鋼纖維混凝土在公路工程中的應(yīng)用
2012-10-17 來源：作者：李耀華 來源：中國鳴網(wǎng)
1、引言
鋼纖維混凝土是一種新型的優(yōu)質(zhì)水泥基復(fù)合材料,可以實(shí)現(xiàn)按照使用要求設(shè)計(jì)材料的目的。隨著鋼纖維生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步和基礎(chǔ)理論的不斷完善,鋼纖維混凝土在公路工程的應(yīng)用將進(jìn)一步拓寬。
2、性能分析
2.1鋼纖維的類型
鋼纖維抗拉強(qiáng)度高,但與水泥沙漿的界面粘結(jié)性較差，故對鋼纖維表面進(jìn)行變形處理,制成表面有刻痕的、末端帶鉤的、波紋形的鋼纖維,或者圓截面與扁平截面交替的呈規(guī)律性變化的鋼纖維，以改善其力學(xué)性能，增加與水泥基材之間的握裹力。在工程應(yīng)用中鋼纖維主要有以下三種：①切斷鋼纖維：由旋轉(zhuǎn)的銑刀切削軟鋼錠或厚鋼板制得,強(qiáng)度比原材料有較大提高,截面呈三角形,與水泥混凝土的粘結(jié)較好；②剪切鋼纖維：一般是由剪切冷軋薄板制得,厚0.2mm~0.5mm,寬0.25mm~0.9mm,抗拉強(qiáng)度為450MPa~800MPa,與水泥砂漿的粘結(jié)性比切斷鋼纖維好；③熔抽鋼纖維：由熔融的鋼水甩制而成,纖維強(qiáng)度因熔鋼成分與熱處理?xiàng)l件而異,表面不規(guī)則且有一層強(qiáng)度很低的氧化層，但氧化層的存在降低了鋼纖維與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度。
2.2強(qiáng)度機(jī)理
鋼纖維在混凝土中的主要作用,在于限制外力作用下基體中裂縫的擴(kuò)展。在受荷（拉、彎）初期,水泥基料與鋼纖維共同承受外力,而前者是外力的主要承受者:當(dāng)基料發(fā)生開后,橫跨裂縫的鋼纖維成為外力的主要承受者。若鋼纖維體積摻量超過某一臨界值,整個(gè)復(fù)合材料可繼續(xù)承受較高的荷載,并產(chǎn)生較大的變形,直到鋼纖維被拉斷或鋼纖維從基料中被撥出,以至復(fù)合材料破壞。
2.3基本性能
鋼纖維混凝土是在普通混凝土中,均勻地亂向分布一定量的鋼纖維,經(jīng)硬化而得,與普通混凝土相比,具有一系列優(yōu)越的物理力學(xué)性質(zhì)：
?。?）強(qiáng)度與重量比值增大；
?。?）較高的抗拉、抗壓和抗彎的極限強(qiáng)度。在混凝土中摻入適量鋼纖維,其極限抗壓強(qiáng)度可以提高,單軸抗拉極強(qiáng)度可提高40%~50%,抗彎極限強(qiáng)度可提高50%~150%；
?。?）良好的抗沖擊性能。鋼纖維混凝土在纖維摻量為0.8%~2.0%時(shí),其沖擊韌性指標(biāo)可提高50倍~100倍,甚至更高：
?。?）變形性能明顯改善。鋼纖維對混凝土抗壓彈性模量影響不顯著,但對抗拉彈性模量提高較多,鋼纖維對混凝土長期收縮變形的影響也較明顯,鋼纖維可使混凝土的收縮率降低10%~30%；
?。?）抗裂和抗疲勞性能顯著提高；
?。?）優(yōu)越的抗剪性能；
?。?）良好的阻止和抑制因溫度應(yīng)力引起裂縫產(chǎn)生與擴(kuò)展的能力；
?。?）良好的抗凍性與耐磨性能。
2.4影響因素
