浅谈钢纤维混凝土在遂广高速公路桥面铺装的应用

史玉波

（四川交投建设工程股份有限公司）

浅谈钢纤维混凝土在遂广高速公路桥面铺装的应用

史玉波

（四川交投建设工程股份有限公司）

高等级的公路桥面铺装工作不仅工作环境复杂，而且对于混凝土的抗拉性能和韧性亦有着更高的要求。本文基于此，以遂广高速公路桥面的铺装为例，首先对钢纤维混凝土的基本理论进行了简要分析，然后系统论述了遂广高速公路钢纤维混凝土桥面铺装的材料设计工作，最后对钢纤维混凝土在遂广高速公路桥面铺装的施工工艺的应用进行详尽分析，望对相关的施工工作带来一定的帮助。

钢纤维混凝土；高速公路桥面；材料设计；施工工艺

1　引言

钢纤维混凝土是近年来取得重大研究进展的新型复合材料，相较于传统的混凝土材料而言，钢纤维混凝土通过渗入了适量钢纤维提升了包括抗压强度在内的多项物理力学性能，并利用均匀分散的短钢纤维使得属于脆性材料的混凝土具有了一定的塑形。在受力过程中，钢纤维和混凝土能够发挥各自的优势，使得钢纤维混凝土能够具有抗弯、抗裂、抗疲劳等多项力学性能。由于近几年来，我国早期建设的钢筋混凝土桥面出现了较为严重的破损，而从桥梁结构的角度出发，大幅度提高桥面铺装层的厚度从而提升桥面承载能力的做法显然是不可取的，故在这样的背景下，具有一系列优势的钢纤维混凝土开始在高等级的公路桥面工程中得到了广泛的应用。

2　钢纤维混凝土的基本理论分析

2.1混凝土的破坏机理

当混凝土所受荷载达到某一水平时，混凝土内部会产生一定的破坏，表面上出现肉眼可见的许多小裂缝，随着荷载的进一步加大，这些裂缝会进一步蔓延并产生贯通。因此，整个混凝土的破坏过程与内部微裂缝的扩展过程息息相关。实践表明，影响混凝土内部微裂缝的扩展过程的材料性能包括浆体和骨料的综合强度、粘结能力以及可变形性等等。例如当骨料的相对强度高于浆体时，砂浆中会因为骨料的阻裂作用而产生较多且表面曲折的分支裂缝。因此，无论是混凝土或砂浆，还是浆体强度较大的水泥浆体，整个真实断裂面都大大超过肉眼观测到的断裂表面。

2.2钢纤维混凝土的增强机理

了解了混凝土的破坏机理后，如何提升混凝土的强度韧性也就成为了相关工程人员关心的话题。因此，钢纤维混凝土的增强机理是进行钢纤维混凝土性能设计的重要依据。现阶段所运用的钢纤维混凝土是在纤维增强塑料、纤维增强金属的基本理论上发展而成中，其主要机理是纤维间矩理论，又称纤维阻裂理论。该理论指出，如果想要从根本上增加混凝土这种本身具有一定的内部缺陷的脆性材料的抗拉强度，就要对其在荷载作用下影响裂缝尖端的应力强度因子进行控制。钢纤维的加入实际上就能够对这种应力强度因子进行控制，从而减缓裂缝尖端应力的集中性，亦可以理解为在复合材料结构形成和受力破坏的过程中，通过阻止裂缝发展，增大抗裂强度的途径实现了复合材料受力前后阻止裂缝引发与扩展的能力，达到了增强混凝土抗拉能力和韧性的最终效果。

3　遂广高速公路钢纤维混凝土桥面铺装的材料设计

3.1钢纤维的选择

如表1所示，钢纤维混凝土的性能取决于原材料的质量和不同拌和料的配合比设计。在钢纤维的选择中，需要注意以下几个方面：

①厂家生产的钢纤维分为380MPa、600MPa、1000MPa三个等级，对于常用的钢纤维体积百分率在0.6～1.0%之间的钢纤维混凝土，断裂混凝土截面上转换到钢纤维承担的应力值除了与整个钢纤维的抗拉强度相关以外，还受到了钢纤维掺量控制，为了保障钢纤维混凝土的使用寿命，实际应用过程中应采用600MPa或1000MPa的钢纤维。②所选用钢纤维表面的需尽可能避免存在锈蚀、油污等杂质，即使是因加工不良存在粘连片、铁屑等杂质，也不得超过整个钢纤维总重量的1%，避免其对整个混凝土的强度产生影响。③钢纤维长度必须大于粗集料的最大粒径，长度和直径偏差不得超过长度直径公称值的±10%，且最好能与混凝土的最大粒径相匹配，避免在施工过程中面临搅拌不均匀或是搅拌困难等难题。④保障钢纤维的性能，例如形状合格率不应低于90%，施工过程中能够承受一定的弯折等等。

