公路橋梁施工中鋼纖維混凝土技術(shù)的應(yīng)用

劉 強(qiáng)

（甘肅第七建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

傳統(tǒng)公路橋梁都是以鋼筋混凝土為主要材料，雖然建造成效顯著，比較堅(jiān)固耐用，但這類材料存在一定局限性，一旦使用不當(dāng)，不僅容易影響生態(tài)環(huán)境，還極易引起裂縫等相關(guān)質(zhì)量問題。鋼纖維混凝土技術(shù)作為一種新型施工材料，不僅成本投入低廉，制作過程簡(jiǎn)單，對(duì)生態(tài)環(huán)境友好，還同時(shí)擁有良好的穩(wěn)定性及強(qiáng)度，合理應(yīng)用在路橋施工過程中，強(qiáng)化工程荷載與抗壓能力，再加上鋼纖維混凝土本身質(zhì)量較輕，更有利于降低作業(yè)難度，提升作業(yè)效率。從目前關(guān)于路橋施工應(yīng)用的研究現(xiàn)狀來看，整體成果較為豐富，基本總結(jié)出了一些應(yīng)用策略，但時(shí)間相對(duì)久遠(yuǎn)，且受到篇幅限制以及其他因素影響，研究并不深入。對(duì)此，重點(diǎn)以鋼纖維混凝土為核心，特別探究其在路橋施工中的應(yīng)用策略具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

1 鋼纖維混凝土施工技術(shù)簡(jiǎn)析

1.1 主要類型

當(dāng)前市場(chǎng)上的鋼纖維類型較多，按照制造方式的差異性，可以將其分為這幾種：①切斷型。重點(diǎn)是對(duì)表面實(shí)施變形處理，以優(yōu)化力學(xué)性能，提升鋼纖維與砂漿之間的黏性。②剪切型。重點(diǎn)利用冷軋薄板根據(jù)相應(yīng)的寬度與厚度進(jìn)行剪切，使其與砂漿之間的黏性更為突出，效果要優(yōu)于切斷型。③切削型。重點(diǎn)利用管鋼錠或者較厚的鋼板進(jìn)行加工制作，不僅強(qiáng)度大，和漿料之間的黏性也更好。④熔抽型。其強(qiáng)度通常不確定，主要受熔鋼成分以及熱處理?xiàng)l件影響，并且氧化層的存在也降低了和漿料之間的黏性。

1.2 原料選用

在鋼纖維混凝土中，水泥是主要原料。對(duì)于公路橋梁工程而言，水泥應(yīng)該優(yōu)先選擇強(qiáng)度較高、惰性較小，抗凍能力和抗磨能力突出，一般以硅酸鹽水泥作為原料。水的使用以可飲用為標(biāo)準(zhǔn)，并通過水量與外摻劑控制強(qiáng)化材料強(qiáng)度和密實(shí)度。如果水灰比較低，需應(yīng)用減水劑、塑化劑等進(jìn)行調(diào)節(jié)；倘若完工日期緊迫，需利用早強(qiáng)劑進(jìn)行控制；如果需要達(dá)到抗冷目的，需使用加氣劑調(diào)節(jié)。

1.3 作用機(jī)理

在工程建設(shè)過程中，鋼纖維主要是利用外力作用進(jìn)行基體裂縫擴(kuò)展限制。具體過程為：在材料承受荷載初期，水泥基料與鋼纖維共同承受一定外力，且水泥是外部力量的主要承擔(dān)者。但在基料產(chǎn)生裂縫之后，處于裂縫中的鋼纖維就開始成為外力的承擔(dān)者，如果鋼纖維體積摻量大于臨界值，材料繼續(xù)承受荷載的能力就會(huì)提升，并發(fā)生變形，整個(gè)過程依然會(huì)慢慢發(fā)生變化，一直到鋼纖維被完全拔出，材料整體被破壞。所以對(duì)鋼纖維混凝土而言，其性能主要受鋼纖維的種類、摻量，以及復(fù)合材料中的砂率、減水劑、摻合料等因素影響。其中鋼纖維的實(shí)際長徑與摻量是最核心的兩大影響因素。

1.4 性能特點(diǎn)

