路桥施工中钢纤维混凝土应用技术分析

郭开先 北京路桥瑞通养护中心有限公司 北京 101400

在普通混凝土中掺入适量的乱向短钢纤维组成的一种复合纤维混凝土材料,使其具有良好的韧性、抗拉、抗弯、抗剪、抗疲劳、抗冲刷、抗爆及控制裂缝和变形等。该纤维的最大特点是既要保证良好的抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率,对冶炼过程控制有严格要求。钢纤维混凝土用于路桥工程,主要起到强化混凝土的作用。钢纤维是专用在混凝土中的一种加固材料,其增强效果主要取决于集体强度及钢纤维的长径比、体积率等。混凝土中加入钢纤维可以增强其抗压性、拉伸强度及韧性,也使得钢纤维混凝土在被广泛用于路桥时,能够有效地提升质量。

一、钢纤维及钢纤维混凝土性能分析

(一)钢纤维基本性能

根据生产制造钢纤维的方式,可以将钢纤维划分成为四个类型:切断钢纤维、剪切钢纤维、切削钢纤维、熔抽钢纤维。

切断钢纤维抗拉强度较高,但是不易与水泥砂浆进行粘结,可以针对钢纤维表面实施变形处理,将其处理成为波纹行形、圆截面、末端带钩、表面有划痕或是扁平截面等多种不同形式的钢纤维,可以使其中的力学性能发生改变,同时也更有利于提升其与水泥砂浆之间的粘结性。如果钢纤维为使用废钢丝绳进行切断处理而制成,则必须保障废钢丝绳的锈迹和油污均已被清理干净。

剪切钢纤维的主要原料为冷轧薄板,其抗拉强度在450～800MPa之间,宽度在0.25～0.9mm 之间,厚度在0.2～0.5mm 之间,相对于切断钢纤维来说,其与水泥砂浆的粘结性相对更好。

切削钢纤维的原材料为厚钢板或是软钢锭,需要使用旋转铣刀进行切削处理,将其加工成为钢纤维之后,其强度大幅度优于原材料,同时截面为三角形,能够与混凝土之间体现出较好的粘结性。

熔抽钢纤维的主要原材料为熔融钢水,通过甩制获得,其表面具有不规则的特点,同时含有强度较低的一层氧化层,因为存在氧化层,所以钢纤维与混凝土之间的粘结强度较差。但在同时,其抗拉强度和弹性模量均相对较高,为水泥基材的至少5倍,并且该类型钢纤维也可被制作成为不同的截面形状,使其与水泥基材间的握裹力得到提升。

(二)钢纤维增强混凝土强度的机理

将钢纤维应用于混凝土之中,其主要作用是控制受到外力作用时基体裂缝的持续扩展。在通常情况下,水泥基料以及钢纤维需要共同在受荷初期对外力进行承载,但水泥基料属于主要承受部分,如果其中出现开裂情况,处于横跨裂缝状态的钢纤维则需要主要承受外力。但是,如果钢纤维体积掺量大于某一临界值,复合材料整体则可继续对较高的荷载进行承受,且变形幅度持续增加,直至钢纤维被外力从基料中拔出,或是被拉断,同时,复合材料整体也将被破坏。

(三)钢纤维混凝土基本性能

钢纤维混凝土也就是在普通混凝土之中适量加入钢纤维维,并使其以乱向的形式均匀分布,并针对整体进行硬化处理即可。相对于普通混凝土来说,其能够体现出物理力学性质优越的特点。具体见表1。

表1 钢纤维混凝土物理力学性质优势

(四)钢纤维混凝土性能主要影响因素

钢纤维混凝土的性能能够受到多方面因素影响,一般包括掺和料、减水剂、粗骨料粒径、砂率、钢纤维长径比、钢纤维掺和量以及钢纤维类型等,而主要因素为钢纤维的类型、掺和量和长径比。如果选择将钢纤维混凝土应用于路面的修建工作,因为面板重厚度较小,所以可能导致地下排水受到不良影响。

