桥梁施工中钢纤维混凝土技术的应用分析

黄永智

【摘 要】文章介绍了钢纤维混凝土的概念和工程特性，总结了该种材料在工程施工中的技术要点，如分散装置设置、投料和搅拌、振捣和浇筑、接缝处理、掺量检验和养护等;归纳了钢纤维混凝土在桥梁施工中的应用情况，如桥面铺装和桥体加固等;以桂林某桥梁工程为案例，分析了钢纤维混凝土的工程特性与应用价值，并给出了提高钢纤维强度的具体措施。

【关键词】钢纤维;混凝土;技术

【中图分类号】U445.57 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2022）04-0179-03

0 引言

“十四五”期间，为助力我国经济建设和现代化各领域的发展，交通设施的建设将进一步提速，而作为交通基础设施的桥梁工程，无论是在数量和质量方面都有了更高的要求。近些年，随着桥梁工程施工领域各项技术的不断发展，施工的自动化和机械化程度也在提高，使得桥梁施工企业不断朝着短工期、高质量、低成本的发展方向纵深迈进。混凝土是桥梁工程施工中常用的材料，其性能对桥梁工程的质量和安全具有重要影响，鉴于此，桥梁工程技术人员对混凝土特性展开了深入的研究。钢纤维混凝土技术是伴随着新的施工理念、施工设备和施工标准发展起来的，在回弹率、结构强度、结构韧性（抗拉、抗弯、抗剪性能）等方面具有很多优点，其抗疲劳和抗腐蚀性能较好。钢纤维混凝土材料的成本较低，属于环保型施工材料。钢纤维混凝土施工技术常用于桥面的铺装和桥体结构的加固中，工程效果十分显著[1]。

1 钢纤维混凝土的概念和工程特性

1.1 概念

钢纤维混凝土是一种多相复合材料，即在普通的混凝土中掺入一定量的短钢纤维而成，这些数量的短钢纤维呈无序、杂乱分布，可在一定程度上防止混凝土内部和外部裂缝发生，有效地提高了混凝土的抗拉、抗弯和抗疲劳等性能，具有很强的延展性和抗冲击性。

1.2 工程特性

钢纤维混凝土的纤维体积率一般为1%～2%，相比普通混凝土，其抗拉強度提高50%以上，抗弯强度提升70%，抗剪强度提高60%左右，但抗压强度提高幅度较小，一般在25%以内，抗压韧性显著提高。

在现代的施工工艺中，多使用湿喷钢纤维混凝土，其钢纤维长度一般为20～40 mm，厚度为0.5 mm左右。钢纤维混凝土的工程特性如下：钢纤维不发生回弹，或回弹率较低（5%～10%）;混凝土质量比较均匀，强度一般达55 MPa，在特殊情况下可达100 MPa或更高;粉尘少、污染小、作业安全;水灰比小、透水性低;不需要特殊防腐处理，自身具备一定的防腐蚀和防电解能力。

2 钢纤维混凝土施工注意要点

2.1 钢纤维分散装置设置

钢纤维混凝土在桥梁工程施工中使用时，应先设置钢纤维分散装置，这是主要技术措施之一，是保障钢纤维混凝土工程性能在施工中有效发挥的关键，更是保障桥梁工程施工质量的重要环节。使用钢纤维混凝土分散装置，可以使钢纤维的长度、尺寸等符合工程质量要求。分散装置一般设置在搅拌机的上方，能够实现全自动的无人值守钢纤维分散模式，节省了大量的人力成本。

2.2 钢纤维混凝土投料与搅拌

钢纤维混凝土的投料与搅拌过程十分重要，为达到桥梁工程施工工艺标准要求，应严格规范投料与搅拌的具体流程。钢纤维混凝土投料时的顺序为先干后湿，即先投入干料再投入湿料，并且在这个过程中应注意分级投料，以避免钢纤维发生固结等影响施工的情况，通常情况下的投料次序为砂、碎石、水泥、钢纤维，投料完成后使用搅拌机进行充分搅拌，时间一般为2 min，此时加入水及其他外加剂，湿料的搅拌时间约1 min。应注意的问题是，为使钢纤维制备质量符合施工要求，应选用合适的搅拌机，确保钢纤维制备的效果最佳，应使用双锥反转式出料搅拌机进行搅拌，这种搅拌机能够满足特殊的工程质量需求，不具备此种搅拌机的施工企业，也可以使用强制式搅拌机代替，施工人员应根据施工现场的实际情况调整搅拌机工作时间，例如在钢纤维含量较大且坍落度较小的情况时，应避免搅拌机长时间高负荷工作，以延长搅拌机的使用寿命[2]。