鋼纖維混凝土性能受鋼纖維類型、鋼纖維摻量、鋼纖維長徑比、砂率、粗骨料最大粒徑、減水劑、摻和料等因素的影響。其中鋼纖維類型、鋼纖維摻量和鋼纖維長徑比是影響鋼纖維混凝土性能的主要因素。
3、鋼纖維混凝土的施工技術(shù)
3.1配合比設(shè)計(jì)
鋼纖維混凝土配合比可以根據(jù)普通混凝土配合比的選擇原則,通過試驗(yàn)最后決定。首先應(yīng)選擇與基材強(qiáng)度相適應(yīng)的鋼纖維品種,鋼纖維極限抗拉強(qiáng)度應(yīng)大于500MPa。圓直和熔抽鋼纖維適宜配制中低標(biāo)號(hào)混凝土,剪切鋼纖維可配制高標(biāo)號(hào)混凝土,鋼纖維含量以0.5%~2.0%為宜。為使鋼纖維混凝土力學(xué)性能與施工和易性要求盡量一致,對鋼纖維長徑比應(yīng)加以控制,同時(shí)還應(yīng)考慮鋼纖維的最小直徑。鋼纖維最小直徑不應(yīng)小于0.40mm,一般應(yīng)控制在0.45mm~0.70mm左右，鋼纖維的長度不應(yīng)過長,在正常攪拌機(jī)拌和時(shí),長徑比應(yīng)控制在50~80。鋼纖維細(xì)石混凝土的砂率應(yīng)高于相同標(biāo)號(hào)的普通混凝土,同時(shí)為保證鋼纖維同基體牢固結(jié)合,通常采用粒徑較小主骨料,最大粒徑為10mm~20mm。為改善混合料施工和易性,減少水泥用量和降低成本,可采用減水劑或其它外摻劑。
3.2拌和
鋼纖維混凝土的施工,按其施工方法來分有澆注鋼纖維混凝土、噴射鋼纖維混凝土和灌漿鋼纖維混凝土。鋼纖維混凝土工程質(zhì)量的優(yōu)劣,在很大程度上取決于施工質(zhì)量。因此,在鋼纖維混凝土施工時(shí),除了滿足普通混凝土的施工要求外,還應(yīng)特別重視鋼纖維給施工帶來的技術(shù)問題,確保鋼纖維均勻分布在基體中。
由于鋼纖維一次性直接投入攪拌機(jī)易出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象,為使鋼纖維充分分散,宜將鋼纖維通過分散機(jī)再進(jìn)入攪拌機(jī)。分散機(jī)功率宜為0.75kW~1.0kW,分散力宜為20kg/min~60kg/min。鋼纖維應(yīng)事先與細(xì)骨料定量拌合均勻或選擇直徑較粗、材質(zhì)較好的纖維,并在料斗入口處設(shè)置振動(dòng)篩。
為防止鋼纖維結(jié)團(tuán),需采取分級(jí)投料,先干后濕工藝。即按碎石→鋼纖維→砂→水泥?；旌狭舷仍跀嚢铏C(jī)內(nèi)干拌1min,然后加水和外加劑濕拌2min。
鋼纖維混凝土攪拌機(jī),一般最好使用強(qiáng)制式攪拌機(jī)和雙錐反轉(zhuǎn)出料攪拌機(jī)。當(dāng)纖維摻量較高和坍落度較小時(shí),為不使攪拌機(jī)超負(fù)荷工作,攪拌機(jī)的利用率相應(yīng)有所降低。
3.3注意事項(xiàng)
鋼纖維混凝土在澆注時(shí),不得有明顯的澆注接頭。每次倒料必須相壓15cm~20cm,使鋼纖維混凝土保持整體連續(xù)性。同時(shí),鋼纖維混凝土的澆注必須連續(xù)進(jìn)行。因使用插入式振動(dòng)棒插入鋼纖維混凝土進(jìn)行振搗,會(huì)使鋼纖維朝振動(dòng)著的振動(dòng)棒聚集,產(chǎn)生集束效應(yīng),為確保鋼纖維的二維分布,宜使用平板振動(dòng)器振搗成型。當(dāng)采用振搗棒時(shí),為保證邊角混凝土密實(shí),應(yīng)使鋼纖維縱向條狀集束排列有利于抵抗板體收縮應(yīng)力、溫度應(yīng)力及荷載的傳遞。振搗好的混凝土表面應(yīng)抹平,將外露的鋼纖維壓入混凝土中,以防止露出表面的纖維銹蝕或刺人。
