钢纤维混凝土在公路工程中的应用

1、引言

　　钢纤维混凝土是一种新型的优质水泥基复合材料,可以实现按照使用要求设计材料的目的。随着钢纤维生产技术的不断进步和基础理论的不断完善,钢纤维混凝土在公路工程的应用将进一步拓宽。

　　2、性能分析

　　2.1钢纤维的类型

　　钢纤维抗拉强度高,但与水泥沙浆的界面粘结性较差，故对钢纤维表面进行变形处理,制成表面有刻痕的、末端带钩的、波纹形的钢纤维,或者圆截面与扁平截面交替的呈规律性变化的钢纤维，以改善其力学性能，增加与水泥基材之间的握裹力。在工程应用中钢纤维主要有以下三种：①切断钢纤维：由旋转的铣刀切削软钢锭或厚钢板制得,强度比原材料有较大提高,截面呈三角形,与水泥混凝土的粘结较好；②剪切钢纤维：一般是由剪切冷轧薄板制得,厚0.2mm~0.5mm,宽0.25mm~0.9mm,抗拉强度为450MPa~800MPa,与水泥砂浆的粘结性比切断钢纤维好；③熔抽钢纤维：由熔融的钢水甩制而成,纤维强度因熔钢成分与热处理条件而异,表面不规则且有一层强度很低的氧化层，但氧化层的存在降低了钢纤维与混凝土的粘结强度。

　　2.2强度机理

　　钢纤维在混凝土中的主要作用,在于限制外力作用下基体中裂缝的扩展。在受荷（拉、弯）初期,水泥基料与钢纤维共同承受外力,而前者是外力的主要承受者:当基料发生开后,横跨裂缝的钢纤维成为外力的主要承受者。若钢纤维体积掺量超过某一临界值,整个复合材料可继续承受较高的荷载,并产生较大的变形,直到钢纤维被拉断或钢纤维从基料中被拨出,以至复合材料破坏。

　　2.3基本性能

　　钢纤维混凝土是在普通混凝土中,均匀地乱向分布一定量的钢纤维,经硬化而得,与普通混凝土相比,具有一系列优越的物理力学性质：

　　（1）强度与重量比值增大；

　　（2）较高的抗拉、抗压和抗弯的极限强度。在混凝土中掺入适量钢纤维,其极限抗压强度可以提高,单轴抗拉极强度可提高40%~50%,抗弯极限强度可提高50%~150%；

　　（3）良好的抗冲击性能。钢纤维混凝土在纤维掺量为0.8%~2.0%时,其冲击韧性指标可提高50倍~100倍,甚至更高：

　　（4）变形性能明显改善。钢纤维对混凝土抗压弹性模量影响不显著,但对抗拉弹性模量提高较多,钢纤维对混凝土长期收缩变形的影响也较明显,钢纤维可使混凝土的收缩率降低10%~30%；

　　（5）抗裂和抗疲劳性能显著提高；

　　（6）优越的抗剪性能；

　　（7）良好的阻止和抑制因温度应力引起裂缝产生与扩展的能力；

　　（8）良好的抗冻性与耐磨性能。

　　2.4影响因素

　　钢纤维混凝土性能受钢纤维类型、钢纤维掺量、钢纤维长径比、砂率、粗骨料最大粒径、减水剂、掺和料等因素的影响。其中钢纤维类型、钢纤维掺量和钢纤维长径比是影响钢纤维混凝土性能的主要因素。

　　3、钢纤维混凝土的施工技术

　　3.1配合比设计

　　钢纤维混凝土配合比可以根据普通混凝土配合比的选择原则,通过试验最后决定。首先应选择与基材强度相适应的钢纤维品种,钢纤维极限抗拉强度应大于500MPa。圆直和熔抽钢纤维适宜配制中低标号混凝土,剪切钢纤维可配制高标号混凝土,钢纤维含量以0.5%~2.0%为宜。为使钢纤维混凝土力学性能与施工和易性要求尽量一致,对钢纤维长径比应加以控制,同时还应考虑钢纤维的最小直径。钢纤维最小直径不应小于0.40mm,一般应控制在0.45mm~0.70mm左右，钢纤维的长度不应过长,在正常搅拌机拌和时,长径比应控制在50~80。钢纤维细石混凝土的砂率应高于相同标号的普通混凝土,同时为保证钢纤维同基体牢固结合,通常采用粒径较小主骨料,最大粒径为10mm~20mm。为改善混合料施工和易性,减少水泥用量和降低成本,可采用减水剂或其它外掺剂。

