浅谈路桥施工中钢纤维混凝土应用技术

鲁强

摘 要:随着我国经济的迅速发展,路桥已经成为了各个城市交通的主要动脉,路桥的建设也越来越受到人们的关注。混凝土的自身收缩、受力开裂等混凝土的缺陷越来越引起技术人员的高度重视,作为目前路桥施工中的重要材料,其施工技术应用直接影响路桥的质量以及后期的使用安全性、可靠性,本文笔者主要针对混凝土中掺加钢纤维材料技术,增强混凝土抗裂性在路桥施工中的应用作简单的介绍。

关键词:路桥施工技术钢纤维混凝土应用

中图分类号:TU528 文献标识码:A 文章编号:1674-198X(2012)06(b)-0099-02

伴随着经济的发展,我国的交通事业也在发生着迅猛的变化,路桥作为交通的大动脉,它的建设质量直接影响交通的通行能力。混凝土是路桥施工中的主要材料,而传统的混凝土自身水化热大、需水量大及体积大等特点,具有热胀冷缩的特性,所以容易产生裂缝,裂缝是路桥使用过程中最常见、也是危害最大的损害之一,在科技发达、人们对于路桥的建设要求越来越高的今天,怎么才能有效的解决混凝土的裂缝技术问题成了人们关注的热点问题,接下来本文笔者就对目前应用比较广泛、效果比较良好的钢纤维混凝土作简单的介绍。

1 普通混凝土技术在桥梁施工中存在的问题

1.1 桥梁裂缝问题

桥梁裂缝是目前桥梁建设中面临的主要问题,裂缝产生的原因多种多样,大致可以分为以下几种情况:

(1)由于荷载引起的裂缝。在行车荷载或者其他外力荷载的作用下,混凝土承受的应力超过了其强度等级就会出现裂缝,所以混凝土的强度对于桥梁的质量是非常重要的。

(2)温度应力引起的裂缝。混凝土具有热胀冷缩性质,其温度线膨胀系数一般为(1.0～1.5)×10-5/℃。混凝土内外温差过大,当温度应力超过混凝土的极限拉应力时,就会产生裂纹。

(3)塑性收缩。新浇混凝土表面暴露于空气中,由于风干和蒸发作用使水分脱离混凝土表面进入空气中,水分从构件内部迁移到表面的速率小于表面水分损失,表面就会干燥,而此时新浇混凝土的抗拉能力几乎为零,容易出现塑性收缩裂缝。

(4)原材料及配合比。砂、碎石含泥量超标、级配不良,外加剂、掺合料选用不合理,配合比设计不当,例如水胶比、水泥用量过大、砂率不当等,都会导致混凝土收缩增大,从而增加裂缝发生的机率。

1.2 蜂窝麻面问题

混凝土出现蜂窝麻面的主要原因是配合比选择不当,或者混凝土的和易性比较差导致的,在搅拌过程中,大量的气泡无法及时排出,就会导致混凝土结构的表面出现蜂窝麻面。

综上所述,可以认为,混凝土裂缝是绝对的,无裂缝是相对的。选择一种高性能的混凝土是非常有必要的,目前,钢纤维混凝土就是比较好的一种选择。

2 钢纤维混凝土在道路和桥梁的应用范围

钢纤维混凝土在道路和桥梁方面,主要广泛应用于路面、桥梁、机场跑道等工程中,包括新建及修补工程。钢纤维混凝土较普通混凝土有较好的韧性,抗冲击性、抗疲劳性。它可使面层厚度减少,伸缩缝间距加长,使用性能提高,维修费用减低,寿命延长。

2.1 桥面铺装

采用钢纤维混凝土铺装桥面不仅可以桥梁提升抗折强度、耐久性、舒适性以及桥面的抗裂性,还可以使桥面厚度变薄,减轻桥梁的自重,从根本上改善了桥梁的受力。此外,在施工设计的时候,还可以使用钢纤维混凝土与橡胶沥青混凝土作桥梁的双层桥面,以达到更佳的效果。