鋼纖維混凝土具有粗骨料細(xì)、砂率大、纖維亂向分布的特點(diǎn),因此鋼纖維混凝土路面宜采用真空吸水工藝,機(jī)械抹平以防止鋼纖維外露。采用壓紋機(jī)壓紋工藝以避免拉毛產(chǎn)生纖維外露現(xiàn)象。拆模后對纖維外露或漏振時(shí),應(yīng)及時(shí)處理。
鋼纖維混凝土的收縮性小、抗裂性能好。有條件封閉交通的施工路段,采用混凝土攤鋪機(jī)可做成整幅式,不設(shè)縱縫。鋼纖維澆筑養(yǎng)生達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度50%后切鋸縮縫。
鋼纖維混凝土在運(yùn)輸過程中,坍落度和含氣量都會(huì)有損失,拌和物稠度下降。由于在運(yùn)輸時(shí)受到振動(dòng)使鋼纖維下沉,影響了鋼纖維混凝土的均勻性。因此鋼纖維混凝土的運(yùn)輸距離應(yīng)盡量縮短,料斗出口尺寸要大一些。有條件時(shí)也可以采用泵送。
4、在公路施工中的綜合應(yīng)用
4.1路面工程的應(yīng)用
由于鋼纖維混凝土路面具有減薄鋪裝厚度、縱縫不設(shè)或少設(shè)、橫向縮縫少、良好的耐磨性及凍融性等優(yōu)點(diǎn),延長路面使用壽命,從而在路面工程中獲得廣泛應(yīng)用。
4.1.1新建全截面鋼纖維混凝土路面
全截面采用鋼纖維混凝土的路面厚度為普通混凝土路面厚度的50%~60%,鋼纖維摻量為0.8%~1.2%。雙車道路面一般不設(shè)縱逢,橫縫間距20m~30m,最長可取50m。
4.1.2新建復(fù)合式鋼纖維混凝土路面
復(fù)合式路面可以做成雙層式或三層式。雙層式路面的構(gòu)造是在全路面板厚的上層約全厚40%~60%鋪設(shè)鋼纖維混凝土。三層式復(fù)合路面是上下兩層分別做成鋼纖維混凝171土層,中間夾普通混凝土層。結(jié)構(gòu)上比較合理,但施工復(fù)雜。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),三層式復(fù)合路面宜在機(jī)械化鋪設(shè)條件較高的地區(qū)使用。此外,還可以采用鋼纖維-鋼絲網(wǎng)混凝土復(fù)合式路面。
4.1.3碾壓鋼纖維混凝土路面
將鋼纖維置于碾壓混凝土中,從而使路面的強(qiáng)度和韌性增強(qiáng),改善碾壓混凝土的力學(xué)性能。
4.1.4鋼纖維混凝土罩面
舊混凝土路面損壞采用鋼纖維混凝土鋪筑罩面層。鋼纖維混凝土罩面分結(jié)合式、直接式、分離式三種結(jié)合。結(jié)合式罩面面層與舊混凝土相互粘結(jié)為一整體,共同發(fā)揮結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度作用。分離式罩面層與舊混凝土不粘結(jié),而是中間設(shè)置一個(gè)隔離層,各層獨(dú)立發(fā)揮作用。直接式是直接在舊水泥混凝土面層上加鋪鋼纖維混凝土罩面層。一般用于損壞較輕微的舊水泥混凝土路面。
4.1.5鋼纖維水泥砂漿或鋼纖維細(xì)石混凝土罩面修補(bǔ)
