隧道路面鋼纖維混凝土配合比設計及性能研究

蔣奇志

（貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550000）

隨著高等級公路的不斷發展，鋼釬維混凝土在路面工程上，特別是橋、隧上應用越來越廣泛，如何合理地選用混凝土配合比及鋼釬維摻量，是工程中的重點和難點。

1 、鋼纖維混凝土配合比設計及要求

1.1 原材料性質和要求

（1）水泥。采用適合于道路工程使用的水泥，主要包括：硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、道路硅酸鹽水泥等。必須符合如下幾點基本要求：

①應采用強度高、收縮性小、耐磨性強、抗凍性好的水泥。②應采用標號不低于425號的水泥。③水泥進場時，應有產品合格證和化驗單，并應對水泥品種、標號、包裝、數量、出廠日期等進行檢查驗收。④不同標號、廠牌、品種、出廠日期的水泥，不得混和堆放，嚴禁混和使用。出廠期超過三個月或受潮的水泥，必須經過試驗，按照試驗結果決定正常使用或降級使用，已經結塊變質的水泥不得使用。

（2）粗集料。集料粒徑大于5mm的稱為粗集料。粗集料可以采用軋制碎石和礫石兩種，要求粗集料質地堅硬、耐久、潔凈、有良好的級配。粗集料顆粒應接近立方體，最大粒徑不應超過25mm。

（3）細集料。細集料應該采用天然砂、人工砂或石屑，要求質地堅硬、耐久、潔凈，并具有良好的級配。混凝土用砂的級配根據《普通混凝土用砂質量標準和檢驗方法（JGJ 52－92）》的規定，是以細度模數Mx＝1.6～3.7的砂，按0.63mm篩孔的累計篩余劃分為3個級配分區。本施工規范要求砂的級配滿足其中II區的級配要求，如表1所示。

表1 隧道路面鋼纖維混凝土用砂的級配范圍

（4）鋼纖維

鋼纖維的化學成分應滿足表2的要求。

表2 鋼纖維化學成分技術要求

鋼纖維長度偏差不應超過長度公稱值的±5%，每3t產品隨機取樣100根，長度偏差按照下式計算：

式中：δi--鋼纖維長度偏差值；

li--每根受檢鋼纖維的實測長度；

lf--鋼纖維長度公稱值。

鋼纖維的重量偏差不應超過按尺寸公稱值計算重的±15%，每3t產品隨機取樣100根，重量偏差按照下式計算：

式中：δw--鋼纖維重量偏差值；

W0--為100根鋼纖維實測重量；

Wc--按鋼纖維形狀公稱值計算的100根鋼纖維理論重量。

鋼纖維的徑向扭曲角度應不小于20°。鋼纖維的抗拉強度不應低于600N/mm2。鋼纖維表面不得粘混有油污和其它妨礙其與水泥砂漿粘結的雜質。鋼纖維內含有的因加工不良造成的粘連片、鐵屑及雜質的總重量不應超過鋼纖維重的1%。

（5）減水劑。為了提高鋼纖維混凝土的和易性，應摻加適量的減水劑，其技術指標應符合現行標準《混凝土外加劑應用規程》的有關規定要求。合適的摻量需要通過試驗確定，推薦一般摻量為水泥重量的0.5～2.0%。

（6）水。拌和用水應滿足我國現行標準《混凝土拌和用水標準》（JGJ63－89）的規定。經檢驗，攪拌及養護用水中的有害雜質含量應符合下述規定：

（1）硫酸鹽含量（按SO4-2計）小于2.7mg/cm3；（2）含鹽量不得超過 5mg/cm3；（3）PH 值不得小于4；（4）不得含有油污;（5）拌制鋼纖維混凝土不得采用海水、海砂，嚴禁摻加氯鹽。

