鋼纖維混凝土在公路工程中的應(yīng)用研究

蓋騰

（石家莊市交投津石高速公路建設(shè)管理有限公司深正分公司，石家莊 050000）

1 引言

鋼纖維混凝土由于在混凝土中摻入鋼纖維材料，使其相對(duì)于普通混凝土來(lái)說(shuō)，更具有抗裂、耐磨、抗凍融以及抗疲勞等優(yōu)勢(shì)。在公路路面中若采用鋼纖維混凝土，充分利用鋼纖維混凝土的優(yōu)勢(shì)，可使路面厚度以及路面鋼筋用量得到優(yōu)化。綜合來(lái)說(shuō)，公路路面采用鋼纖維混凝土，不僅節(jié)約鋼材，還可以保證公路工程質(zhì)量。因此，在公路路面中采用鋼纖維混凝土，具有顯著優(yōu)勢(shì)。

2 路面采用鋼纖維混凝土的優(yōu)勢(shì)

混凝土中由于摻入了鋼纖維，當(dāng)混凝土出現(xiàn)開(kāi)裂后，橫跨裂縫的鋼纖維成為主要抵抗外力作用的承受者，抑制混凝土內(nèi)部裂縫的繼續(xù)發(fā)展。鋼纖維混凝土與普通鋼筋混凝土相比，在力學(xué)和物理性能方面具有較大優(yōu)勢(shì)。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果比較詳見(jiàn)表1。

表1 鋼纖維混凝土和普通鋼筋混凝土性能比較匯總表

1）混凝土各項(xiàng)強(qiáng)度增大?；炷林袚饺脘摾w維，有效提高了混凝土強(qiáng)度，同時(shí)提高了抵抗外力的能力，如混凝土抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的提高，尤其是混凝土抗拉強(qiáng)度提高較為明顯，加入鋼纖維后的混凝土抗拉強(qiáng)度約提高25%～50%，這是鋼纖維混凝土在公路工程中得到應(yīng)用的重要原因之一。

2）混凝土抗沖擊性能和抗裂性能得到提高?；炷林袚饺脘摾w維，由于鋼纖維自身優(yōu)勢(shì)的抗裂性和韌性，提高了混凝土抗沖擊性能和抗裂性能。摻入鋼纖維后的混凝土，其抗沖擊性能可提高2～7 倍。另外，鋼纖維有利于限制混凝土內(nèi)部裂縫的發(fā)展，鋼纖維混凝因此而具有較好的抗裂性能。

3）混凝土耐久性能得到提高?；炷林袚饺肓虽摾w維，使得鋼纖維混凝土具有良好的耐久性能，如鋼纖維混凝土的耐凍融性、耐磨性以及耐腐蝕性。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明，普通混凝土經(jīng)過(guò)150 次凍融循環(huán)后，其抗壓強(qiáng)度會(huì)下降60%以上，而摻入鋼纖維后的混凝土，其抗壓強(qiáng)度僅下降20%。另外，鋼纖維混凝土具有較好的耐腐蝕性。普通混凝土在腐蝕性海水中，混凝土中的鋼筋會(huì)容易銹蝕，導(dǎo)致銹蝕層體積膨脹而脹裂混凝土。鋼纖維混凝土則只有表層鋼纖維出現(xiàn)銹斑，內(nèi)部鋼纖維則未受腐蝕，充分表明了鋼纖維混凝土相比普通混凝土，具有更優(yōu)的耐腐蝕性。

3 鋼纖維混凝土在公路工程中的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

某高速公路全長(zhǎng)約100 km，道路設(shè)計(jì)為雙向4 車(chē)道，路面設(shè)計(jì)寬度為24 m，道路設(shè)計(jì)時(shí)速為100 km/h，路面設(shè)計(jì)荷載為汽車(chē)-超20，掛-120。結(jié)合該高速公路重要性，經(jīng)研究決定，對(duì)該公路采用鋼纖維混凝土路面，抗拉強(qiáng)度要求達(dá)到5.5 MPa，抗壓強(qiáng)度≥40 MPa。

3.2 鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)

鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合鋼纖維使用要求而選用合理的配合設(shè)計(jì)方案。

1）鋼纖維選取。綜合考慮各種類(lèi)型鋼纖維性能，本項(xiàng)目最終選取剪切異形直紋鋼纖維，該類(lèi)型鋼纖維規(guī)格為0.5 mm（長(zhǎng)）×0.5 mm（寬）×25 mm（高），形狀為指紋形，密度為6.8 g/cm3，長(zhǎng)徑比為50，抗拉強(qiáng)度要求達(dá)到600 MPa 以上。

2）水泥作為鋼纖維混凝土中重要的膠結(jié)材料，其質(zhì)量選取尤為重要。通過(guò)綜合比較，結(jié)合強(qiáng)度要求，本項(xiàng)目水泥選取P·O42.5R。

3）粗集料作為構(gòu)成鋼纖維混凝土的骨架材料，本項(xiàng)目所采用粗集料為碎石。結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)研究，鋼纖維混凝土所用粗集料粒徑適宜小于鋼纖維長(zhǎng)度的2/3，由于本項(xiàng)目鋼纖維長(zhǎng)度為25 mm，因此，粗集料粒徑尺寸宜選擇5～20 mm。結(jié)合相關(guān)研究成果，本項(xiàng)目碎石粒徑摻配比為：粒徑在9.5～19 mm 范圍的碎石占比約為60%，粒徑在2.36～4.75 mm 范圍的碎石占比約為40%。

