道路橋梁施工中鋼纖維混凝土技術的應用

張成進

（貴州興黔人才資源有限責任公司，貴州貴陽550001）

0 引言

鋼纖維混凝土是指將短鋼纖維均勻摻入普通混凝土中，形成一種全新且特殊的多相復合材料。通過適量添加鋼纖維，能起到阻礙裂縫產生及發展的作用，并能提高混凝土成型后的抗拉強度、抗彎強度、抗沖擊性能與抗疲勞性，表現出良好的延性。在道路橋梁工程建設中，鋼纖維混凝土被用于橋面鋪裝層，以某道路橋梁工程為例，對其鋪裝層施工中鋼纖維混凝土的具體應用進行了深入分析。

1 鋼纖維的改善機理

鋼纖維在混凝土中均勻且無序的分布，其作用在于防止內部微裂縫的產生與擴展，進而避免產生宏觀裂縫。在這種作用的支持下，無論是抗拉強度，還是由拉應力進行控制的抗扭強度、抗剪強度及抗彎強度，都能得到有效改善。即便在混凝土產生裂縫時，鋼纖維依然可以在承載力上做出很大貢獻，抗拉強度只有在鋼纖維被取出時才會降低。另外，鋼纖維的添加還能改善混凝土的疲勞性能，包括抗彎與抗壓。通過試驗可知，如果鋼纖維混凝土遭到破壞，主要原因均為鋼纖維被拔出，而并非鋼纖維被拉斷。所以，改善基體和鋼纖維之間的黏結力，是保障鋼纖維混凝土發揮良好力學性能的關鍵。

通過大量的理論分析可知，鋼纖維受到的應力與其長徑比、界面黏結強度為正比關系。基于此，要想保證增強效果，首先要增加鋼纖維的長度和直徑比，其次要增強其與基體的黏結強度。然而，如果鋼纖維的長度和直徑比過大，則會影響混凝土的性能，表現為使和易性明顯降低，嚴重時甚至會導致鋼纖維結團，對拌和物的均勻性造成很大破壞，影響施工性能。由此可見，鋼纖維的長度和直徑比并非越大越好，而是要在合理的范圍內，并盡可能提高黏結強度，這是確保拌和物性能的關鍵所在。鋼纖維和基體的黏結強度，主要由鋼纖維的形狀決定。

2 對鋼纖維的要求

施工前，需明確對鋼纖維的各項要求，保證所用鋼纖維的性能和質量都滿足施工要求。

第一，在道路橋梁工程中使用的鋼纖維，以冷拉鋼絲型鋼纖維或銑削型鋼纖維為宜。另外，為避免鋼纖維結團，還應考慮鋼纖維自身的結團性質。

第二，按照相關的技術規程，為了使鋼纖維混凝土的各項力學性能達到最佳，例舉的工程中所選的鋼纖維為冷拉鋼絲型，其長度在50mm 左右，長度和直徑比在80 左右。有效抗拉強度可以達到1000MPa以上[1]。

第三，從每批鋼纖維中隨機抽取10 根進行彎折試驗，若10 根樣品中有不少于9 根不被折斷，則認為這一批鋼纖維的彎折性能合格。具體的彎折試驗方法為：將樣品圍繞在3mm 直徑的圓形鋼棒上，用手將鋼纖維朝相對容易彎折的方向進行彎折，直到彎折角度達到90o。

第四，長度偏差應控制在公稱長度的±5%以內；直徑或等效直徑的偏差要控制在公稱直徑的±10%以內；長度和直徑比的偏差則要控制在公稱值的±15%以內。

第五，鋼纖維的表面應保持光潔，沒有缺陷、油污及水泥基，否則將對其增強效果造成很大影響。將鋼纖維中由于加工導致的黏結、銹蝕、雜質等的含量，控制在其總量的±1%以內[2]。

3 配比的要求與設計

3.1 配比要求

3.1.1 根據既有工程的施工經驗，當選擇冷拉鋼絲型進行施工時，其摻量以25～30kg/m3為宜，但具體的摻加數量還應結合相關的試驗來確定。

3.1.2 采用鋼纖維增強的混凝土，其粗骨料粒徑不能超過25mm。

3.1.3 單位體積水量，要以設計提出的稠度要求為依據進行確定。一般情況下，每摻加總體積5%的鋼纖維，需要增加7kg 左右的用水量，同時提高2%的砂率。此外還要注意，如果混凝土中摻加了外加劑，則要充分考慮其可能造成的影響。

