鋼纖維混凝土在橋面鋪裝中的應用研究

基金項目：廣西科技項目計劃“馬灘紅水河特大橋高性能混凝土結構安全關鍵技術”（編號：桂科AC16380109）

作者簡介：陳曉暉（1971—），碩士，高級實驗師，主要從事道路橋梁專業(yè)教學工作。

摘要：文章對鋼纖維增強混凝土性能的基本原理、鋼纖維增強和增韌的臨界體積摻量、鋼纖維增強混凝土的彎曲剪切強度、鋼纖維混凝土的彎曲韌性等方面進行了研究，并結合廣西來賓馬灘紅水河特大橋橋面鋪裝工程實例，驗證了鋼纖維增強混凝土的應用效果。

關鍵詞：鋼纖維；混凝土；橋面鋪裝；應用

中圖分類號：U443.33

0 引言

鋼纖維混凝土的定義是把適量的鋼纖維摻入普通混凝土中組合而成的一種新型建筑材料。它所起的作用是在一定程度上提高普通混凝土的抗拉、抗彎、抗剪和抗扭強度，將其應用在橋面鋪裝中，還具有抗疲勞、抗裂、抗沖擊、抗震及開裂后的高延性等優(yōu)點，在目前的橋梁建設，尤其是大型橋梁橋面鋪裝中的應用比例逐步加大。

1 鋼纖維增強混凝土性能的基本原理

鋼纖維和混凝土的物理力學性能、兩者間的界面粘結強度，是影響鋼纖維混凝土性能的主要因素^［1］。鋼纖維的抗拉強度比混凝土的抗拉強度大2～3個數(shù)量級，鋼纖維斷裂時的伸長也比混凝土的破壞變形更大，因而在遠未達到鋼纖維的強度之前，混凝土就會開裂。鋼纖維的主要作用是抑制混凝土裂紋的擴展，提高鋼纖維混凝土的抗拉強度、抗彎強度和破壞韌性^［2］。另一方面，鋼纖維的彈性模量一般不超過混凝土的彈性模量的6倍，而且鋼纖維的體積份數(shù)很少，這意味著鋼纖維混凝土的彈性模量與混凝土基體的彈性模量差不多。鋼纖維發(fā)揮作用是通過應力傳遞實現(xiàn)的，鋼纖維的彈性模量比混凝土的彈性模量大，因此，在外力作用下應力從混凝土傳遞給鋼纖維。鋼纖維的強度或界面粘結強度控制著復合材料的最終破壞。鋼纖維的強度低而界面粘結良好時，復合材料的最終破壞由鋼纖維的拉斷控制；鋼纖維的強度較高而界面粘結強度較低時，復合材料的最終破壞受鋼纖維的拔斷控制。鋼纖維的基本配比、幾何特征、纖維摻量以及纖維在混凝土中的分布取向都影響著復合材料的性能。

（1）復合材料理論認為：復合材料初裂抗拉強度的提高是由于加入了抗拉強度高的鋼纖維并且鋼纖維能與混凝土共同承受外荷載所致。鋼纖維的彈性模量大于混凝土的彈性模量，在變形相同的情況下，鋼纖維承擔了較高的應力，故鋼纖維混凝土的初裂抗拉強度得到提高。

（2）纖維間距理論（又稱阻裂機理）認為：鋼纖維混凝土的抗拉強度僅與纖維平均間距有關。纖維間距理論將鋼纖維解釋為混凝土裂縫的約束體是很有說服力的，孔祥清等^［3］的試驗也確實表明，鋼纖維混凝土單向受拉破壞是斷裂破壞。然而，由于復合材料的組成及其所受的應力狀態(tài)的復雜性，勢必造成在某些情況下纖維間距理論的不合理假設與試驗結果相矛盾。用何橋敏等^［4］的數(shù)據(jù)驗證發(fā)現(xiàn)：如果保持鋼纖維含量相同，鋼纖維混凝土的抗拉強度還受纖維直徑的影響。何橋敏等^［4］和吳林妹等^［5］的試驗表明：纖維含量不變時，即使改變纖維間距，鋼纖維混凝土的抗拉強度幾乎保持不變。

（3）目前的鋼纖維混凝土在理論上與試驗數(shù)據(jù)還沒有達到完全一致，一致的分析認為應將復合材料理論、纖維間距理論和能量分析方法結合起來，若能徹底弄清破壞過程和本質(zhì)，這種結合可有望取得較大的進展。本課題組也在積極研究中，并將研究成果應用于廣西來賓馬灘紅水河特大橋工程，取得了良好的效果。

2 鋼纖維增強和增韌的臨界體積摻量

臨界體積摻量是鋼纖維開始在明顯增強作用的最小體積摻量，低于該摻量時鋼纖維沒有明顯增長作用，高于該摻量時鋼纖維拔出破壞，增長作用明顯。鋼纖維拔出破壞時，臨界摻量的絕對靜矩為：

式中：

|S_z|_i——第i排鋼纖維拉斷時截面的絕對靜矩，按式（1）計算；

τ_cs——鋼纖維-混凝土的界面粘結強度；

f_tc——混凝土的抗拉強度；

h₀——鋼纖維混凝土初裂時的有效高度；

h——梁高度；

G_c——混凝土的剪切彈性模量；

G——鋼纖維混凝土的剪切彈性模量。

|S_z|_c為混凝土的絕對靜矩，按式（2）計算：

當鋼纖維拉斷破壞時，根據(jù)平衡關系即可求得鋼纖維的上限臨界體積摻量。鋼纖維拉斷破壞時，上限臨界摻量的絕對靜矩為：

式中：

f_st——鋼纖維的抗拉強度；

f_sf——鋼纖維混凝土的最大抗拉強度；

G_s——鋼纖維的剪切彈性模量。

計算結果表明：鋼纖維增強砂漿的臨界體積摻量為0.35%～0.40%，鋼纖維增強混凝土的臨界體積參數(shù)為0.5%～0.6%，基體的剪切彈性模量越高，臨界體積摻量越大。臨界體積摻量的計算結果與已有的試驗結果完全相符。工程中應用鋼纖維混凝土時，應適當增大砂率，鋼纖維的體積率應超過臨界體積率才能有效發(fā)揮鋼纖維的增強作用。上限摻量受多種因素的影響，很難達到上限摻量，因此式（1）～（3）僅具有理論意義。

