钢纤维混凝土在桥梁施工中的应用

石永在

（内蒙古路桥集团有限责任公司六分公司，内蒙古 呼和浩特 010012）

1 工程概况

包茂高速公路包头至东胜段改扩建工程BMTJ-2 标为本标段主线旧路改扩建工程，老路为双向四车道，路基宽度为24.5m/26.0m。采用两侧拼接方式扩建为8车道，整体式路基宽41.0m（每侧加宽7.5～8.25m），设计速度为100km/h，其横断面组成为：行车道宽2×（4×3.75）m，中间带宽3.5m（含2×0.75m 左侧路缘带），硬路肩宽2×3.0m （含2×0.5m 右侧路缘带），土路肩2×0.75m。其中，桥梁工程采用钢纤维混凝土技术进行施工。

2 钢纤维简介

钢纤维的特性会受到施工工艺的影响，不同的制造工艺获得的钢纤维性质也会存在差异。钢纤维可以分为以下4种。

（1）剪切钢纤维

这种类型的钢纤维厚度一般比较小，约为0.3～0.6mm。但也正是受到材料的限制，其能够达到的抗拉强度比较小，通常在700MPa左右。

（2）切断钢纤维

这种类型的钢纤维抗弯、抗拉性能突出，但也存在钢纤维与混凝土黏结不充分的问题，难以形成整体，有一定的局限性。

（3）切削钢纤维

这种类型的钢纤维是采用厚钢板和钢锭制造而成，硬度大、强度高，且钢纤维和混凝土黏结也较为充分。

（4）熔抽钢纤维

这种类型的钢纤维由钢水冷却制造而成，具有抗拉强度高、延弹性良好的优势。但钢水在冷却的过程中，表面的钢水会与氧气反应形成氧化膜，这层氧化膜的出现会降低钢纤维与混凝土的黏结性。

2.1 钢纤维混凝土的性能

钢纤维混凝土是一种由混凝土和钢纤维混合而成的复合材料，具体是根据试验室配比方案在普通混凝土中掺和一定量的钢纤维制作而成。

（1）钢纤维材料的加入改变了原混凝土的结构类型，优化了强度，使整个材料的强度得到了极大的提升。但钢纤维的密度大，因在普通混凝土中加入了钢纤维，所以同体积的钢纤维混凝土的质量较大。

（2）在巨大且反复行车荷载的冲击下，普通混凝土施工的路桥结构会出现断板的情况。钢纤维具有良好的韧性，因而钢纤维的加入会提升混凝土的抗冲击韧性，增强路基路面结构的承载力。总结众多施工经验来看，与普通混凝土相比，钢纤维混凝土的抗压强度得到了极大提升，是普通混凝土抗压强度的2倍，且抗拉强度、抗弯性能优越。

（3）钢纤维的弹性变形能力强，因而在混凝土中加入钢纤维还能够改善混凝土的变形问题，增加路面抵抗变形的能力，降低工后沉降。

2.2 钢纤维混凝土的特点

（1）钢纤维混凝土优势突出，具有良好的抗裂、抗拉、抗弯、抗剪、抗疲劳及抗冻性能[1]，并且可以节约施工材料的用量和控制施工成本。在路桥、机场跑道及厂房地面等工程项目中采用钢纤维混凝土进行浇筑施工，不仅可以减少钢筋材料的消耗，还可以控制浇筑厚度，混凝土浇筑厚度可降低到一半，并且有效延长工程的使用寿命；若在铁路、矿山隧道内衬等工程项目中采用钢纤维混凝土实施浇筑，可以减少钢筋的用量，并省去盘条和金属网配筋，保证工程质量，对工程的长期安全使用具有积极意义。

（2）钢纤维混凝土最突出的优势是改善了普通混凝土的抗裂及抗冲击性能，当钢纤维混凝土浇筑的路桥结构遭受行车荷载和冲击时，分布于混凝土中的数百万根钢纤维能够发挥作用，防止混凝土结构出现断裂。若在刚性屋面和防水工程中采用钢纤维混凝土实施浇筑，钢纤维的加入会大大提高混凝土的抗裂性能，改善建筑物的防漏性能，并且延长屋面的使用寿命，提高经济效益。