用鋼纖維水泥砂漿或鋼纖維細(xì)石混凝土對損壞的路面進(jìn)行修補(bǔ)罩面。鋼纖維體積率以1%~2%為宜,長徑比可略高于鋼纖維增強(qiáng)混凝土的長徑比。一般限制在70~100范圍內(nèi)。
4.1.6在多年凍土地區(qū)的用于抗凍
在多年凍土地區(qū)選用鋼纖維混凝土路面以減少吸熱,并維持凍土熱平衡和提高抗凍性。
4.2橋梁工程的應(yīng)用
4.2.1橋面鋪裝
采用鋼纖維混凝土橋面鋪裝層不僅可以增強(qiáng)橋面的抗裂性、耐久性和提高舒適性能,還可以增強(qiáng)橋梁抗折強(qiáng)度,增加橋梁本身剛度,減少鋪裝厚度,降低結(jié)構(gòu)自重,改善橋梁受力狀況。此外,采用鋼纖維混凝土和橡膠瀝青混凝土復(fù)合的雙層橋面也是一種有效措施。
4.2.2梁上部承受荷載部位
采用鋼纖維混凝土作為主拱圈（主梁）或在應(yīng)力集中區(qū)局部加強(qiáng),改善結(jié)構(gòu)受力性能,有效控制結(jié)構(gòu)變形,減輕自重,推動(dòng)橋梁結(jié)構(gòu)向大跨度、輕型化方向發(fā)展。結(jié)構(gòu)性能良好,造型美觀,而且可減少上部材料用量,使下部墩臺(tái)數(shù)量也相應(yīng)減少,從而降低造價(jià),提高經(jīng)濟(jì)效益。通過修建鋼纖維混凝土橋梁降低梁高,滿足使用上的特殊要求。
4.2.3梁墩臺(tái)等結(jié)構(gòu)局部加固
對動(dòng)載長期作用下造成的橋梁墩臺(tái)及橋面板裂縫或表層剝落病害,采用轉(zhuǎn)子Ⅱ型噴射機(jī)噴射5cm~20cm鋼纖維混凝土以滿足結(jié)構(gòu)的整體性和抗震性要求。一般鋼纖維類型采用剪切鋼纖維,摻量為1.0%，采用硫鋁酸鹽快硬水泥和TS型速凝劑提高早期抗裂性能,對舊混凝土表面噴砂或鑿毛,增加新舊混凝土的整體性。
4.2.4鋼筋混凝土樁加強(qiáng)
采用鋼纖維混凝土對樁頂或樁尖局部增強(qiáng),樁的穿透力有較大提高,錘擊次數(shù)減少,大大提高打擊速度。一般在樁頂和樁尖部位采用鋼纖維混凝土,增強(qiáng)樁頂?shù)目箾_擊韌性,避免樁頂在打入設(shè)計(jì)深度以前出現(xiàn)破裂,并增加樁尖入土能力,提高打擊速度，樁身部分仍用預(yù)應(yīng)力或非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土。當(dāng)然也可以全斷面整體澆筑鋼纖維混凝土,但其經(jīng)濟(jì)效益會(huì)有所下降，所以應(yīng)經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較決定。
4.3襯砌隧道和邊坡防護(hù)的應(yīng)用
采用噴射鋼纖維混凝土襯砌隧道是一種有效的技術(shù)措施。具有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性和防止隧道滲漏水的作用。在邊坡巖石節(jié)理裂隙發(fā)育的地質(zhì)不良地段,采用普通混凝土支護(hù)并用噴射鋼纖維混凝土加強(qiáng)或全截面采用噴射纖維混凝土支護(hù)加固。
5、結(jié)語
鋼纖維混凝土自發(fā)展以來，已在公路工程中得到廣泛的應(yīng)用，并取得顯著的效果，加上其一系列突出的優(yōu)點(diǎn)和巨大的技術(shù)發(fā)展?jié)摿?，可以預(yù)見在不久的將來必將取得更大的技術(shù)進(jìn)步和廣闊的應(yīng)用前景。