　　3.2拌和

　　钢纤维混凝土的施工,按其施工方法来分有浇注钢纤维混凝土、喷射钢纤维混凝土和灌浆钢纤维混凝土。钢纤维混凝土工程质量的优劣,在很大程度上取决于施工质量。因此,在钢纤维混凝土施工时,除了满足普通混凝土的施工要求外,还应特别重视钢纤维给施工带来的技术问题,确保钢纤维均匀分布在基体中。

　　由于钢纤维一次性直接投入搅拌机易出现结团现象,为使钢纤维充分分散,宜将钢纤维通过分散机再进入搅拌机。分散机功率宜为0.75kW~1.0kW,分散力宜为20kg/min~60kg/min。钢纤维应事先与细骨料定量拌合均匀或选择直径较粗、材质较好的纤维,并在料斗入口处设置振动筛。

　　为防止钢纤维结团,需采取分级投料,先干后湿工艺。即按碎石→ 钢纤维→ 砂→ 水泥。混合料先在搅拌机内干拌1min,然后加水和外加剂湿拌2min。

　　钢纤维混凝土搅拌机,一般最好使用强制式搅拌机和双锥反转出料搅拌机。当纤维掺量较高和坍落度较小时,为不使搅拌机超负荷工作,搅拌机的利用率相应有所降低。

　　3.3注意事项

　　钢纤维混凝土在浇注时,不得有明显的浇注接头。每次倒料必须相压15cm~20cm,使钢纤维混凝土保持整体连续性。同时,钢纤维混凝土的浇注必须连续进行。因使用插入式振动棒插入钢纤维混凝土进行振捣,会使钢纤维朝振动着的振动棒聚集,产生集束效应,为确保钢纤维的二维分布,宜使用平板振动器振捣成型。当采用振捣棒时,为保证边角混凝土密实,应使钢纤维纵向条状集束排列有利于抵抗板体收缩应力、温度应力及荷载的传递。振捣好的混凝土表面应抹平,将外露的钢纤维压入混凝土中,以防止露出表面的纤维锈蚀或刺人。

　　钢纤维混凝土具有粗骨料细、砂率大、纤维乱向分布的特点,因此钢纤维混凝土路面宜采用真空吸水工艺,机械抹平以防止钢纤维外露。采用压纹机压纹工艺以避免拉毛产生纤维外露现象。拆模后对纤维外露或漏振时,应及时处理。

　　钢纤维混凝土的收缩性小、抗裂性能好。有条件封闭交通的施工路段,采用混凝土摊铺机可做成整幅式,不设纵缝。钢纤维浇筑养生达设计强度50%后切锯缩缝。

　　钢纤维混凝土在运输过程中,坍落度和含气量都会有损失,拌和物稠度下降。由于在运输时受到振动使钢纤维下沉,影响了钢纤维混凝土的均匀性。因此钢纤维混凝土的运输距离应尽量缩短,料斗出口尺寸要大一些。有条件时也可以采用泵送。

　　4、在公路施工中的综合应用

　　4.1路面工程的应用

　　由于钢纤维混凝土路面具有减薄铺装厚度、纵缝不设或少设、横向缩缝少、良好的耐磨性及冻融性等优点,延长路面使用寿命,从而在路面工程中获得广泛应用。

　　4.1.1新建全截面钢纤维混凝土路面

　　全截面采用钢纤维混凝土的路面厚度为普通混凝土路面厚度的50%~60%,钢纤维掺量为0.8%~1.2%。双车道路面一般不设纵逢,横缝间距20m~30m,最长可取50m。

　　4.1.2新建复合式钢纤维混凝土路面

　　复合式路面可以做成双层式或三层式。双层式路面的构造是在全路面板厚的上层约全厚40%~60%铺设钢纤维混凝土。三层式复合路面是上下两层分别做成钢纤维混凝171土层,中间夹普通混凝土层。结构上比较合理,但施工复杂。根据经验,三层式复合路面宜在机械化铺设条件较高的地区使用。此外,还可以采用钢纤维-钢丝网混凝土复合式路面。

