選。

(二)設(shè)置攪拌機(jī)投料順序和時(shí)間

為了避免鋼纖維混凝土之中的鋼纖維出現(xiàn)結(jié)團(tuán)情況,需要采用分級(jí)投料的方式,并應(yīng)用“先干后濕”的攪拌工藝,也就是首先將砂投入到攪拌機(jī)之中,再依次投入鋼纖維、碎石和水泥,之后開(kāi)始進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為1min的干拌,1分鐘之后,再向攪拌機(jī)內(nèi)加入水以及外加劑,根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行2min左右的濕拌。

(三)澆筑及振搗

開(kāi)展鋼纖維混凝土澆筑工作時(shí),應(yīng)該注意避免出現(xiàn)過(guò)于顯著的澆筑接頭,每一澆筑均必須與前一澆筑段重合15～20cm,以保障鋼纖維混凝土的整體連續(xù)。并且,在澆筑過(guò)程中,需要借助插入式振搗棒開(kāi)展振搗工作,以通過(guò)集束效應(yīng)保障鋼纖維處于二維分布狀態(tài)。完成振搗工作后,還應(yīng)注意將混凝土表面磨平,若有鋼纖維外露,應(yīng)將其壓入至混凝土內(nèi)。

結(jié)束語(yǔ)

將鋼纖維混凝土技術(shù)應(yīng)用于路橋施工之中,其可有效提升路橋使用效果,并延長(zhǎng)其使用壽命,還可有效控制整體的工程造價(jià),特別是橋梁自重顯著減輕。這一技術(shù)的應(yīng)用,很大程度上提高了路橋混凝土的抗拉性能和承載力。