鋼纖維混凝土具有良好的強(qiáng)度和重量比值，抗壓和抗彎極限強(qiáng)度也比較突出。其中和常規(guī)混凝土相比，單軸抗拉極強(qiáng)度能提升40%～50%，抗彎極強(qiáng)度能提升50%～150%。另外，抗沖擊性能也比較高，當(dāng)鋼纖維摻入量為0.8%～2.0%時(shí)，沖擊韌性指標(biāo)能有效提升50～100倍，有時(shí)候甚至還能達(dá)到更高。這類材料變形性能改善也比較可觀，特別是能提升抗拉彈性模量，降低收縮率。除此之外，抗裂、抗疲勞、抗剪、抗凍、耐磨等性能都十分突出。

2 鋼纖維混凝土技術(shù)在路橋施工中的應(yīng)用范圍

2.1 公路方面

2.1.1 路面鋪裝

將鋼纖維混凝土應(yīng)用在路面鋪裝中，能有效減少鋪裝厚度，可以不設(shè)或者少設(shè)縱縫，橫向伸縮縫也會(huì)比較少，因此融凍性與耐磨性優(yōu)勢(shì)突出，有利于提升路面使用壽命。目前主要被應(yīng)用在這幾種情況中：①全截面路面。對(duì)于這種路面，其鋼纖維混凝土的使用厚度基本是傳統(tǒng)混凝土厚度的50%～60%，鋼纖維摻入量基本在0.8%～1.2%。如果是雙車道路面，通常不會(huì)設(shè)置縱縫。②復(fù)合式路面。這類路面可以設(shè)計(jì)成雙層或三層，前者是將路面結(jié)構(gòu)分成底層與頂層，底層使用常規(guī)混凝土進(jìn)行鋪裝，頂層則使用鋼纖維混凝土鋪裝，鋪裝量是常規(guī)混凝土鋪裝量的2/5～3/5。后者是指在路面鋪設(shè)過程中，將路面結(jié)構(gòu)分為底層、中間層與頂層，底層與頂層都使用鋼纖維混凝土進(jìn)行鋪裝，中間層使用傳統(tǒng)混凝土進(jìn)行鋪裝。雙層結(jié)構(gòu)路面整體成本投入較低，操作流程簡(jiǎn)單；三層結(jié)構(gòu)路面能更好地提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，減少路面裂縫問題產(chǎn)生，具體應(yīng)根據(jù)施工特點(diǎn)和要求等進(jìn)行合理選擇。

2.1.2 路面修復(fù)

公路在投入應(yīng)用后，難免會(huì)因?yàn)楦黜?xiàng)因素影響，導(dǎo)致路面產(chǎn)生不規(guī)則凹陷或者裂縫等問題。為保證工程質(zhì)量，還需及時(shí)進(jìn)行問題修復(fù)，而鋼纖維混凝土正好是最佳的修復(fù)材料，能起到良好的加固作用。目前最常見的修復(fù)方式就是在破損路面上罩上一層鋼纖維混凝土，依路面破損程度從高到低可以分別采取三種方式：①結(jié)合式罩面。具體是將罩面層和路面舊的混凝土結(jié)合在一起，兩者形成新的路面結(jié)構(gòu)。②直接式罩面。具體是指不將罩面和舊的混凝土結(jié)合起來，而是給兩者之間設(shè)置一道隔離層，相互獨(dú)立發(fā)揮作用。③分離式罩面。具體是直接在舊的混凝土路面上鋪筑一層罩面。實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以根據(jù)路面的破損程度合理選擇。

2.2 橋梁方面

鋼纖維混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用主要集中在橋面鋪裝、樁結(jié)構(gòu)建設(shè)、橋梁墩臺(tái)加固以及邊坡與隧道的防護(hù)工作中，特別在橋面鋪裝中應(yīng)用最為廣泛。