鋼纖維混凝土在橋面鋪裝中的應用研究/陳曉暉，廖成文

3 鋼纖維增強混凝土的彎曲剪切強度

以基體彎拉強度為f_w=6.0 MPa的混凝土為例，鋼纖維直徑為0.25 mm，長徑比為100，研究鋼纖維摻量對混凝土彎拉強度和彎曲剪切強度的影響?；炷恋膹澙瓘姸扔嬎愎綖椋?/p>

則基體的彎曲破壞荷載為P=45 kN，彎曲剪切強度為τ_m=3.46 MPa?；w的彈性模量為40 GPa，泊松比為0.15，剪切彈性模量為17.40 GPa。

鋼纖維混凝土的計算臨界體積率為V_cr=0.5%，s_cr=4.879 mm。當V_f≤V_cr時，混凝土開裂后裂縫快速擴展到中性層，計算鋼纖維混凝土的強度取y_i=13.8 s_cr；當V_fgt;V_cr時，計算鋼纖維混凝土的強度取y_i=13.8 s。計算結果表明，當V_f≤V_cr，彎曲剪切強度和彎拉強度均隨纖維摻量增大略有降低，與試驗結果相符；當V_f＞V_cr時，彎曲剪切強度和彎曲抗拉強度均隨鋼纖維摻量增大而快速增大，當鋼纖維摻量由0.5%增大到1.0%和1.5%時，彎曲剪切強度（彎曲抗拉強度）分別提高到155%和195%。這個結果與試驗結果相符（見圖1）。

4 鋼纖維混凝土的彎曲韌性

計算所用的基體和鋼纖維與上述情況相同，鋼纖維的體積摻量對彎曲韌性的影響如圖2所示。

由圖2可知，超過鋼纖維的臨界體積摻量后，鋼纖維混凝土的彎曲韌性隨著鋼纖維體積摻量的增大快速提高，當鋼纖維體積摻量為1.5%時，彎曲韌性提高到基體混凝土的3.72倍。這個結論與已有的試驗結果相符。

5 鋼纖維混凝土在馬灘紅水河特大橋橋面鋪裝中的應用

馬灘紅水河特大橋橋面鋪裝層采用鋼纖維混凝土，厚160 mm，格子梁中局部厚度260 mm，設計采用50 kg/m³異型鋼纖維，0.8 kg/m³聚丙烯腈纖維，混凝土設計強度等級為C40。

根據(jù)課題組的建議，將混凝土設計強度等級提升到C50，采用鈣礬石類微膨脹劑補償收縮，膨脹劑用量為等量取代水泥10%；鋼纖維采用銑削型異型鋼纖維，等效直徑為0.2 mm，長徑比為50，鋼纖維用量為50 kg/m³，體積摻量為V_f=0.64%。取消聚丙烯腈纖維，以改善混凝土的施工性能。

混凝土基體的抗彎強度為6.0 MPa，彎曲剪切強度為3.5 MPa，摻鋼纖維后混凝土的彎拉強度＞7.0 MPa，彎曲剪切強度＞4.0 MPa，彎曲韌性＞3.5 kJ，固相體積收縮率接近0。修改設計后在馬灘紅水河特大橋中得到應用，彎曲剪切強度和彎拉強度提高約30%，彎曲韌性提高約60%。

馬灘紅水河特大橋應用鋼纖維混凝土橋面鋪裝3 430 cm³，使用鋼纖維171.5 t，節(jié)約聚丙烯腈纖維2.744 t，增加膨脹劑用量170 t，在顯著提高混凝土彎曲強度和彎曲韌性、降低混凝土收縮的基礎上，降低成本約17.2萬元。

6 結語

廣西來賓馬灘紅水河特大橋于2018年12月竣工，橋面鋪裝層至今沒有出現(xiàn)裂縫，實踐證明了鋼纖維混凝土在橋面鋪裝層中的應用良好，也證明了本課題組在鋼纖維混凝土研究成果上的成功，為鋼纖維混凝土在理論和實驗數(shù)據(jù)的完善，以及在橋面鋪裝尤其是特大橋橋面鋪裝應用上提供了參考借鑒。

參考文獻

［1］程紅強，高丹盈.鋼纖維混凝土的收縮性能試驗研究［J］.混凝土，2009（2）：57-58.

［2］陳從春，馮 毅，陳曉冬.鋼纖維體積摻量對超高性能混凝土力學性能的影響［J］.新型建筑材料，2016，43（5）：54-56.

［3］孔祥清，韓 飛，邢麗麗，等.BFRP筋鋼纖維再生混凝土梁抗彎性能試驗研究［J］.玻璃鋼/復合材料，2019（11）：5-11，23.

［4］何橋敏，周 麗.不同鋼纖維摻量及黏結劑對混凝土性能的影響［J］.中外公路，2018，38（5）：267-270.

［5］吳林妹，史才軍，張祖華，等.鋼纖維對超高性能混凝土干燥收縮的影響［J］. 材料導報，2017，31（23）：58-65.

收稿日期：2023-04-08