桥梁工程中钢纤维混凝土施工技术的应用

肖耀辉

（山西路桥集团运宝黄河大桥建设管理有限公司，山西 太原 044600）

一、钢纤维混凝土性能概述

钢纤维混凝土通常均匀掺有长度20mm和40mm、直径0.3mm～0.6mm的短钢纤维，掺加量一般控制在混凝土总体积的1%～2%，可掺钢纤维主要包括切断钢纤维、切削钢纤维、剪切钢纤维及熔抽钢纤维等类型。根据大量工程试验，纤维增强效果主要受到基体强度、纤维体积率、钢纤维长度直径比、钢纤维与基体黏结强度等要素影响。当钢纤维混凝土结构被破坏，钢纤维一般会被拉出而非折断。因此，改善钢纤维与混凝土基体黏结强度是增强钢纤维性能质量的主要途径。用钢纤维混凝土代替普通钢筋，并通过缩小构件截面面积、控制结构厚度、调整接缝间距等手段提升工程质量，可以缩短工期，降低成本。

作为优质的水泥复合材料，钢纤维混凝土在影响混凝土韧性和抗裂性，提升混凝土耐久性、耐磨性及受力性能等方面具有积极作用。首先，在混凝土材料中掺加钢纤维可显著提升混凝土的抗裂性和韧性，当结构承受的外部荷载超出混凝土材料的设计荷载承载范围时，混凝土和钢纤维之间的黏结性能会将力传递至钢纤维材料，使钢纤维在混凝土结构内部产生约束力，防止结构内部产生新裂缝，并避免既有裂缝进一步发展。其次，掺加钢纤维可显著提升混凝土的压缩变形能力、抗弯性、抗剪性、抗劈裂性及柔韧性等性能。此外，掺加钢纤维可显著提升混凝土的耐久性和抗摩性，延长混凝土结构的使用寿命。

二、工程概况

某桥梁改造工程主要包括旧桥上下部及附属结构的拆除和新建。该桥梁全长184.16m，桥面宽55.0m，按双向八车道高速公路标准设计，新建桥梁上部为钢筋混凝土空心板梁，桥台为钢筋混凝土墙式桥台和多柱式墩，基础为钢筋混凝土钻孔灌注桩。在该桥梁新建过程中，桥面铺装和桥梁墩台结构加固需运用钢纤维混凝土材料。

钢纤维混凝土材料的应用，既能提升桥面耐久性、抗裂性和运行的舒适性，又能显著提升桥梁的抗折强度、刚度，控制铺装层厚度，降低结构自重，优化桥梁受力状况，也是桥梁结构向大跨度、轻型化等方向发展的必经之路。同时，可以改善桥梁结构性能、优化外观造型、减小上部结构用料和下部墩台数量，并有效降低工程造价。

该桥梁工程采用转子Ⅱ型喷射机完成钢纤维混凝土喷射施工，以应对桥梁墩台及桥面表层剥落、裂缝等病害，满足桥梁结构抗震性和整体性的要求。具体而言，应先将病害位置旧混凝土表面凿毛处理，按设计要求量喷涂钢纤维混凝土，保证加固结构具有牢固性、密实性和早期抗裂性。

三、钢纤维混凝土配合比设计

该桥梁工程钢纤维混凝土以掺合料、外加剂、钢纤维、砂卵砾石、水泥等为主要配料，并使用P.O42.5的普通硅酸盐水泥，粒径6mm～26mm且含泥量在1%以内的卵砾石，含泥量在3%以内的中砂，抗压强度800N/m2～1000N/m2的泵送剂，直径0.9mm且长度60mm的钢纤维，Ⅰ级粉煤灰掺合料。为保证钢纤维混凝土性能质量，其类型必须与基材强度相适应，抗拉强度不能小于500MPa，最佳掺量应控制在0.5%～1.2%，且钢纤维长度不能过长，直径应控制在0.5mm～0.7mm，长径比控制在50～80。此外，还应保证钢纤维无杂质、无锈蚀、无油污，并适量掺加减水剂和外加剂。拌制钢纤维混凝土时，砂率不应小于同标号混凝土，主骨料直径控制在10mm～20mm，以确保钢纤维和基体材料牢固结合。