　　4.1.3碾压钢纤维混凝土路面

　　将钢纤维置于碾压混凝土中,从而使路面的强度和韧性增强,改善碾压混凝土的力学性能。

　　4.1.4钢纤维混凝土罩面

　　旧混凝土路面损坏采用钢纤维混凝土铺筑罩面层。钢纤维混凝土罩面分结合式、直接式、分离式三种结合。结合式罩面面层与旧混凝土相互粘结为一整体,共同发挥结构的整体强度作用。分离式罩面层与旧混凝土不粘结,而是中间设置一个隔离层,各层独立发挥作用。直接式是直接在旧水泥混凝土面层上加铺钢纤维混凝土罩面层。一般用于损坏较轻微的旧水泥混凝土路面。

　　4.1.5钢纤维水泥砂浆或钢纤维细石混凝土罩面修补

　　用钢纤维水泥砂浆或钢纤维细石混凝土对损坏的路面进行修补罩面。钢纤维体积率以1%~2%为宜,长径比可略高于钢纤维增强混凝土的长径比。一般限制在70~100范围内。

　　4.1.6在多年冻土地区的用于抗冻

　　在多年冻土地区选用钢纤维混凝土路面以减少吸热,并维持冻土热平衡和提高抗冻性。

　　4.2桥梁工程的应用

　　4.2.1桥面铺装

　　采用钢纤维混凝土桥面铺装层不仅可以增强桥面的抗裂性、耐久性和提高舒适性能,还可以增强桥梁抗折强度,增加桥梁本身刚度,减少铺装厚度,降低结构自重,改善桥梁受力状况。此外,采用钢纤维混凝土和橡胶沥青混凝土复合的双层桥面也是一种有效措施。

　　4.2.2梁上部承受荷载部位

　　采用钢纤维混凝土作为主拱圈（主梁）或在应力集中区局部加强,改善结构受力性能,有效控制结构变形,减轻自重,推动桥梁结构向大跨度、轻型化方向发展。结构性能良好,造型美观,而且可减少上部材料用量,使下部墩台数量也相应减少,从而降低造价,提高经济效益。通过修建钢纤维混凝土桥梁降低梁高,满足使用上的特殊要求。

　　4.2.3梁墩台等结构局部加固

　　对动载长期作用下造成的桥梁墩台及桥面板裂缝或表层剥落病害,采用转子Ⅱ型喷射机喷射5cm~20cm钢纤维混凝土以满足结构的整体性和抗震性要求。一般钢纤维类型采用剪切钢纤维,掺量为1.0%，采用硫铝酸盐快硬水泥和TS型速凝剂提高早期抗裂性能,对旧混凝土表面喷砂或凿毛,增加新旧混凝土的整体性。

　　4.2.4钢筋混凝土桩加强

　　采用钢纤维混凝土对桩顶或桩尖局部增强,桩的穿透力有较大提高,锤击次数减少,大大提高打击速度。一般在桩顶和桩尖部位采用钢纤维混凝土,增强桩顶的抗冲击韧性,避免桩顶在打入设计深度以前出现破裂,并增加桩尖入土能力,提高打击速度，桩身部分仍用预应力或非预应力钢筋混凝土。当然也可以全断面整体浇筑钢纤维混凝土,但其经济效益会有所下降，所以应经过技术经济比较决定。

　　4.3衬砌隧道和边坡防护的应用

　　采用喷射钢纤维混凝土衬砌隧道是一种有效的技术措施。具有加强结构整体性和防止隧道渗漏水的作用。在边坡岩石节理裂隙发育的地质不良地段,采用普通混凝土支护并用喷射钢纤维混凝土加强或全截面采用喷射纤维混凝土支护加固。

　　5、结语

　　钢纤维混凝土自发展以来，已在公路工程中得到广泛的应用，并取得显著的效果，加上其一系列突出的优点和巨大的技术发展潜力，可以预见在不久的将来必将取得更大的技术进步和广阔的应用前景。