鋼纖維混凝土在公路工程中的應用
2012-10-17 來源：作者：李耀華 來源：中國鳴網
1、引言
鋼纖維混凝土是一種新型的優(yōu)質水泥基復合材料,可以實現按照使用要求設計材料的目的。隨著鋼纖維生產技術的不斷進步和基礎理論的不斷完善,鋼纖維混凝土在公路工程的應用將進一步拓寬。
2、性能分析
2.1鋼纖維的類型
鋼纖維抗拉強度高,但與水泥沙漿的界面粘結性較差，故對鋼纖維表面進行變形處理,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，以改善其力學性能，增加與水泥基材之間的握裹力。在工程應用中鋼纖維主要有以下三種：①切斷鋼纖維：由旋轉的銑刀切削軟鋼錠或厚鋼板制得,強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,抗拉強度為450MPa~800MPa,與水泥砂漿的粘結性比切斷鋼纖維好；③熔抽鋼纖維：由熔融的鋼水甩制而成,纖維強度因熔鋼成分與熱處理條件而異,表面不規(guī)則且有一層強度很低的氧化層，但氧化層的存在降低了鋼纖維與混凝土的粘結強度。
2.2強度機理
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,整個復合材料可繼續(xù)承受較高的荷載,并產生較大的變形,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)越的物理力學性質：
（1）強度與重量比值增大；
（2）較高的抗拉、抗壓和抗彎的極限強度。在混凝土中摻入適量鋼纖維,其極限抗壓強度可以提高,單軸抗拉極強度可提高40%~50%,抗彎極限強度可提高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,其沖擊韌性指標可提高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；
（6）優(yōu)越的抗剪性能；
（7）良好的阻止和抑制因溫度應力引起裂縫產生與擴展的能力；
（8）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
3.1配合比設計
鋼纖維混凝土配合比可以根據普通混凝土配合比的選擇原則,通過試驗最后決定。首先應選擇與基材強度相適應的鋼纖維品種,鋼纖維極限抗拉強度應大于500MPa。圓直和熔抽鋼纖維適宜配制中低標號混凝土,剪切鋼纖維可配制高標號混凝土,鋼纖維含量以0.5%~2.0%為宜。為使鋼纖維混凝土力學性能與施工和易性要求盡量一致,對鋼纖維長徑比應加以控制,同時還應考慮鋼纖維的最小直徑。鋼纖維最小直徑不應小于0.40mm,一般應控制在0.45mm~0.70mm左右，鋼纖維的長度不應過長,在正常攪拌機拌和時,長徑比應控制在50~80。鋼纖維細石混凝土的砂率應高于相同標號的普通混凝土,同時為保證鋼纖維同基體牢固結合,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量的優(yōu)劣,在很大程度上取決于施工質量。因此,在鋼纖維混凝土施工時,除了滿足普通混凝土的施工要求外,還應特別重視鋼纖維給施工帶來的技術問題,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易出現結團現象,為使鋼纖維充分分散,宜將鋼纖維通過分散機再進入攪拌機。分散機功率宜為0.75kW~1.0kW,分散力宜為20kg/min~60kg/min。鋼纖維應事先與細骨料定量拌合均勻或選擇直徑較粗、材質較好的纖維,并在料斗入口處設置振動篩。
為防止鋼纖維結團,需采取分級投料,先干后濕工藝。即按碎石→鋼纖維→砂→水泥。混合料先在攪拌機內干拌1min,然后加水和外加劑濕拌2min。
鋼纖維混凝土攪拌機,一般最好使用強制式攪拌機和雙錐反轉出料攪拌機。當纖維摻量較高和坍落度較小時,為不使攪拌機超負荷工作,攪拌機的利用率相應有所降低。
3.3注意事項
鋼纖維混凝土在澆注時,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,鋼纖維混凝土的澆注必須連續(xù)進行。因使用插入式振動棒插入鋼纖維混凝土進行振搗,會使鋼纖維朝振動著的振動棒聚集,產生集束效應,為確保鋼纖維的二維分布,宜使用平板振動器振搗成型。當采用振搗棒時,為保證邊角混凝土密實,應使鋼纖維縱向條狀集束排列有利于抵抗板體收縮應力、溫度應力及荷載的傳遞。振搗好的混凝土表面應抹平,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、砂率大、纖維亂向分布的特點,因此鋼纖維混凝土路面宜采用真空吸水工藝,機械抹平以防止鋼纖維外露。采用壓紋機壓紋工藝以避免拉毛產生纖維外露現象。拆模后對纖維外露或漏振時,應及時處理。