1.2 鋼纖維混凝土配合比設計

道路用鋼纖維砼配合比設計按照抗彎拉強度和抗壓強度進行雙控。采用以抗彎拉強度為主控指標進行設計，抗折斷件的抗壓強度作為砼強度等級的參考。

（1）配合比設計標準

鋼纖維混凝土配合比設計的控制指標為抗壓強度和彎拉強度，其強度等級應不低于C30。彎拉強度與交通量有關，可以按照表 3選取。

表3 鋼纖維混凝土設計彎拉強度指標

鋼纖維混凝土的設計步驟如下：

①根據試配的抗壓強度確定水灰比的大致范圍。②根據設計彎拉強度標準確定合理的鋼纖維摻量范圍。③根據稠度的要求調整單位體積用水量或者砂率。④鋼纖維混凝土的抗壓強度與水灰比的關系可以參考有關普通水泥混凝土的關系。彎拉強度設計指標見表 3，要求采用合適的鋼纖維摻量以使得28天后的彎拉強度達到表 3的要求。鋼纖維混凝土的稠度可參照同類工程對普通混凝土所要求的稠度確定，其坍落度值可比相應的普通混凝土要求值小20mm，其維勃稠度值與相應普通混凝土要求值相同。⑤鋼纖維混凝土試配配合比確定后，應進行拌和物性能試驗，檢查其稠度、粘聚性、保水性等是否滿足施工要求，若不滿足則應在保持水灰比和鋼纖維體積率不變的條件下，調整單位體積用水量或砂率直到滿足要求為止，并據此確定用于強度試驗的基準配合比。

（3）配合比

室內試驗采用表4所示的配合比。減水劑為SPN型高效減水劑，用量為水泥用量的1.5%，每立方米混凝土材料用量見表4。進行現場施工配合比設計時按照表中的比例進行試配以確定最終的用于路面鋪筑的配合比。

表4 鋼纖維混凝土配合比

鋼纖維混凝土的抗壓、抗折強度試驗結果見表5。可以看出，其28天抗壓強度達到35MPa以上，28天的抗折強度達到7.0MPa以上，滿足表3中的設計要求。鋼纖維混凝土的早期強度發展較快，有利于提前開放交通。

表5 配合比設計強度試驗結果

表6 對比配合比表

1.3 力學性能比較

鋼纖維混凝土與普通混凝土相比，力學性能有很大的提高。采用相同材料對普通混凝土和鋼纖維混凝土力學性能進行比較。為了對比纖維的作用效果，避開其它原因的影響，配合比設計采用了保持混凝土各材料用量不變的原則，對是否加入纖維進行比較。

混凝土抗壓強度試驗采用150mm×150mm×150mm混凝土試件，按照《公路工程水泥混凝土試驗規程》（JTJ053－94）進行。

混凝土抗剪切強度試驗采用雙面直接剪切法，根據中國工程建設標準化協會，CECS13：89鋼纖維混凝土試驗方法進行，混凝土試件為100mm×100mm×400mm的梁式試件。

混凝土抗沖磨強度試驗采用氣流挾砂法,試件為150mm×150mm ×150mm 的立方體。試驗中，混凝土試件固定在勻速往返運行的活動臺架上，高壓氣、水、砂混合流均勻沖擊磨損其表面。試驗風壓0.3MPa，沖角30°，砂流量180kg/h，磨料砂為粒徑小于3mm的天然河砂。抗沖磨強度指混凝土磨損1cm深度所需時間。

試驗結果如下表所示。

見表7 RC與SFRC力學性能比較一覽表

通過上表的數據對比，我們可以看到鋼纖維混凝土具有抗拉、抗折強度高，抗疲勞性好，抗裂性能好，彎曲韌性優良，防滲性突出等特點。在抗彎強度等方面提高幅度顯著，有利于隧道路面使用。

結束語：鋼纖維砼修筑路面技術就是將鋼纖維均勻地分散于基體砼中，通過分散的鋼纖維減小動態荷載作用在基體砼上引起的應力集中，從而控制砼裂縫的產生和發展，提高復合材料的抗裂性。同時由于砼與鋼纖維界面間有很大的黏結力，因而可將外力傳遞到抗拉強度大、延伸率高的鋼纖維上，使鋼纖維砼作為一個均勻整體抵抗外力作用，顯著提高了砼的抗彎拉強度、抗沖擊韌性、抗疲勞性能等，使得屬于脆性材料的砼轉變為具有良好塑性的復合材料。因此，鋼纖維砼在隧道路面中使用，可以明顯減少路結構層龜裂、斷板等病害，顯著提高路面的使用壽命。

表7 RC與SFRC力學性能比較一覽表

[1]中華人民共和國行業標準.公路工程集料試驗規程.JTJ058－2000.

[2]中華人民共和國行業標準.公路工程水泥混凝土試驗規程.JTJ053－94.