根据相关规范和工程实践经验，材料配比与工程设计强度、施工配置强度系数等要素存在较大关系。通过综合分析以上参数，确定该桥梁施工材料的抗折强度和抗压强度，并根据所得钢纤维混凝土抗折强度计算其水灰比及材料试配比率。该桥梁工程钢纤维混凝土配合比如表1所示。

表1 钢纤维混凝土配合比

四、桥梁钢纤维混凝土施工技术要点

钢纤维混凝土施工包括浇筑、喷射、灌浆等方法，为保证施工质量，除满足普通混凝土施工要求外，还应加强钢纤维施工过程控制，保证钢纤维均匀分布于基体中。该桥梁工程中的钢纤维混凝土施工技术要点包括以下几方面。

（一）施工机械的选用

钢纤维打散采用的分散装置如图1所示，由一级和二级打散系统等部分构成，可保证钢纤维材料充分分散，避免结团，克服人工打散方式工效低、效果差等问题，确保将钢纤维材料均匀分布在混凝土混合料中，保证混合料性能质量。

图1 钢纤维打散装置

钢纤维混凝土搅拌机使用强制式搅拌机，对于钢纤维掺量较大及塌落度较小的情况，为避免搅拌机超负荷运转，应适当降低搅拌机利用率。

（二）投料次序及投料时间

根据钢纤维混凝土制备要求，其原材料主要包括水泥、粉煤灰、矿粉等胶凝材料，以及水、砂石、外加剂和钢纤维等其他材料，根据混合料配合比不同所需的拌制工艺也不相同。对应的投料次序主要包括三种：按照顺序将胶凝材料、水、砂石、外加剂和钢纤维材投入钢纤维分散装置搅拌，拌和时间3min，搅拌后发现钢纤维存在明显的扎堆现象，且钢纤维和其余原材料未均匀分散；投砂石和钢纤维，再投水、外加剂和胶凝材料，并分别搅拌1min～2min后发现，钢纤维和胶凝材料、骨料的分散效果虽优于第一种方式，但仍存在少部分钢纤维团聚现象；投加砂石和钢纤维，再投加胶凝材料，最后投加水和外加剂，并分3次搅拌，结果显示钢纤维及其与组分分散结果较好。因此，该桥梁工程原材料投料次序选择第三种。

在确定该桥梁钢纤维混凝土投料次序后，还应进一步分析投料时间。因全部原材料分3次投放，为节省拌和时间，保证原材料尤其是钢纤维在混凝土中均匀分散，必须合理控制拌和时间，即先投加砂石和钢纤维拌和1.5min，再投加胶凝材料拌和1.0min，最后投加水和外加剂拌和3.0min，生成的钢纤维混凝土分散性较好。

（三）浇筑和振捣

浇筑钢纤维混凝土时应注重连续性，并避免形成明显的浇筑接头，每次倒料时应与前次料重叠15cm～20cm，确保钢纤维混凝土整体结构的连续性。采用插入式振动棒振捣钢纤维混凝土会导致混合料中的钢纤维向振动棒方向集聚，为避免集聚现象发生，维护钢纤维均匀分布状态，该工程主要使用平板振动器振捣，抹平处理振捣完成后的混凝土表面，并将外露的钢纤维压入混凝土结构内部。

（四）成型及接缝施工

钢纤维混凝土粗骨料较细、砂率大，且纤维分布较乱，因此钢纤维混凝土路面必须通过真空吸水工艺成型施工，并以机械抹平方式辅助，避免钢纤维接头外露。该工程桥面铺装及桥梁墩台结构加固施工过程中主要采用压纹机压纹，防止拉毛及钢纤维外露。

钢纤维混凝土具备较好的抗裂性和抗收缩性，故应封闭交通施工，通过混凝土摊铺机全幅施工，不设纵缝。钢纤维混凝土浇筑后需养生至设计强度的50%后切锯缩缝。

五、结语

钢纤维混凝土复合材料当前已在路桥工程中广泛应用，钢纤维混凝土材料自身所具有的抗拉强度、抗冲击性能和抗裂性能较为优越，并能根据工程需要调整优化钢纤维掺量和混合料性能，应用后能显著提升桥梁结构使用性能。随着钢纤维生产技术的不断进步，相关理论研究的不断推进，钢纤维混凝土在路桥及建筑工程中的应用将进一步拓宽，充分发挥其经济效益和社会效益。