4）細(xì)集料。細(xì)集料選取干凈的天然砂、機(jī)制砂或混合砂。鑒于砂的細(xì)度系數(shù)和混凝土和易性有著密切關(guān)系，而采用粗砂會(huì)較易在拌制混凝土過(guò)程中出現(xiàn)離析現(xiàn)象，而采用細(xì)砂會(huì)導(dǎo)致拌制混凝土?xí)r需水量較多，兩者均不利，因此，宜選取中粗砂，細(xì)度模數(shù)選用為2.5。

5）最佳配合比。選取合適的組成材料后，需要合理分配各組成材料用量，從而配制出性能優(yōu)越的鋼纖維混凝土。本項(xiàng)目分別選取不同用量的水灰比、鋼纖維進(jìn)配制鋼纖維混凝土，對(duì)其相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行研究。不同用量水灰比對(duì)鋼纖維混凝土坍落度和抗壓強(qiáng)度影響見(jiàn)圖1～圖2 所示。圖1～圖2 表明，水灰比越大，鋼纖維混凝土坍落度越大，但抗壓強(qiáng)度隨之減小。綜合考慮，選取水灰比為0.43 時(shí)，鋼纖維混凝土的坍落度和抗壓強(qiáng)度較為合適。

圖1 不同水灰比與混凝土坍落度關(guān)系曲線

圖2 不同水灰比與混凝土抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

鋼纖維體積率對(duì)鋼纖維混凝土的坍落度和抗壓強(qiáng)度影響如圖3～圖4 所示。圖3～圖4 表明，鋼纖維體積率越大，混凝土坍落度越??；當(dāng)鋼纖維體積率在1.0%時(shí)，鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值。綜合考慮成本以及混凝土各項(xiàng)指標(biāo)，鋼纖維體積率選取1.0%時(shí)較為合適。

圖4 不同鋼纖維體積率與混凝土抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

3.3 鋼纖維混凝土施工要點(diǎn)

1）布料與攤鋪。鋼纖維在混凝土中的布料應(yīng)當(dāng)均勻分布而且連續(xù)摻入混凝土公路面板中，避免出現(xiàn)結(jié)團(tuán)情況，可考慮采用分散機(jī)讓鋼纖維分散進(jìn)攪拌機(jī)。其次，在試鋪時(shí)，應(yīng)結(jié)合鋼纖維混凝土坍落度進(jìn)行攤鋪。一般情況下，鋼纖維混凝土中由于摻入鋼纖維，在鋼纖維的頂托下，鋼纖維混凝土坍落度會(huì)比普通混凝土坍落度稍低。

2）振搗和整平。鋼纖維混凝土攤鋪后，應(yīng)對(duì)其采取振搗密實(shí)處理。本工程下料后先采用插入式振動(dòng)棒對(duì)混凝土采取初振，再采用平板振動(dòng)器進(jìn)行面層振搗，平板振動(dòng)器采用大功率振動(dòng)器，最后利用刮板進(jìn)行收面高程控制。

因?yàn)殇摾w維混凝土流動(dòng)性較差，可先采用振搗棒振搗密實(shí)邊角處，避免該區(qū)域產(chǎn)生蜂窩。振搗時(shí)間以混凝土停止下沉，而且不再冒出氣泡并泛出水泥漿為準(zhǔn)。采用振搗棒振搗時(shí)，應(yīng)當(dāng)避免過(guò)振，同時(shí)禁止出現(xiàn)溝槽和空洞。振搗時(shí)應(yīng)當(dāng)按照統(tǒng)一方向振搗，在振搗過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)有外露的鋼纖維，則應(yīng)把豎起的鋼纖維及石子壓下去，平整后的鋼纖維混凝土路面以在面板表面以下10～30 mm 為宜，這樣可避免后期路面磨損導(dǎo)致鋼纖維外露而影響行車(chē)安全。

3）施工鋼纖維混凝土尤其注意控制好施工速度，避免施工過(guò)慢而導(dǎo)致鋼纖維混凝土已凝結(jié)但未平整完成。若施工速度較慢，則可考慮對(duì)混凝土采取噴霧方式處理，可有效防止鋼纖維混凝土表面的水分蒸發(fā)，但禁止隨意在混凝土拌和物中加水。

3.4 效益分析

1）經(jīng)濟(jì)效益。本工程路面采用鋼纖維混凝土，路面厚度可減少1/2 以上，同時(shí)還節(jié)約了鋼筋、碎石和水泥等原材料和相應(yīng)人工費(fèi)用，鋼纖維混凝土單價(jià)比普通混凝土便宜約20%。同時(shí)由于采用鋼纖維混凝土后，路面抗沖擊能力和抗疲勞能力得到了提高，節(jié)省了后期公路路面養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用。

2）社會(huì)效益。從工程竣工后近1 年的通車(chē)運(yùn)營(yíng)情況來(lái)看，采用鋼纖維混凝土鋪裝的橋面沒(méi)有出現(xiàn)明顯病害問(wèn)題，而采用普通混凝土鋪裝的橋面干縮裂縫發(fā)育明顯，路面出現(xiàn)磨耗。

因此，公路采用鋼纖維混凝土路面與普通混凝土路面相比，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

在混凝土中摻入鋼纖維后，其性能與普通混凝土相比得到顯著提高。本文系統(tǒng)地介紹了公路工程中采用鋼纖維混凝土的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合實(shí)際工程案例應(yīng)用得到了以下結(jié)論：

1）鋼纖維混凝土對(duì)原材料質(zhì)量要求較高，同時(shí)對(duì)混凝土配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，選取水灰比為0.43，鋼纖維體積率在1.0%時(shí)，鋼纖維混凝土各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

2）通過(guò)對(duì)本公路工程采用鋼纖維混凝土后的經(jīng)濟(jì)以及社會(huì)效益進(jìn)行分析，得出公路采用鋼纖維混凝土路面具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，可在同類(lèi)工程中推廣應(yīng)用。