（3）采用钢纤维混凝土不需要设置纵缝，可以用于建筑物的修补，有利于处理年久失修或失火烧损的建筑物补强修复问题，还能够保证建筑工程的质量。

3 钢纤维混凝土施工技术的应用

3.1 施工准备阶段

综合考虑施工项目的实际情况，先确定钢纤维混凝土设备施工场地，并校验检查施工设备，实施调试，做好准备工作。在制作钢纤维混凝土时，严格根据相关规范执行，最后对钢纤维混凝土材料进行质量验收，确保钢纤维混凝土的性能稳定，钢纤维混凝土在转运到施工现场后也要进行验收。在设计阶段，设计人员应根据项目工期和钢纤维混凝土的特点确定混凝土浇筑方式，确保在规定工期内保质保量完成混凝土施工。

3.2 钢筋网铺设

以施工规划和施工图纸为参考标准，根据工程设计要求精确确定钢筋位置，并在确定位置做醒目标记。钢筋交汇位置，应根据工程设计完成钻孔，钻孔间距为20cm，打孔完毕后将短钢筋插入孔内。先根据施工标准加工短钢筋，截断钢筋，保证短钢筋长度与设计长度相符合。定位后即可开展钢筋铺设作业，铺设的钢材采用直径为12cm 和8cm 的补强钢筋，并用钢丝绑扎，确保绑扎松紧适度，钢筋不松动。

3.3 安装钢模板

完成钢筋铺设作业后即可进入模板安装工序，先将钢模板架起支立，再检查模板的高度，并根据设计标高对模板进行适当调整，保证钢模板安装质量。钢模板安装结束后检查架设支架的稳定性，确保钢支架接头过渡自然、顺滑。另外，施工人员在安装模板前，可以在钢模板的内壁均匀涂抹隔离剂，以防止在混凝土浇筑时梁顶连接位置出现漏浆缺陷，涂刷隔离剂后还能提升后期模板拆除效率。

3.4 钢纤维混凝土制备

（1）钢纤维材料

应根据不同的施工项目选择适宜的钢纤维混凝土加工工艺，考虑到本工程抗拉强度需达到1 000MPa 的要求，采用剪切钢纤维加工制造而成的钢纤维混凝土。其中，钢纤维直径为0.5mm，长径比为60，密度为6.8g/cm3。

（2）水泥材料

采用42.5 水泥作为钢纤维混凝土制备材料。水泥材料性能如表1所示。

表1 水泥材料指标性能

（3）粗细集料

本工程粗集料采用碎石，并且选用两种粒径不同碎石集料，第一种碎石集料的粒径为4.8～9.5mm，第二种碎石集料的粒径为9.5～19mm，掺配比为6∶4。粗集料的性能如表2所示。

表2 碎石性能指标

（4）细集料

本工程细集料采用中粗砂，堆积密度为1 440kg/m3，表观密度为2.66g/cm3，含泥量为2.3%，泥块含量为0.9%，空隙率为46.0%。

（5）确定钢纤维混凝土材料的配合比

试验根据项目要求开展配比试验，确定目标配比方案。首先，设计弯拉强度fr为5.5MPa，28d 弯拉强度fe则按照式（1）计算，为6.6MPa。

式（1）中：fe为28d弯拉强度均值（MPa）；fr为设计弯拉强度值（MPa）；C为弯拉强度变异系数；s为弯拉强度试验样本标准差；t为保证率系数。

设计抗压强度fc＞40MPa，抗压试配强度按照式（2）计算，为49.9MPa。

式 （2） 中：fc为 28d 抗压强度均值 （MPa）；f为设计抗压强度标准值（MPa）；Z为保证率系数，取1.645；σ为抗压强度标准差，取6MPa。

经计算，确定钢纤维混凝土配比方案，具体为钢纤维∶水泥∶水∶砂∶碎石= 0.21∶1∶0.4∶0.01∶2.77。

3.5 投料搅拌

在钢纤维投入搅拌机之前，应采用功率为0.75～1.0kW 分散机，分散机分散力度控制在30～60kg/min，将钢纤维充分打散。分散后的钢纤维分批次投入搅拌机，并且可以利用双锥翻转出料搅拌机提升搅拌效率，使钢纤维与混凝土充分黏结，避免钢纤维结团。