2.3 钢纤维混凝土振捣和浇筑

钢纤维混凝土在振捣和浇筑时应注意以下问题：？譹？訛浇筑接头不宜明显，否则会影响钢纤维混凝土浇筑质量，为获得具有较好整体性和连续性的钢纤维混凝土，应控制好浇筑的速度和厚度。？譺？訛振捣时禁止使用插入式的振捣方法，否则会发生集束效应，应尽可能使钢纤维集中在振动棒位置，以使钢纤维混凝土具有较好的均匀性。？譻？訛为使钢纤维混凝土具有更好的密实度并形成二维平面的分布方式，应使用平板振动器进行辅助振捣。？譼？訛钢纤维混凝土呈不规则分布，可采用真空吸水法去除其中的气泡，保证钢纤维混凝土的质量。

2.4 钢纤维混凝土接缝

钢纤维混凝土具有较好的抗裂性及收缩性，在桥梁局部封闭式施工时，可使用混凝土摊铺机进行整幅式处理，可不必设置纵缝，当强度达到标准（设计强度的50%）后可进行接缝切割。在非封闭式施工情况下，可能受到风、光、雨、热等外界环境的影响，钢纤维混凝土自身的延展性等也会发生细微的变化，因此可设置纵缝减弱钢纤维混凝土的性能变化，当混凝土强度超过设计强度的50%后再进行切缝。

2.5 掺量检验和养护

钢纤维的掺量应该在混凝土浇筑位置进行取样检验，并且每个工作班时间内至少进行2次检验，每次取3份检验样品，每份检验样品为10 L。使用水洗法进行钢纤维掺量的检验时，应将钢纤维全部从混凝土中洗出，晒干后再进行称重，并且单份样品中的钢纤维量误差应控制在配比掺量的20%以内，3份以上样品的钢纤维量误差应控制在配比掺量的5%以内。钢纤维的混凝土表面湿润时间应超过7 d且时间越长越好，其表面的养护材料可选用湿草袋。钢纤维转换梁在进行养护时应遮光、避雨、避风，因此应做好防光、防风和防雨措施，进行封闭式养护。钢纤维转换梁在进行拆模时应注意混凝土的强度是否满足要求，一般在混凝土达到28 d的强度后进行拆模，在冬季施工时还应做好防寒、防冻措施[3]。

3 钢纤维混凝土技术应用领域

随着桥梁工程施工领域各方面技术的不断进步，钢纤维混凝土的应用空间也越来越广阔，良好的工程特性使其可广泛用于桥梁施工的各个环节，如桥面铺装、桥梁墩台局部加固、桥梁上部结构加固、钢筋混凝土桩加固等。

3.1 桥面铺装

钢纤维混凝土具备多种优良的工程特性，使得其在工程应用时可节省更多的材料，如使用钢纤维混凝土进行桥面铺装时，桥面的厚度一般仅为普通混凝土厚度的一半。此外，钢纤维混凝土桥面在抗裂、抗折和耐久等方面的性能也优于普通混凝土桥面，并且对提高桥梁自身刚度、降低桥梁自重、优化桥梁整体受力状态、提高路面行车舒适度等方面都具有特殊的作用。钢纤维混凝土用于桥面铺装时桥面通常做成双层或者3层结构，在双层钢纤维混凝土桥面结构中，上层一般使用钢纤维混凝土，而下层则多为普通混凝土，如橡胶沥青混凝土等。在3层钢纤维混凝土桥面结构中，上层和下层多使用钢纤维混凝土，而中间层则使用普通混凝土。3层钢纤维混凝土桥面结构一般较为复杂，施工难度很大，质量要求较为严格，多用于机械化、自动化施工水平较高的工程项目中。