2.2.1 橋面鋪裝

在橋面鋪裝時(shí)通?？梢圆捎幂^為常規(guī)的施工方式，并基于材料特點(diǎn)和要求進(jìn)行。①拌和與運(yùn)輸。鋼纖維通常體積密實(shí)，在進(jìn)行拌和前，需要先進(jìn)行分散，以避免產(chǎn)生結(jié)團(tuán)問題，影響施工質(zhì)量。一般鋼纖維混凝土攪拌工藝與所用機(jī)械息息相關(guān)，主要分為臥軸式攪拌機(jī)械拌和、自落式攪拌機(jī)械拌和、渦槳式攪拌機(jī)械拌和三種，各自入料順序等有所差異。實(shí)際運(yùn)輸時(shí)要先對(duì)生產(chǎn)與澆筑進(jìn)度進(jìn)行協(xié)調(diào)，保障道路通暢，確保從拌和完成到壓送時(shí)間不超出60 min。②澆筑與養(yǎng)護(hù)。砂漿在到達(dá)澆筑點(diǎn)后需要馬上進(jìn)行攤鋪，具體順序先板邊，再邊角，最后板中，攤鋪厚度也要加強(qiáng)控制，預(yù)留出約20%的沉降量，便于后續(xù)整平。振搗過程要堅(jiān)持慢撥快插，避免發(fā)生空穴。養(yǎng)護(hù)時(shí)間通常要在7 d以上，如果漿料中加入了粉煤灰、緩凝劑等，必須確保養(yǎng)護(hù)14 d以上。當(dāng)整體強(qiáng)度超過1.2 MPa時(shí)，才可以上人，如果是加入了外加劑，還需達(dá)到2.5 MPa。倘若在冬季施工，還需使用草墊保溫。③整平與切縫。振搗工作結(jié)束后，還需利用條夯將表面振平，再使用鋼滾筒整平。切縫工作必須及時(shí)展開，具體可以基于施工時(shí)的氣溫狀況以及鋼纖維混凝土強(qiáng)度確定，避免切縫過早。

2.2.2 局部加固

橋梁墩臺(tái)與橋面因長期載重，容易產(chǎn)生裂縫或表層疏松剝落現(xiàn)象，對(duì)此還需利用噴射機(jī)把鋼纖維混凝土均勻噴灑到病害位置。一般噴灑厚度可根據(jù)工程實(shí)際狀況控制在50～200 mm，以更好地提升結(jié)構(gòu)抗震性。此外，還可以在混凝土中使用短鋼纖維，即剪切鋼纖維，比重大約是1∶100，同時(shí)再給材料中加入硫氯酸鹽快硬水泥和TS型快速凝結(jié)劑，最后再將材料均勻噴灑在病害位置，以達(dá)到提升抗裂性能的目的。在這一過程中，對(duì)病害位置先進(jìn)行鑿毛或噴砂，可以使新舊混凝土得到更好的黏合，保證結(jié)構(gòu)整體性。

2.2.3 上部承重

在施工過程中直接給橋梁上部承受荷載的位置使用鋼纖維混凝土，可以有效降低橋梁重量，改善橋梁受力狀況，有效控制變形問題。和常規(guī)混凝土技術(shù)相比較，鋼纖維混凝土的運(yùn)用還能有效減少上部材料的使用量，使橋梁造型變得更為美觀，在降低成本投入的同時(shí)，保證工程經(jīng)濟(jì)效益。

3 鋼纖維混凝土技術(shù)在公路橋梁中的應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 科學(xué)配比

在進(jìn)行漿料配比時(shí)，應(yīng)該先確定砂率，通常需要控制在38%～50%以內(nèi)。此外，還需根據(jù)攪拌物的實(shí)際狀況確定卵石以及大直徑碎石的最大砂率。然后明確水灰比用量，具體先對(duì)常規(guī)混凝土抗彎曲以及抗拉伸強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，再結(jié)合路橋應(yīng)用壽命設(shè)計(jì)最小水泥用量以及最大水灰比，從而計(jì)算出水量。同時(shí)，也需基于攪拌物坍落度進(jìn)行水量計(jì)算。

3.2 材料拌和

因?yàn)殇摾w維直接投入攪拌機(jī)械內(nèi)時(shí)會(huì)發(fā)生結(jié)團(tuán)問題，為保證攪拌均勻，還要先進(jìn)入分散設(shè)備進(jìn)行內(nèi)容物分散。投料順序與攪拌時(shí)間也需進(jìn)行充分控制，即要先投入干料再投入濕料，先投入砂，再投入鋼纖維，然后投入碎石，最后投入水泥。材料投入后先干拌1 min左右，再根據(jù)實(shí)際情況注水和外加劑進(jìn)行攪拌。攪拌機(jī)械通常以強(qiáng)制式和雙錐反轉(zhuǎn)出料式為主，一般要基于鋼纖維摻量和坍落度進(jìn)行利用率調(diào)節(jié)，避免發(fā)生超負(fù)荷運(yùn)載。

