鋼纖維混凝土在混凝土路面工程中的應用

方少巖

(衡水市桃城區交通局道路橋梁工程處)

1 纖維增強材料

我國的水泥混凝土路面和橋面鋪裝越來越多地使用纖維增強材料，以期改善混凝土的抗拉強度、抗折強度、延性、沖擊韌性及控制開裂和裂縫寬度。下面為纖維材料的簡要介紹。

1.1 纖維品種

水泥混凝土路面、橋面、搭板、伸縮縫等使用的纖維補強材料的品種主要有:鋼纖維、耐堿玻璃纖維、碳纖維、石棉纖維、植物纖維(竹、木、草)、有機聚合物纖維(如聚丙烯、聚乙烯、醋酸纖維)等。

1.2 公路工程用纖維的技術要求

(1)高抗拉強度:與水泥基材抗拉強度相比，至少高出二個數量級。

(2)高彈性模量:纖維與基材的彈模比愈高，結構受荷載時，纖維分擔的應力越大。從限制開裂和裂縫寬度看，路面、橋面及伸縮縫處使用的纖維，與混凝土的彈模比不應小于1，否則纖維會像橡膠一樣，起不到控制開裂和限制裂縫寬度的作用。低模量的聚丙烯、聚乙烯和聚脂纖維使用效果欠佳。

(3)大變形能力:與水泥基材的極限拉伸率相比，至少高一個數量級，從而達到控制開裂和限制裂縫寬度的作用。

(4)低泊松比:一般不宜大于0.40。

(5)高耐堿性:在路面設計使用壽命期內，不受水泥堿性環境侵蝕，長期耐久性可靠。

(6)高粘結強度:纖維與基材的粘結強度不應低于1 MPa。

(7)適宜的長度和長徑比:長徑比為短纖維長度與直徑之比，混凝土中的纖維既要不被拔出，可從中間拉斷，又要攪拌和澆筑時，不成團。同時滿足這兩項要求的長度稱臨界長度，對應的長徑比為臨界長徑比。混凝土中使用的纖維長度一般在1～5 cm之間，長徑比一般在50～100之間。

(8)對人體無害:有的纖維如石棉，性能很好，資源廣泛，價格低廉，但研究表明它們具有對人體的致癌作用，因此在國際上禁止使用。

(9)資源豐富，價格較低。

1.3 鋼纖維混凝土

在我國高等級公路水泥混凝土路面工程中使用的纖維目前主要是鋼纖維。盡管鋼纖維有比重大、單方用量大、直徑粗、增強根數有限的缺點，但鋼纖維混凝土的力學性能穩定可靠，無堿腐蝕和侵蝕之憂。使用拋法蘭和不銹鋼，也能有效防止銹蝕。因而鋼纖維混凝土比任何其它一種纖維在混凝土結構工程的應用都更為廣泛，特別是在路面和橋面工程中，有應用增大的趨勢。我國已經使用滑模施工技術在路面和橋面上攤鋪過鋼纖維和鋼筋網雙鋼混凝土，在路面上攤鋪過聚丙烯纖維和耐堿玻璃纖維混凝土。聚丙烯纖維混凝土在混凝土未凝固前，因握裹力不足而抵抗不了塑性收縮開裂，混凝土硬化后開裂，由于模量過低，像“橡皮筋”被拉長而限制裂縫寬度的作用有限。耐堿玻璃纖維混凝土纖維密度低、抗拉強度高、彈性模量高、用量省而效果好，目前正在試驗和應用研究中。

1.3.1 鋼纖維的種類

鋼纖維按外形可分為圓直形、波形、變截面、啞鈴形、扁平形、彎鉤形、凹凸形、卷曲形、三維立體形等形狀。按加工方式有冷拔、壓形、剪切、銑削、熔抽等多種形式。圓直鋼纖維直徑一般為0.25～0.75 mm，扁平鋼纖維厚度為0.15～0.40 mm，寬度0.25～0.9 mm。這兩種鋼纖維長度在20～60 mm范圍內。帶彎鉤的鋼纖維直徑0.30～0.5 mm，長度40～60 mm。目前混凝土路面中多使用性能較好的彎鉤形、凹凸形及卷曲形幾種形式。

1.3.2 鋼纖維混凝土配制攪拌與路面滑模施工

(1)鋼纖維混凝土配制要點

鋼纖維的長徑比不應大于100，一般在60～80之間才能達到均勻分布之目的。鋼纖維不成團的體積用量一般為0.5% ～2%，密度一般在60～100 kg/m3之間。鋼纖維混凝土的粗集料最大粒徑不應大于20 mm，它要求加大砂率，一股應為40% ～55%，而且它的工作性不好，一般應使用高效減水劑。

(2)鋼纖維混凝土的攪拌

鋼纖維混凝土應使用強制式攪拌機生產，間歇式攪拌機應減少10%左右一盤攪拌量，鋼纖維混凝土在間歇式攪拌樓上加入時，稱量好每盤用量，用水溶性塑料包裝袋，投入砂石料斗，先干拌砂石料，使鋼纖維分散，再加水和水泥拌和或延長1/3～1/2每盤攪拌時間達到鋼纖維均勻拌和之目的。使用連續式攪拌樓時，應在砂石料供應皮帶上，加裝鋼纖維均勻計量的分散機，邊計量邊均勻加入。連續式攪拌樓的生產量也要減小10%左右。

(3)鋼纖維混凝土的滑模攤鋪

在滑模攤鋪機施工鋼纖維混凝土時，必須將振搗棒組位置提高到擠壓底板以上，不得插入路面或部分插入路面振搗。防止振搗棒溝槽內局部設有鋼纖維，從而引起縱向塑性收縮開裂。鋼纖維混凝土的攤鋪推進速度要適當減慢，保證振搗密實度。

1.3.3 鋼纖維混凝土主要性能

(1)抗拉強度:鋼纖維摻量1.5%，鋼纖維混凝土的抗拉強度可提高30% ～50%;劈裂強度可提高一倍左右。

(2)抗折強度:鋼纖維體積摻量0.4% ～0.8%，可提高抗折強度50% ～100%，彎拉延性變形大大提高。

(3)抗壓強度:鋼纖維混凝土抗壓強度可提高15% ～25%。

(4)抗沖擊韌性:鋼纖維混凝土的靜載彎曲韌性可提高10倍～50倍，抗沖擊韌性可提高2倍～10倍。

(5)耐疲勞性:鋼纖維混凝土的耐疲勞循環周次可提高2倍～6倍。

(6)抗磨性和抗凍性:鋼纖維混凝土的抗磨性有所提高，抗凍性略有改善。

(7)干縮和徐變:鋼纖維混凝土干縮減小10% ～30%，對徐變無影響。

目前鋼纖維混凝土與鋼筋混凝土相比的缺點是一次投資過大，經濟比較表明，大約是鋼筋混凝土路面的一倍。原因是鋼纖維比重過大，根數少，每立方米鋼纖維為60～100 kg，每噸鋼纖維5 000元，鋼纖維的投資300～500元/m3，與每立方米混凝土價格相當或略貴。分散的亂向鋼纖維有相當部分不在應力跡線方向，至少有1/3的鋼纖維是沒有定向增強效果的。盡管如此，鋼纖維混凝土路面和橋面具有比鋼筋混凝土更優越的抗沖擊破壞能力，在高等級公路特大、大型橋面、橋梁伸縮縫和橋臺上部接縫中，作者依然推薦使用鋼纖維混凝土，目的在于提高橋面橋梁接縫的抗沖擊破壞能力，延長其使用年限，減少維修次數，提高其使用通行能力。