3.2 桥梁墩台局部加固

桥梁在长期的行车荷载作用下极易发生墩台、桥面板裂缝现象，情况严重时还会引起墩台、桥面板表层的脱落，为减少这种情况发生，应对桥梁墩台等结構进行局部加固工作。可使用喷射机进行钢纤维混凝土的喷射作业，喷射厚度设置为5～20 cm，这种厚度对提高桥梁整体的抗震性具有一定的作用。钢纤维混凝土应使用掺量为1%的剪切钢纤维，为增强结构早期抗裂性能，可使用硫铝酸盐速硬水泥和TS型速凝剂，在原有混凝土表面可局部凿毛或喷涂钢纤维混凝土，增强新旧混凝土之间的联系性和整体性[4]。

3.3 桥梁上部结构加固

钢纤维混凝土用于桥梁上部结构加固主要有两种方法：一种是桥梁上部结构的主梁使用钢纤维混凝土，另一种是在桥体应力较为集中的位置作局部加固，进而改善桥体结构的受力情况，控制桥梁结构形变并降低桥体结构自重，达到桥梁工程整体施工标准和使用要求。钢纤维混凝土提高了桥梁结构整体性能的同时也增强了桥梁外观的美感，从降低施工成本的角度出发，也可大大减少桥体上部结构材料的使用量，桥体上部结构材料用量的减少使得下部墩台的数量也随之减少，因此使用钢纤维混凝土进行桥梁上部结构加固，在满足特定情况下施工需求的同时，对降低工程成本、提高经济效益也具有一定作用。

3.4 钢筋混凝土桩加固

桩体在受到强大冲击力情况下，各部分结构会发生不同程度的变化，其中桩顶部受到的冲击力和破坏力最强，为有效避免桩顶部在锤入一定深度后发生破裂或折断的情况，可使用钢纤维混凝土对桩顶部进行加固，以增强桩顶部的抗击穿能力，这对提高桩整体的结构强度也有一定的好处。

4 工程案例分析

4.1 工程概况

以广西桂林市某大桥施工为例，该桥头为软土地基，粉喷桩处理，桥台结合处路基和桥台的刚度存在较大差异，通过测量发现，路基下沉量超出桥台下沉量，为此计划在桥台和路基结合处架设搭板枕梁，桥面和搭板枕梁使用钢纤维混凝土进行施工，防止发生桥头跳车现象。钢纤维混凝土的设强度等级为C40，抗折强度为7.2 MPa，稠度约40 mm，严格控制水泥用量（450 kg/m3以内）。

4.2 钢纤维混凝土施工过程

4.2.1 施工材料的选用

首先，筛选钢纤维材料。钢纤维材料的力学特性应不低于常规类工程材料中一级碳素钢特性的要求，钢纤维长度、直径等参数指标也应符合工程施工标准要求，钢纤维太长或太短都会影响混凝土结构特性，例如直径太粗会增加钢纤维体积而影响美观，钢纤维直径太细又容易折断，因此应控制好钢纤维长径比。在详细分析了以往施工经验和相关工程资料后，拟选用扬州某化纤厂生产的钢纤维（剪切型）作为施工材料，其长度为3 cm，抗拉强度可达400 MPa，等效直径为0.5 mm。其次，选取水泥材料。本项目中拟使用普通的硅酸盐水泥，外加粉煤灰作为水泥的矿物活性剂，细骨料砂的标准为不含氯盐等相关成分，细度模数范围为2.4～3.0，选用福建某厂商生产的河砂，这种河砂不含氯盐和贝壳等不利成分，细度模数为3.0，各用料施工配比如下：水泥∶砂∶碎石∶粉煤灰∶钢纤维∶水=1∶1.52∶2.65∶0.02∶0.23∶0.45，水泥用量为450 kg/m3，砂率为35.5，坍落度为40 mm，28 d抗压强度为46.5 MPa，抗折强度为8.5 MPa。