二、钢纤维混凝土施工技术在路桥施工中的应用

(一)钢纤维混凝土施工技术在道路施工中的应用

通过应用钢纤维混凝土,路面的铺装厚度得以缩减,可以少设甚至不设重纵缝,使横向缩缝数量减少,路面的冻融性及耐磨性均较为良好,有利于延长道路的使用寿命,同时保障道路应用过程中的安全性。

1.新建全截面钢纤维混凝土路面

在新建全截面钢纤维混凝土路面的过程中,应将路面的厚度设置为常规路面厚度的一半或是60%,混凝土之中的钢纤维掺量则应控制在0.8～1.2%之间,双车道的路面上可以不设置纵缝,相邻横缝之间的距离一般应控制为20～30m,最长大为50m。

2.新建复合式钢纤维混凝土路面

复合式路面一般应为双层式或是三层式,其中双层式复合式路面的构造为,针对全路面板的上层部分,铺设路面整体厚度40～60%的钢纤维混凝土,三层式复合式路面则应将其中的上层和下层设置成为钢纤维混凝土层,中间部分为普通混凝土层。从实际上来看,三层式的复合式路面结构合理性更强,但是同时施工过程的复杂性也更强。一般来说,三层式复合式路面主要在机械化铺设水平较高的区域进行应用。另外,还可以实际情况为基础,适当应用钢纤维—钢丝网混凝土构建复合式路面。

3.碾压钢纤维混凝土路面

在混凝土之中合理掺入钢纤维,以提升路面整体的韧性以及强度,再通过碾压的方式,强化混凝土力学性能。

4.钢纤维混凝土罩面

在旧混凝土路面发生损坏的情况下,使用钢纤维混凝土为旧路面铺设一层罩面层,可以延长路面的使用寿命,并提升路面整体的应用效果。以钢纤维混凝土作为罩面层,可以将其分为分离式、直接式和结合式三种类型。分离式:钢纤维混凝土罩面层不接触原本的混凝土面层,而是于二者中间增加一隔离层,使不同的路面层能够单独发挥作用。直接式:针对原本的混凝土路面层直接铺设钢纤维混凝土罩面层。结合式:将钢纤维混凝土罩面层与原本的混凝土层进行粘结,使二者融为一体,以共同发挥结构作用。一般在损坏程度不严重的路面上进行应用。

5.钢纤维水泥砂浆或钢纤维细石混凝土罩面修补

使用钢纤维水泥砂浆或是钢纤维细石混凝土作为罩面,修补损坏路面,其中的钢纤维体积率应控制在1～2%,长泾可根据实际情况略多于钢纤维混凝土长径,但是一般需要将长径控制为70～100。

6.应用于多年冻土地区

将钢纤维混凝土应用于多年冻土地区,可以有效控制路面吸热,从而为冻土维持热平衡提供更加良好的基础,也有利于提升道路的抗冻性。

(二)钢纤维混凝土施工技术在桥梁施工中的应用

1.桥面铺装

使用钢纤维混凝土对桥面进行铺装,不仅有利于提升桥面整体的耐久性、抗裂性以及舒适性,还可强化桥梁的抗折能力,是桥体自身的高度显著提升,同时还可缩减铺装厚度,使结构整体自重降低,也就更有利于优化桥梁的受力情况。并且,若能够将钢纤维混凝土与橡胶沥青混凝土进行复合应用,此类型的双层桥梁应用效果将更加良好。

2.桥梁上部承受荷载部位

在桥梁之中,应用钢纤维混凝土针对应力集中区域或是主拱圈位置实施强化工作,有利于优化结构整体受力性能,可以在一定程度上避免发生结构变形情况,同时减轻桥梁自重,也就更有利于实现桥梁结构的轻量化和大跨度。与此同时,因为应用钢纤维混凝土,所以桥梁的结构性能可以得到优化,外在造型也更加美观,材料使用量相对减少,下部的墩台数量也就可以随之减少,由此,桥梁整体造价降低,经济效益也就可以得到提升。

