方少巖

(衡水市桃城區(qū)交通局道路橋梁工程處)

1 纖維增強(qiáng)材料

我國(guó)的水泥混凝土路面和橋面鋪裝越來(lái)越多地使用纖維增強(qiáng)材料，以期改善混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、延性、沖擊韌性及控制開(kāi)裂和裂縫寬度。下面為纖維材料的簡(jiǎn)要介紹。

1.1 纖維品種

水泥混凝土路面、橋面、搭板、伸縮縫等使用的纖維補(bǔ)強(qiáng)材料的品種主要有:鋼纖維、耐堿玻璃纖維、碳纖維、石棉纖維、植物纖維(竹、木、草)、有機(jī)聚合物纖維(如聚丙烯、聚乙烯、醋酸纖維)等。

1.2 公路工程用纖維的技術(shù)要求

(1)高抗拉強(qiáng)度:與水泥基材抗拉強(qiáng)度相比，至少高出二個(gè)數(shù)量級(jí)。

(2)高彈性模量:纖維與基材的彈模比愈高，結(jié)構(gòu)受荷載時(shí)，纖維分擔(dān)的應(yīng)力越大。從限制開(kāi)裂和裂縫寬度看，路面、橋面及伸縮縫處使用的纖維，與混凝土的彈模比不應(yīng)小于1，否則纖維會(huì)像橡膠一樣，起不到控制開(kāi)裂和限制裂縫寬度的作用。低模量的聚丙烯、聚乙烯和聚脂纖維使用效果欠佳。

(3)大變形能力:與水泥基材的極限拉伸率相比，至少高一個(gè)數(shù)量級(jí)，從而達(dá)到控制開(kāi)裂和限制裂縫寬度的作用。

(4)低泊松比:一般不宜大于0.40。

(5)高耐堿性:在路面設(shè)計(jì)使用壽命期內(nèi)，不受水泥堿性環(huán)境侵蝕，長(zhǎng)期耐久性可靠。

(6)高粘結(jié)強(qiáng)度:纖維與基材的粘結(jié)強(qiáng)度不應(yīng)低于1 MPa。

(7)適宜的長(zhǎng)度和長(zhǎng)徑比:長(zhǎng)徑比為短纖維長(zhǎng)度與直徑之比，混凝土中的纖維既要不被拔出，可從中間拉斷，又要攪拌和澆筑時(shí)，不成團(tuán)。同時(shí)滿足這兩項(xiàng)要求的長(zhǎng)度稱臨界長(zhǎng)度，對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)徑比為臨界長(zhǎng)徑比?；炷林惺褂玫睦w維長(zhǎng)度一般在1～5 cm之間，長(zhǎng)徑比一般在50～100之間。

(8)對(duì)人體無(wú)害:有的纖維如石棉，性能很好，資源廣泛，價(jià)格低廉，但研究表明它們具有對(duì)人體的致癌作用，因此在國(guó)際上禁止使用。

(9)資源豐富，價(jià)格較低。

1.3 鋼纖維混凝土

在我國(guó)高等級(jí)公路水泥混凝土路面工程中使用的纖維目前主要是鋼纖維。盡管鋼纖維有比重大、單方用量大、直徑粗、增強(qiáng)根數(shù)有限的缺點(diǎn)，但鋼纖維混凝土的力學(xué)性能穩(wěn)定可靠，無(wú)堿腐蝕和侵蝕之憂。使用拋法蘭和不銹鋼，也能有效防止銹蝕。因而鋼纖維混凝土比任何其它一種纖維在混凝土結(jié)構(gòu)工程的應(yīng)用都更為廣泛，特別是在路面和橋面工程中，有應(yīng)用增大的趨勢(shì)。我國(guó)已經(jīng)使用滑模施工技術(shù)在路面和橋面上攤鋪過(guò)鋼纖維和鋼筋網(wǎng)雙鋼混凝土，在路面上攤鋪過(guò)聚丙烯纖維和耐堿玻璃纖維混凝土。聚丙烯纖維混凝土在混凝土未凝固前，因握裹力不足而抵抗不了塑性收縮開(kāi)裂，混凝土硬化后開(kāi)裂，由于模量過(guò)低，像“橡皮筋”被拉長(zhǎng)而限制裂縫寬度的作用有限。耐堿玻璃纖維混凝土纖維密度低、抗拉強(qiáng)度高、彈性模量高、用量省而效果好，目前正在試驗(yàn)和應(yīng)用研究中。