另外，在搅拌时应遵循先干后湿的材料添加顺序，将钢纤维、粗细集料及水泥等加工原材料投放至搅拌机内，采用干拌和加水拌和两种方式，干拌的时间不得低于1min，加水拌和的时间不得低于2min，总拌和时长控制在5min 以内，并且在搅拌机内预留一些空间，以保证各类原材料被充分拌和，避免搅拌机负荷超载。

3.6 材料运输

制备好的钢纤维混凝土材料采用自卸式泵车转运到施工现场。为避免钢纤维混凝土出现离析等质量问题，应加强出机坍落度和入模坍落度的检查，防止因为坍落度与设计要求不符而产生钢纤维沉底病害。同时，考虑到在钢纤维混凝土拌和制备的过程中加入了一些外加剂，如减水剂，为提升混凝土摊铺效率和保证摊铺质量，应先做好混凝土铺筑区域的规划，预先平整摊铺面，缩短钢纤维混凝土的等待时间。

3.7 浇筑振捣

在开展钢纤维混凝土浇筑作业前，施工人员应做好准备工作。第一，在浇筑钢纤维混凝土前4h，施工人员检查桥面的平整度并连续洒水，直到浇筑前1h 时结束洒水作业，保持桥面的平整度和湿润度；第二，检查施工设备，规划浇筑区域，确保混凝土浇筑作业连续开展，避免钢纤维混凝土出现离析缺陷[2]。

在浇筑钢纤维混凝土前，应先对混凝土进行振捣，有效的振捣有利于增强钢纤维的收缩性能，提高混凝土结构的承载力。本工程采用平板式的振动器实施振捣，充分振捣混凝土材料的每一部位，尤其是加强边角部位的振捣，确保混凝土中各类材料均匀分布，钢纤维无结团，但也不能过度振捣，不得改变钢纤维材料排列方式。

3.8 施工抹平

采用机械抹平的方式对混凝土振捣面实施抹平，将外露在混凝土面的钢纤维压入混凝土中，保证混凝土面的平面度，防止外露的钢纤维影响后续施工，埋下质量安全隐患。

3.9 刻槽

为提高混凝土结构面的抗滑性能，本工程对混凝土结构实施刻槽[3]。结合施工要求和不同规格刻槽的特点，本工程刻槽宽度控制在4mm 以内，深度控制在5mm 以内，各道刻槽的间距为25mm。另外，考虑到桥面的设计行车速度和设计使用年限，桥梁铺面钢纤维混凝土结构的刻槽表面积不得超出桥面的12%～15%。

3.10 切缝处理与后期养护

通过了解钢纤维混凝土的规律和特点，可以发现相比于普通混凝土，钢纤维混凝土在应用性能和使用质量方面都能良好地适应高速公路桥梁施工的需要。基于本工程所在位置和整个场所具备的稳定性开展进一步分析，本高速公路桥梁无法完全封闭交通，日常交通压力较大，无法采用整幅施工的方式开展施工，应根据实际的施工情况调整施工方案，横缝切锯间距为30m，沿着桥梁墩顶开始缩缝切锯，在切缝时应加强两侧防撞栏缩缝的控制，使其保持水平状态。同时，必须检查确定钢纤维混凝土强度达到设计要求，即达到设计强度的一半以上后才可以开展切缝作业，切缝深度宜控制在2～3cm。在完成切缝作业后应实施灌缝，并做好后期的养护。

4 结语

伴随着现代科学技术的发展，复合型材料的应用越来越成熟，钢纤维混凝土作为高质量的复合型材料已经在路桥工程中得到了广泛的应用。基于此，本研究依托具体工程实例，重点分析了高速公路桥梁施工中钢纤维混凝土技术的实际应用，阐述了钢纤维混凝土施工流程和施工技术要点，可为类似工程提供参考借鉴。