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,采用混凝土攤鋪機可做成整幅式,不設縱縫。鋼纖維澆筑養(yǎng)生達設計強度50%后切鋸縮縫。
鋼纖維混凝土在運輸過程中,坍落度和含氣量都會有損失,拌和物稠度下降。由于在運輸時受到振動使鋼纖維下沉,影響了鋼纖維混凝土的均勻性。因此鋼纖維混凝土的運輸距離應盡量縮短,料斗出口尺寸要大一些。有條件時也可以采用泵送。
4、在公路施工中的綜合應用
4.1路面工程的應用
由于鋼纖維混凝土路面具有減薄鋪裝厚度、縱縫不設或少設、橫向縮縫少、良好的耐磨性及凍融性等優(yōu)點,延長路面使用壽命,從而在路面工程中獲得廣泛應用。
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縱逢,橫縫間距20m~30m,最長可取50m。
4.1.2新建復合式鋼纖維混凝土路面
復合式路面可以做成雙層式或三層式。雙層式路面的構造是在全路面板厚的上層約全厚40%~60%鋪設鋼纖維混凝土。三層式復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。結構上比較合理,但施工復雜。根據經驗,三層式復合路面宜在機械化鋪設條件較高的地區(qū)使用。此外,還可以采用鋼纖維-鋼絲網混凝土復合式路面。
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,從而使路面的強度和韌性增強,改善碾壓混凝土的力學性能。
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合式、直接式、分離式三種結合。結合式罩面面層與舊混凝土相互粘結為一整體,共同發(fā)揮結構的整體強度作用。分離式罩面層與舊混凝土不粘結,而是中間設置一個隔離層,各層獨立發(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石混凝土罩面修補
用鋼纖維水泥砂漿或鋼纖維細石混凝土對損壞的路面進行修補罩面。鋼纖維體積率以1%~2%為宜,長徑比可略高于鋼纖維增強混凝土的長徑比。一般限制在70~100范圍內。
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橋面的抗裂性、耐久性和提高舒適性能,還可以增強橋梁抗折強度,增加橋梁本身剛度,減少鋪裝厚度,降低結構自重,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）或在應力集中區(qū)局部加強,改善結構受力性能,有效控制結構變形,減輕自重,推動橋梁結構向大跨度、輕型化方向發(fā)展。結構性能良好,造型美觀,而且可減少上部材料用量,使下部墩臺數量也相應減少,從而降低造價,提高經濟效益。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梁墩臺等結構局部加固
對動載長期作用下造成的橋梁墩臺及橋面板裂縫或表層剝落病害,采用轉子Ⅱ型噴射機噴射5cm~20cm鋼纖維混凝土以滿足結構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
采用鋼纖維混凝土對樁頂或樁尖局部增強,樁的穿透力有較大提高,錘擊次數減少,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,增強樁頂的抗沖擊韌性,避免樁頂在打入設計深度以前出現破裂,并增加樁尖入土能力,提高打擊速度，樁身部分仍用預應力或非預應力鋼筋混凝土。當然也可以全斷面整體澆筑鋼纖維混凝土,但其經濟效益會有所下降，所以應經過技術經濟比較決定。
4.3襯砌隧道和邊坡防護的應用
采用噴射鋼纖維混凝土襯砌隧道是一種有效的技術措施。具有加強結構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)育的地質不良地段,采用普通混凝土支護并用噴射鋼纖維混凝土加強或全截面采用噴射纖維混凝土支護加固。
5、結語
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用，并取得顯著的效果，加上其一系列突出的優(yōu)點和巨大的技術發(fā)展?jié)摿Γ梢灶A見在不久的將來必將取得更大的技術進步和廣闊的應用前景。