2.2 桥梁上部承受荷载部位

在路桥的主梁或应力比较集中的地方使用钢纤维混凝土进行铺设,可以更好的改善结构的受力性能,防止桥梁发生结构变形,降低桥梁上部材料的使用量,减轻桥梁自重,相应的也可以减少桥梁下部墩台的数量,节约成本,提高经济效益,同时还有助于桥梁向大跨度结构的方向发展。

2.3 加固桥梁墩台等局部结构

在行车荷载的长期作用下,桥梁的墩台和桥面面板会产生裂缝以及表层剥落等问题,为了满足整体性及抗震性的要求,可以把5～20cm的钢纤维混凝土通过喷射机喷射到桥梁的裂缝或者表层剥落的地方。

2.4 加强钢筋混凝土桩

如果使用钢纤维混凝土加固桥梁局部桩尖或者桩顶,可以降低锤击次数,增强穿透力,提高打击速度。因为桩顶在打入之前容易出现裂缝,为了增强桩的穿透能力,使其入土速度快,节省施工时间,在桩顶与桩尖部位通常使用钢纤维混凝土材料。

3 钢纤维混凝土的基本特点及性能

3.1 钢纤维混凝土简介

所谓钢纤维混凝土把就是把少量乱向分布的钢纤维加入到普通的混凝土当中混合形成的一种新的复合材料。加入的钢纤维呈乱向分布,可以有效抑制混凝土内部出现裂缝,或者抑制裂缝的扩展,在一定程度上提升了混凝土的各项性能,具有比较好的延展性。

3.2 钢纤维混凝土的性能

钢纤维的主要性能包括抗拉强度与黏结强度。试验表明,由于普通钢纤维混凝土主要是因钢纤维拔出而破坏,并不是因钢纤维拉断而破坏,因此钢纤维的抗拉强度一般能满足使用要求,而其与混凝土基体界面的黏结强度是钢纤维混凝土性能的主要因素。黏结强度除与基体的性能有关外,就钢纤维本身而言,与钢纤维的外形和截面形状有关。

通过对钢纤维的作用机理和钢纤维混凝土基本性能的大量研究和试验,归纳出以下主要性能:

(1)强度和重量的比值增大。这是钢纤维混凝土具有優越经济性的重要指标，也是它具有广阔应用前景的重要保证。抗拉强度和以主拉应力控制的抗剪、抗弯、抗扭强度明显提高。当纤维掺量在1%～2%范围内，抗拉强度提高25%～50%，抗弯强度提高30%～80%，用直接双面试验所测定的抗弯强度提高50%～100%。抗压强度提高幅度较小，一般在0～25%。

(2)变形性能明显改善。钢纤维对混凝土抗压弹性模量影响不显著,受拉弹性模量随纤维掺量的增加约提高0～20%。钢纤维混凝土的韧性比素混凝土大大提高。在纤维掺量为0.8%～2.0%时,抗压韧性可提高2～7倍,弯曲冲击韧性可提高2～4倍,板式试验落锤法击碎试验所测得的冲击韧性可提高50到100倍甚至更高的抗冲击性能。

(3)有效阻止或抑制温度应力开裂,抗疲劳性能有较大改善。由于钢纤维对混凝土的阻裂作用,使得钢纤维混凝土比素混凝土具有更好的软化性能和抗疲劳性能。例如掺有2%的钢纤维混凝土抗压疲劳寿命达到2×10次时,应力水平可达到0.92,而普通混凝土的应力水平为0.56。

(4)有效降低混凝土的收缩和徐变。钢纤维混凝土的收缩值随掺量的增加而有所降低。例如,掺量为1.5%(长径比为50)的钢纤维混凝土较普通混凝土的收缩值降低7%～9%。持续荷载下钢纤维混凝土的受压徐变比相同条件的普通混凝土降低10%～30%。

(5)有较好的抗磨损能力。通过对C-50、C-75纤维混凝土和普通无纤维混凝土的抗磨损试验表明,纤维混凝土增强抗磨损能力105%。使用C-50纤维增加的粗糙度,使得混凝土在同样外露表面磨损试验条件下,抗磨损能力增加1倍。C-75有纤维的混凝土试样对比无纤维的混凝土试样,其抗磨损能力增加52%,而其试件磨损损失量少34.4%。C-50纤维混凝土试样,水泥用量虽少,但所显示比C-75对比试样的抗磨损能力增加20%,而其材料磨损损失量减少17.2%。

