隧道路面钢纤维混凝土配合比设计及性能研究

蒋奇志

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550000）

随着高等级公路的不断发展，钢钎维混凝土在路面工程上，特别是桥、隧上应用越来越广泛，如何合理地选用混凝土配合比及钢钎维掺量，是工程中的重点和难点。

1 、钢纤维混凝土配合比设计及要求

1.1 原材料性质和要求

（1）水泥。采用适合于道路工程使用的水泥，主要包括：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、道路硅酸盐水泥等。必须符合如下几点基本要求：

①应采用强度高、收缩性小、耐磨性强、抗冻性好的水泥。②应采用标号不低于425号的水泥。③水泥进场时，应有产品合格证和化验单，并应对水泥品种、标号、包装、数量、出厂日期等进行检查验收。④不同标号、厂牌、品种、出厂日期的水泥，不得混和堆放，严禁混和使用。出厂期超过三个月或受潮的水泥，必须经过试验，按照试验结果决定正常使用或降级使用，已经结块变质的水泥不得使用。

（2）粗集料。集料粒径大于5mm的称为粗集料。粗集料可以采用轧制碎石和砾石两种，要求粗集料质地坚硬、耐久、洁净、有良好的级配。粗集料颗粒应接近立方体，最大粒径不应超过25mm。

（3）细集料。细集料应该采用天然砂、人工砂或石屑，要求质地坚硬、耐久、洁净，并具有良好的级配。混凝土用砂的级配根据《普通混凝土用砂质量标准和检验方法（JGJ 52－92）》的规定，是以细度模数Mx＝1.6～3.7的砂，按0.63mm筛孔的累计筛余划分为3个级配分区。本施工规范要求砂的级配满足其中II区的级配要求，如表1所示。

表1 隧道路面钢纤维混凝土用砂的级配范围

（4）钢纤维

钢纤维的化学成分应满足表2的要求。

表2 钢纤维化学成分技术要求

钢纤维长度偏差不应超过长度公称值的±5%，每3t产品随机取样100根，长度偏差按照下式计算：

式中：δi--钢纤维长度偏差值；

li--每根受检钢纤维的实测长度；

lf--钢纤维长度公称值。

钢纤维的重量偏差不应超过按尺寸公称值计算重的±15%，每3t产品随机取样100根，重量偏差按照下式计算：

式中：δw--钢纤维重量偏差值；

W0--为100根钢纤维实测重量；

Wc--按钢纤维形状公称值计算的100根钢纤维理论重量。

钢纤维的径向扭曲角度应不小于20°。钢纤维的抗拉强度不应低于600N/mm2。钢纤维表面不得粘混有油污和其它妨碍其与水泥砂浆粘结的杂质。钢纤维内含有的因加工不良造成的粘连片、铁屑及杂质的总重量不应超过钢纤维重的1%。

（5）减水剂。为了提高钢纤维混凝土的和易性，应掺加适量的减水剂，其技术指标应符合现行标准《混凝土外加剂应用规程》的有关规定要求。合适的掺量需要通过试验确定，推荐一般掺量为水泥重量的0.5～2.0%。

（6）水。拌和用水应满足我国现行标准《混凝土拌和用水标准》（JGJ63－89）的规定。经检验，搅拌及养护用水中的有害杂质含量应符合下述规定：

（1）硫酸盐含量（按SO4-2计）小于2.7mg/cm3；（2）含盐量不得超过 5mg/cm3；（3）PH 值不得小于4；（4）不得含有油污;（5）拌制钢纤维混凝土不得采用海水、海砂，严禁掺加氯盐。