1.3.1 鋼纖維的種類

鋼纖維按外形可分為圓直形、波形、變截面、啞鈴形、扁平形、彎鉤形、凹凸形、卷曲形、三維立體形等形狀。按加工方式有冷拔、壓形、剪切、銑削、熔抽等多種形式。圓直鋼纖維直徑一般為0.25～0.75 mm，扁平鋼纖維厚度為0.15～0.40 mm，寬度0.25～0.9 mm。這兩種鋼纖維長(zhǎng)度在20～60 mm范圍內(nèi)。帶彎鉤的鋼纖維直徑0.30～0.5 mm，長(zhǎng)度40～60 mm。目前混凝土路面中多使用性能較好的彎鉤形、凹凸形及卷曲形幾種形式。

1.3.2 鋼纖維混凝土配制攪拌與路面滑模施工

(1)鋼纖維混凝土配制要點(diǎn)

鋼纖維的長(zhǎng)徑比不應(yīng)大于100，一般在60～80之間才能達(dá)到均勻分布之目的。鋼纖維不成團(tuán)的體積用量一般為0.5% ～2%，密度一般在60～100 kg/m3之間。鋼纖維混凝土的粗集料最大粒徑不應(yīng)大于20 mm，它要求加大砂率，一股應(yīng)為40% ～55%，而且它的工作性不好，一般應(yīng)使用高效減水劑。

(2)鋼纖維混凝土的攪拌

鋼纖維混凝土應(yīng)使用強(qiáng)制式攪拌機(jī)生產(chǎn)，間歇式攪拌機(jī)應(yīng)減少10%左右一盤攪拌量，鋼纖維混凝土在間歇式攪拌樓上加入時(shí)，稱量好每盤用量，用水溶性塑料包裝袋，投入砂石料斗，先干拌砂石料，使鋼纖維分散，再加水和水泥拌和或延長(zhǎng)1/3～1/2每盤攪拌時(shí)間達(dá)到鋼纖維均勻拌和之目的。使用連續(xù)式攪拌樓時(shí)，應(yīng)在砂石料供應(yīng)皮帶上，加裝鋼纖維均勻計(jì)量的分散機(jī)，邊計(jì)量邊均勻加入。連續(xù)式攪拌樓的生產(chǎn)量也要減小10%左右。

(3)鋼纖維混凝土的滑模攤鋪

在滑模攤鋪機(jī)施工鋼纖維混凝土?xí)r，必須將振搗棒組位置提高到擠壓底板以上，不得插入路面或部分插入路面振搗。防止振搗棒溝槽內(nèi)局部設(shè)有鋼纖維，從而引起縱向塑性收縮開(kāi)裂。鋼纖維混凝土的攤鋪推進(jìn)速度要適當(dāng)減慢，保證振搗密實(shí)度。

1.3.3 鋼纖維混凝土主要性能

(1)抗拉強(qiáng)度:鋼纖維摻量1.5%，鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度可提高30% ～50%;劈裂強(qiáng)度可提高一倍左右。

(2)抗折強(qiáng)度:鋼纖維體積摻量0.4% ～0.8%，可提高抗折強(qiáng)度50% ～100%，彎拉延性變形大大提高。

(3)抗壓強(qiáng)度:鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度可提高15% ～25%。

(4)抗沖擊韌性:鋼纖維混凝土的靜載彎曲韌性可提高10倍～50倍，抗沖擊韌性可提高2倍～10倍。

(5)耐疲勞性:鋼纖維混凝土的耐疲勞循環(huán)周次可提高2倍～6倍。

(6)抗磨性和抗凍性:鋼纖維混凝土的抗磨性有所提高，抗凍性略有改善。

(7)干縮和徐變:鋼纖維混凝土干縮減小10% ～30%，對(duì)徐變無(wú)影響。

目前鋼纖維混凝土與鋼筋混凝土相比的缺點(diǎn)是一次投資過(guò)大，經(jīng)濟(jì)比較表明，大約是鋼筋混凝土路面的一倍。原因是鋼纖維比重過(guò)大，根數(shù)少，每立方米鋼纖維為60～100 kg，每噸鋼纖維5 000元，鋼纖維的投資300～500元/m3，與每立方米混凝土價(jià)格相當(dāng)或略貴。分散的亂向鋼纖維有相當(dāng)部分不在應(yīng)力跡線方向，至少有1/3的鋼纖維是沒(méi)有定向增強(qiáng)效果的。盡管如此，鋼纖維混凝土路面和橋面具有比鋼筋混凝土更優(yōu)越的抗沖擊破壞能力，在高等級(jí)公路特大、大型橋面、橋梁伸縮縫和橋臺(tái)上部接縫中，作者依然推薦使用鋼纖維混凝土，目的在于提高橋面橋梁接縫的抗沖擊破壞能力，延長(zhǎng)其使用年限，減少維修次數(shù)，提高其使用通行能力。