(6)显著提高了物理耐久性和化学耐久性。试验表明,掺有1.5%的钢纤维混凝土经150次冻融循环,其抗压和抗弯强度下降20%,而其他条件相同的普通混凝土却下降60%以上,经过200次冻融循环,钢纤维混凝土试件仍保持完好。掺量为1%、强度等级为CF35的钢纤维混凝土的耐磨损失比普通混凝土降低30%。掺有2%的钢纤维高强混凝土抗侵蚀能力较其他条件相同的高强混凝土提高1.4倍。

钢纤维混凝土在空气、污水和海水中都呈现良好的耐腐蚀性,暴露在污水和海水中5年后的试件碳化深度小于5mm,只有表层的钢纤维产生锈斑,内部钢纤维未锈蚀,不像普通钢筋混凝土中钢筋锈蚀后,锈蚀层体积膨胀而将混凝土胀裂。

3.3 钢纤维混凝土基本理论

(1)混合定律。所谓混合定律就是把钢纤维混凝土看做是为钢纤维和混凝土基体共同组成的复合材料,构成的复合材料在各方面的性能相当于是基体性能及纤维性能的和,所以钢纤维混凝土的性能比普通混凝土的性能要高很多。

(2)纤维间距理论。在纤维间距理论中认为,钢纤维混凝土在各项性能上的加强效果和混凝土基体当中掺入的纤维之间的平均距离有关,这个理论研究得出了纤维间距影响混凝土裂缝尖端应力集中的关系。

4 钢纤维混凝土施工技术

4.1 配合比

钢纤维混凝土中,钢纤维掺量和长径比、水泥强度等级对其抗弯强度和抗拉强度影响最大,砂率和用水量对和易性影响较大,因此应首先采用以抗拉强度、水灰比和水泥标号的关系来确定水灰比,然后用抗折强度或抗拉强度要求,在初步确定水灰比和体积率后,再根据和易性要求来确定砂率和用水量,根据试验结果对水灰比和体积率做适当的调整,最终确定施工配合比。

4.2 拌和

对钢纤维混凝土易采用机械拌合。当钢纤维体积率高,拌合稠度较大时,搅拌机一次拌合量不易大于其额定拌合量的80%。

各种材料的重量计量准确,称量偏差在允许范围内。

搅拌的投料次序和方法以搅拌过程中钢纤维不结团,不产生弯曲或折断,不因拌合机超负荷而停止运转,出料口不堵塞为原则。

钢纤维混凝土的搅拌时间应通过现场搅拌试验确定,采用先干拌后湿拌的的拌合试验时,干拌时间不易小于1.5分钟。

4.3 运输

由于混凝土的自收缩性,为防止混凝土收缩产出钢纤维提前受拉,因此应尽可能减少运输时间。

4.4 浇捣

钢纤维混凝土的浇捣过程和普通混凝土没有区别,浇捣操作在混凝土施工中是一个非常重要的环节,对混凝土的致密性和整体性有直接影响。在浇捣的工序中,也别需要注意的是,钢纤维混凝土比普通混凝土的流动性差,所以边角位置容易出现蜂窝,为了防止蜂窝的出现,可以使用捣棒捣实。

4.5 养生

施工后应及时洒水覆盖,确保表层钢纤维混凝土强度性能。

5 结语

钢纤维混凝土是一种新型的混凝土材料,其应用在生产和施工中还需要进一步的规范和完善,钢纤维的长度、长径比、表面形状以及掺入的数量都会随着施工情况的不同而有所改变,这给施工部门带来很多困难,所以我们需要进一步研究,对其使用条件加以分类总结。钢纤维混凝土的造价也比较高,在施工中的应用还具有一定的局限,这些都是需要思考的问题。希望在不久的将来,就会有一套完整的针对钢纤维混凝土的使用规范。对钢纤维混凝土的使用做具体的规定,让其得到最佳利用。

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