3.桥梁墩台等结构的局部加固

对于能够长期受到动载作用的桥梁墩台来说,其中极易出现表层脱落或是面板裂缝等不良情况,以此为基础,应用转子II型喷射机合理开展钢纤维混凝土的喷射工作,更有利于优化桥梁墩台的结构整体性,同时可提升其中的抗震性能。并且通常来说,钢纤维混凝土之中的钢纤维,以剪切钢纤维为主,掺量在1.0%左右,同时于其中合理加入TS型速凝剂以及硫铝酸盐快硬水泥,以促使钢纤维混凝土的早期抗裂性能得到显著优化。其中的旧混凝土部分,应该针对其表面进行喷砂处理或是凿毛处理,以提升新旧混凝土之间的整体性。

4.钢纤维混凝土桩加强

针对桩尖部分或是桩顶部分使用钢纤维混凝土进行局部增强处理,有利于提升桩穿透力,从而减少所需的锤击次数,打击速度也就大幅度提升,与此同时,桩顶部分的抗冲击韧性可以得到提升,也就可以避免出现桩顶进入到设计深度之前即出现破裂的情况。同时,中间部分的入土能力提升,打击工作的效率也就可以得到提升。对于桩身部分,一般仍然采用预应力钢纤维混凝土或是非预应力钢纤维混凝土,当然也可以选择整体浇筑钢纤维混凝土,但若如此,其中的经济效益将在一定程度上下降,所以还应以实际情况为基础,选择经济性较强的技术开展施工作业。

(三)钢纤维混凝土施工技术在衬砌隧道和边坡防护中的应用

针对衬砌隧道开展喷射钢纤维混凝土施工,可以促使隧道内的结构整体性得到提升,同时降低漏水情况出现的频率,并且对于边坡位置,如果其中存在岩石节理裂隙等不良情况,也可采用光纤混凝土喷射技术对该部分进行加固处理。

三、钢纤维混凝土施工技术

应用钢纤维混凝土开展施工工作,根据施工方法,可以将其划分成为不同类型:(1)浇筑钢纤维混凝土;(2)喷射钢纤维混凝土;(3)灌浆钢纤维混凝土。且钢纤维混凝土的应用效果能够大幅度受到施工质量的影响,所以在进行施工作业时,不仅需要保障常规的混凝土施工要求得到充分满足,还需针对钢纤维混凝土施工过程中易出现的技术问题予以充分重视,尽可能保障钢纤维于基体中均匀分布,进而方可提升施工效果。

(一)钢纤维分散装置的设置

如果一次性将大量钢纤维投入到搅拌机之中。易在搅拌机内呈现出结团情况,所以为了保障钢纤维的有效分散,应该首先将钢纤维投入到分散机中,经过分散处理,再送入搅拌机。进行分散处理过程中,应该将分散机的运行功率应控制在0.75—1.0kW 之间,分散力应控制在20～60kg/min之间。并且,在将钢纤维投入到分散机之前,应首先开展筛选工作,选择材质良好、直径较粗、适合应用于钢纤维混凝土之中的钢纤维,且将其投入到分散机内之前,还应于料斗入口位置安装振动筛进行再次筛选。

(二)设置搅拌机投料顺序和时间

为了避免钢纤维混凝土之中的钢纤维出现结团情况,需要采用分级投料的方式,并应用“先干后湿”的搅拌工艺,也就是首先将砂投入到搅拌机之中,再依次投入钢纤维、碎石和水泥,之后开始进行时长为1min的干拌,1分钟之后,再向搅拌机内加入水以及外加剂,根据实际情况进行2min左右的湿拌。

(三)浇筑及振捣

开展钢纤维混凝土浇筑工作时,应该注意避免出现过于显著的浇筑接头,每一浇筑均必须与前一浇筑段重合15～20cm,以保障钢纤维混凝土的整体连续。并且,在浇筑过程中,需要借助插入式振捣棒开展振捣工作,以通过集束效应保障钢纤维处于二维分布状态。完成振捣工作后,还应注意将混凝土表面磨平,若有钢纤维外露,应将其压入至混凝土内。

结束语

将钢纤维混凝土技术应用于路桥施工之中,其可有效提升路桥使用效果,并延长其使用寿命,还可有效控制整体的工程造价,特别是桥梁自重显著减轻。这一技术的应用,很大程度上提高了路桥混凝土的抗拉性能和承载力。