3.3 漿料運(yùn)輸

在漿料運(yùn)輸時(shí)，主要采務(wù)自卸車輛。由于在運(yùn)輸過程中漿料受到震動(dòng)，導(dǎo)致鋼纖維下沉，從而損失含氣量以及坍落度，給漿料均勻性帶來不良影響。所以還需盡可能縮短運(yùn)輸時(shí)間與距離，并避免運(yùn)輸過程污染漿料。通常運(yùn)輸最大時(shí)長要以試驗(yàn)所提供的水泥初凝時(shí)間和施工操作時(shí)間作為最大限度。

3.4 漿料澆筑

在漿料到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)之前，需提前安裝好模板，后續(xù)倒入漿料后還應(yīng)人工找平，避免漿料大范圍堆積。澆筑過程也要保持連續(xù)性，防止產(chǎn)生裂縫。

3.5 振搗攤鋪

振搗作業(yè)需要使用專項(xiàng)設(shè)備，攤鋪過程也要以具體厚度為準(zhǔn)，倘若厚度在0.2 m之內(nèi)，只需要攤鋪一次，振搗工作則在漿料不再下沉?xí)r停止。

3.6 抗折強(qiáng)度

通常每鋪筑400 m3鋼纖維混凝土后，需要制作兩組抗折試件，后續(xù)每增鋪1 000～2 000 m3漿料，則增做1組抗折試件。試件需要在現(xiàn)場(chǎng)以工程相同條件進(jìn)行濕法養(yǎng)護(hù)，并測(cè)定7 d齡期試件強(qiáng)度，檢查其是否能夠超過28 d齡期強(qiáng)度的70%，倘若沒有達(dá)到要求，還需及時(shí)采取措施進(jìn)行強(qiáng)度強(qiáng)化。

3.7 表層平整

對(duì)于路橋表面而言，受運(yùn)營安全要求影響，整平后的面板表層1～3 cm深度內(nèi)還需確保鋼纖維處在平面分布狀態(tài)中，堅(jiān)決不出現(xiàn)翹頭、直立現(xiàn)象，避免后續(xù)磨損后刺扎車輛輪胎。其表層功能與傳統(tǒng)混凝土表層要求基本相同，即要耐磨損、抗滑等等。

3.8 表面處理

為避免鋼纖維外露問題產(chǎn)生，在整平前還需使用金屬滾輪或者其他設(shè)備，將已經(jīng)直立外露的纖維壓入，在抹面與壓紋操作時(shí)也堅(jiān)決不能將鋼纖維帶出。通常抹平需要在初凝前進(jìn)行，主要使用壓輥、刷子等進(jìn)行壓紋、拉毛。割槽時(shí)間也要進(jìn)行合理控制，不能過早更不能過遲，通常在抹面后的12～48 h以內(nèi)進(jìn)行。

3.9 工程養(yǎng)護(hù)

與傳統(tǒng)混凝土參與的工程一樣，鋼纖維混凝土在施工結(jié)束后也要進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。開始養(yǎng)護(hù)時(shí)間一般是在抹面2 h之后，表層已經(jīng)有一定硬度時(shí)。具體可以應(yīng)用麻袋、草墊等覆蓋在表層，每日灑水多次，使其始終保持潮濕，具體養(yǎng)護(hù)時(shí)間必須超過7 d?；蛘呖梢詰?yīng)用不透水的薄膜覆蓋在表層，避免漿料中的水分過快蒸發(fā)，保證水化作用正常開展。

4 結(jié)束語

作為一種重要的水泥基復(fù)合料，鋼纖維混凝土目前在道路橋梁建設(shè)中已經(jīng)得到了大量實(shí)踐應(yīng)用，對(duì)于路橋使用性能、施工質(zhì)量強(qiáng)化、工程造價(jià)完善等方面都具有十分極大優(yōu)勢(shì)。從目前得到的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，主要被應(yīng)用在路面鋪筑、路面修復(fù)、橋面鋪筑、橋梁局部加固、橋梁上部承重等方面。具體開展時(shí)，應(yīng)先掌握科學(xué)的材料配比，然后正確拌合，合理控制運(yùn)輸時(shí)間與距離，并完善澆筑和振搗工作，測(cè)量抗折強(qiáng)度，加強(qiáng)表面修整和日常養(yǎng)護(hù)，以使該材料性能優(yōu)勢(shì)得到最大限度發(fā)揮，促進(jìn)路橋事業(yè)建設(shè)。