4.2.2 具体施工过程

钢纤维混凝土的具体施工过程包括投料、搅拌、运输、振捣和浇筑、找平修整、养护及质量控制。各施工用料通过自动的称重计量装置进行投料，使用强制式搅拌机进行二次投料搅拌，记录搅拌时间后发现，钢纤维混凝土的搅拌时间比普通混凝土长3 min左右，钢纤维使用机械装置进行分散加入，使用自卸车进行运输以确保钢纤维混凝土在运输过程中不会发生离析，振捣过程应保持均匀。在桥面和搭板枕梁施工过程中，应保证钢纤维混凝土一次性浇筑完成。由于钢纤维混凝土的流动性较差，很容易发生堆积成团的现象，因此需使用多点浇筑、连续浇筑的方式。完成浇筑后开始进行找平。在进行混凝土表面收光时，禁止抛撒水泥，可使用少量水泥砂灰代替，其中水泥∶砂为1∶15，最后进入钢纤维混凝土的养护与质量控制环节，这个过程与普通混凝土方法一致。

4.3 钢纤维混凝土应用效果

本工程案例在桥面和搭板枕梁的施工中使用了钢纤维混凝土材料，旨在平衡桥台结合处构件的刚度差异并提高桥梁整体结构强度。在完成钢纤维混凝土养护和质量控制后，测量人员对桥台结合处、桥面等部分进行实地检测，检测结果表明，应用钢纤维混凝土材料后，桥台结合处构件刚度差异性减弱效果明显，桥面平整且富有韧性，能够有效抵抗标准荷载车辆通行所引起的正常冲击，桥梁整体结构稳定性和强度等指标均符合工程施工标准和行车安全要求。同时，施工质量监测人员计划在半年后再次对该桥梁各部分进行检测，检测重点放在桥梁使用的耐久性和抗腐蚀性等方面，以进一步论证钢纤维混凝土材料的实际应用效果。

5 钢纤维强度的影响因素与改善措施

当前，国内外工程建设领域已广泛而深入地展开了有关钢纤维的理论研究，如纤维间距理论、微观断裂理论和复合材料理论等。结合大量的工程试验与实际应用，有数据表明钢纤维的强度主要与以下因素有关：基体强度（fm），钢纤维黏结长度（长径比：I/d，I代表钢纤维长度，d代表钢纤维直径），钢纤维体积率（钢纤维所占混凝土总体积的百分数），钢纤维和基体之间黏结强度（T）和基体中钢纤维具体分布、取向（η），钢纤维形状，钢纤维和基体之间摩擦阻力、咬合力。相关工程经验表明，当钢纤维混凝土受到破坏时，多数情况是钢纤维被拔出而非拉断，因此改善钢纤维和基体之间黏结强度（T）是改善钢纤维强度的核心措施。上述改善钢纤维强度的理论依据可参考钢纤维混凝土相关的抗拉强度设计公式，这里不再赘述。

6 结语

混凝土强度是评估一个国家工程建设水平的重要指标之一，虽然我国当前混凝土施工技术已实现了质的飞跃，无论是混凝土产量还是质量方面都取得了较大的进步，但是与国外发达国家相比仍存在一定的差距，在混凝土的强度、韧性及抗腐蚀性等方面，我国已进行了大量的实践工作，并取得了丰富的研究成果，由我国自主研制并生产的钢纤维制备一体化设备已出口东南亚等国家，相信在不久的未来，我国在钢纤维混凝土施工技术领域的研究一定能实现更大范围的突破，届时钢纤维混凝土技术也会有更广阔的的应用空间。

参 考 文 献

[1]孙虎.公路桥梁施工中钢纤维混凝土技术的应用[J].四川建材，2021（12）：85-86.

[2]朱仕林.现代路桥施工中钢纤维混凝土的施工技术分析[J].建筑与预算，2020（2）：64-66.

[3]朱威.道路桥梁施工中钢纤维混凝土技术应用研究[J].建筑技术开发，2020（24）：34-35.

[4]韩景科.钢纤维混凝土技术在道路桥梁施工中的应用新探[J].工程建设与设计，2020（5）：180-182.