1.2 钢纤维混凝土配合比设计

道路用钢纤维砼配合比设计按照抗弯拉强度和抗压强度进行双控。采用以抗弯拉强度为主控指标进行设计，抗折断件的抗压强度作为砼强度等级的参考。

（1）配合比设计标准

钢纤维混凝土配合比设计的控制指标为抗压强度和弯拉强度，其强度等级应不低于C30。弯拉强度与交通量有关，可以按照表 3选取。

表3 钢纤维混凝土设计弯拉强度指标

钢纤维混凝土的设计步骤如下：

①根据试配的抗压强度确定水灰比的大致范围。②根据设计弯拉强度标准确定合理的钢纤维掺量范围。③根据稠度的要求调整单位体积用水量或者砂率。④钢纤维混凝土的抗压强度与水灰比的关系可以参考有关普通水泥混凝土的关系。弯拉强度设计指标见表 3，要求采用合适的钢纤维掺量以使得28天后的弯拉强度达到表 3的要求。钢纤维混凝土的稠度可参照同类工程对普通混凝土所要求的稠度确定，其坍落度值可比相应的普通混凝土要求值小20mm，其维勃稠度值与相应普通混凝土要求值相同。⑤钢纤维混凝土试配配合比确定后，应进行拌和物性能试验，检查其稠度、粘聚性、保水性等是否满足施工要求，若不满足则应在保持水灰比和钢纤维体积率不变的条件下，调整单位体积用水量或砂率直到满足要求为止，并据此确定用于强度试验的基准配合比。

（3）配合比

室内试验采用表4所示的配合比。减水剂为SPN型高效减水剂，用量为水泥用量的1.5%，每立方米混凝土材料用量见表4。进行现场施工配合比设计时按照表中的比例进行试配以确定最终的用于路面铺筑的配合比。

表4 钢纤维混凝土配合比

钢纤维混凝土的抗压、抗折强度试验结果见表5。可以看出，其28天抗压强度达到35MPa以上，28天的抗折强度达到7.0MPa以上，满足表3中的设计要求。钢纤维混凝土的早期强度发展较快，有利于提前开放交通。

表5 配合比设计强度试验结果

表6 对比配合比表

1.3 力学性能比较

钢纤维混凝土与普通混凝土相比，力学性能有很大的提高。采用相同材料对普通混凝土和钢纤维混凝土力学性能进行比较。为了对比纤维的作用效果，避开其它原因的影响，配合比设计采用了保持混凝土各材料用量不变的原则，对是否加入纤维进行比较。

混凝土抗压强度试验采用150mm×150mm×150mm混凝土试件，按照《公路工程水泥混凝土试验规程》（JTJ053－94）进行。

混凝土抗剪切强度试验采用双面直接剪切法，根据中国工程建设标准化协会，CECS13：89钢纤维混凝土试验方法进行，混凝土试件为100mm×100mm×400mm的梁式试件。

混凝土抗冲磨强度试验采用气流挟砂法,试件为150mm×150mm ×150mm 的立方体。试验中，混凝土试件固定在匀速往返运行的活动台架上，高压气、水、砂混合流均匀冲击磨损其表面。试验风压0.3MPa，冲角30°，砂流量180kg/h，磨料砂为粒径小于3mm的天然河砂。抗冲磨强度指混凝土磨损1cm深度所需时间。

试验结果如下表所示。

见表7 RC与SFRC力学性能比较一览表

通过上表的数据对比，我们可以看到钢纤维混凝土具有抗拉、抗折强度高，抗疲劳性好，抗裂性能好，弯曲韧性优良，防渗性突出等特点。在抗弯强度等方面提高幅度显著，有利于隧道路面使用。

结束语：钢纤维砼修筑路面技术就是将钢纤维均匀地分散于基体砼中，通过分散的钢纤维减小动态荷载作用在基体砼上引起的应力集中，从而控制砼裂缝的产生和发展，提高复合材料的抗裂性。同时由于砼与钢纤维界面间有很大的黏结力，因而可将外力传递到抗拉强度大、延伸率高的钢纤维上，使钢纤维砼作为一个均匀整体抵抗外力作用，显著提高了砼的抗弯拉强度、抗冲击韧性、抗疲劳性能等，使得属于脆性材料的砼转变为具有良好塑性的复合材料。因此，钢纤维砼在隧道路面中使用，可以明显减少路结构层龟裂、断板等病害，显著提高路面的使用寿命。

表7 RC与SFRC力学性能比较一览表

[1]中华人民共和国行业标准.公路工程集料试验规程.JTJ058－2000.

[2]中华人民共和国行业标准.公路工程水泥混凝土试验规程.JTJ053－94.