表1　钢纤维混凝土的强度分析

3.2聚丙烯腈纤维的使用

相较于聚丙烯纤维相比，聚丙烯腈纤维具有亲水性强、强度更高、耐老化性能卓越等更多优点，且明显有利于混凝土抗压强度、抗折强度等一系列性能的提升（见表2）。故遂广高速公路的桥面铺装上将原设计10cm厚的钢筋网片C40混凝土改为了10cm厚C40钢纤维混凝土，每方混凝土加0.8kg聚丙烯腈纤维，40kg钢纤维。在具体应用时，聚丙烯腈纤维的直径与长度分别控制在12～15μm、6～12mm之间，并且施工人员需要保证整个聚丙烯腈纤维不得含有杂物等影响性能的杂质，避免在混凝土中产生结团等一系列情况。

表2　聚丙烯腈纤维对混凝土性能影响

3.3混凝土配合比设计

钢纤维混凝土的拌合料由水泥、水、粗细骨料、钢纤维等不同成分按照一定的比例配合而成，不同组成材料的配比对于钢纤维混凝土的物理力学性能有着重要影响。

3.3.1含砂率

含砂率的选择一般与粗集料粒径和混凝土体积相关，随混凝土体积的增大而增大，随粗集料粒径增大而减小。实际工程的取值一般位于35～45%之间。

3.3.2水泥用量

水泥用量是保证混凝土强度以及弹性模量的重要因素，过少的水泥用量容易使得钢纤维混凝土的强度不符合相应标准，但过多的水泥用量又会造成混凝土因水化热过高产生温度裂缝等问题。表3～4给出了遂广高速公路桥面中可参考使用的两种水泥用量，实际施工过程中，可采用高效减水剂、掺加矿物掺合料、合理设计级配等措施，辅以适当的实验室试配工作来控制水泥用量。

表3　水泥用量的合理控制<一>

表4　水泥用量的合理控制<二>

4　遂广高速公路钢纤维混凝土桥面铺装的施工工艺

4.1施工准备工作

施工准备工作包括主梁标高的验收与核查、桥体表面的冲洗与清凿、梁体表面钢筋的弯曲等等。为了保障铺装层面标高准确，可考虑根据相关技术要求确定好相关的标高控制系统，确定整个网片顶面标高，以保障桥面铺装过程中的精度要求。

图1　遂广高速公路桥面的冲洗湿润工作

4.2混凝土的拌合

考虑到钢纤维采用箱装或袋装的方式，在进行拌和前，应用钢纤维分散装置或是人工分散方法对体积较密实的钢纤维进行分散，避免拌合时钢纤维产生结团现象从而影响施工质量。拌合过程中，钢纤维经架设在搅拌机上面或是单侧平台上的钢纤维分散机进行分散，然后与粗细骨料，水泥一起按照砂→钢纤维→石子→水泥的顺序投于强制式混凝土搅拌机内，经搅拌机筒干拌两分钟后加水进行湿拌，2～3min后即可出料并运输至施工现场。

4.3混凝土的浇筑

拌和料经运输过程到达施工地点后，相关的施工人员即可由低至高开始进行浇筑工作。需要注意的是，由于钢纤维混凝土采用泵送施工，整个拌和料流动度较大，混凝土从运输车里放出后直接摊铺后，需要先以平板式振动器振平捣实，再利用钢滚筒进行来回滚压，从而有效避免钢纤维混凝土因结构上下层的钢纤维分布不均匀造成钢纤维下沉，进而影响施工质量。整个振捣持续时间以混凝土停止下沉、不再冒气泡并泛出泥浆为准，同时防止过振现象的产生。

4.4振捣及后期养护

混凝土的振捣工作需要采用振平梁提浆振平法，不允许在整平机整平后进行人工抹平或是水泥浆体填补。浇筑整平后及时用厚型塑料薄膜覆盖养生，15d内持续进行洒水养护，使得混凝土呈潮湿状态，有效延长混凝土的使用寿命。

5　结束语

钢纤维混凝土桥面铺装与普通混凝土桥面铺装相比较，其抗断裂性、抗拉能力以及抗韧性均有着明显的提高，而从实际的施工情况来看，即使部分高速公路的桥面出现个别裂缝，也不会如传统的混凝土一般迅速扩张而断开，同时缩缝位置也会因钢纤维整体连接作用不易产生完全断开。基于此，采用钢纤维混凝土进行高速公路的路面铺装确实收到了优秀的使用效果，同时它相较于传统的混凝土桥面而言，维护周期和使用寿命较长，养护工作量大为减少，方便行车。故我国可考虑进一步广泛推进钢纤维混凝土在高等级公路桥面上的广泛应用。

[1]王斯新.钢纤维混凝土在高速公路桥面铺装层中的应用[J].江苏建筑科技学院院报，2012，6（31）：53～54.

[2]宋绪梅.平阴黄河公路大桥钢纤维混凝土桥面铺装技术研究[J].建筑科学方法探究，2011，5（7）：12～14.

[3]陈淑卿.PVA纤维混凝土在高等级公路桥面铺装设计中的应用[J].科教文汇，2012，8（11）：22～26.

U444

A

1673-0038（2015）09-0173-02

2015-2-10

史玉波（1986-），男，本科，从事道路与桥梁施工管理工作。