3.1.4 以混凝土的抗壓強度要求為依據，確定適宜的水灰比范圍。

3.1.5 采用鋼纖維增強的混凝土，其坍落度需要比一般的混凝土小，而維勃稠度則可以和一般的混凝土完全相同。

3.2 配比設計

3.2.1 設計原則

鋼纖維混凝土的配比設計方法和普通混凝土基本相同，要求在保證抗彎拉強度的基礎上，符合路面施工提出的各項要求[3]。

3.2.2 設計指標

鋼纖維混凝土配合比的控制性指標包括：水灰比應控制在0.47 以內；砂率應保持在38%～50%的范圍內；水泥劑量應保持在400～480kg/m3的范圍內；坍落度應保持在3～5cm 之間。

結合鋼纖維混凝土自身及施工特點，確定如下試驗室配合比：

1#配合比：水灰比為0.40，水泥∶水∶（4.75～9.5mm）粗集料∶（9.5～19mm）粗集料∶砂∶外加劑∶鋼纖維=440∶177∶449∶675∶778∶5.76∶0∶45，實測坍落度為45mm。

2#配合：水灰比為0.40，水泥∶水∶（4.75～9.5mm）粗集料∶（9.5～19mm）粗集料∶砂∶外加劑∶鋼纖維=440∶177∶446∶671∶774∶5.76∶30，實測坍落度為42mm。

3#配合比：水灰比為0.40，水泥∶水∶（4.75～9.5mm）粗集料∶（9.5～19mm）粗集料∶砂∶外加劑∶鋼纖維=440∶177∶445∶669∶771∶5.76∶40，實測坍落度為42mm。

4#配合比：水灰比為0.40，水泥∶水∶（4.75～9.5mm）粗集料∶（9.5～19mm）粗集料∶砂∶外加劑∶鋼纖維=440∶177∶444∶667∶769∶5.76∶50，實測坍落度為41mm。

3.3 拌和物的性能

銑削型鋼纖維的表面較為粗糙，如同砂皮。所以，它和水泥漿體之間的黏結相對牢固，能有效減少或避免塌邊。通常，當采用銑削型鋼纖維時，坍落度比常規混凝土低20mm 左右，且采用攤鋪機完成攤鋪與振動后，其具有和常規混凝土大致相同的黏聚性。

鋼纖維混凝土達到硬化后的性能為：

其一，在彎拉強度方面，1#配合比28d 齡期，彎拉強度為5.56MPa；2#配合比28d 齡期，彎拉強度為6.48MPa；3#配合比28d 齡期，彎拉強度為6.94MPa；4#配合比28d 齡期，彎拉強度為7.42MPa。根據以上實測結果可知，按照30～50kg/m3的用量添加鋼纖維，能使混凝土28d 齡期的彎拉強度提升15%～35%。

其二，在抗沖擊性方面，將沖擊次數作為沖擊強度，1#配合比沖擊次數為21 次；2#配合比沖擊次數為69 次，與未添加鋼纖維時相比，提高了3.3 倍；3#配合比沖擊次數為88 次，與未添加鋼纖維時相比，提高了4.2 倍；4#配合比沖擊次數為106 次，與未添加鋼纖維時相比，提高了5.0 倍。根據以上實測結果可知，按照30～50kg/m3的用量添加鋼纖維，能使混凝土的抗沖擊強度提高3～5 倍。

其三，在抗干縮開裂方面，在連續養護28d 的水穩基層表面澆筑尺寸為（30×50×5）cm 的常規混凝土板和按照50kg/m3摻量添加鋼纖維的混凝土板，然后用碘弧燈照射，并用風扇使板快速失水。在這一過程中，通過觀察確定開裂時間。常規混凝土板24h 裂縫數量為5 條，裂縫總長度為51cm，48h 裂縫數量為7條，裂縫總長度為82cm；鋼纖維混凝土板24h 裂縫數量為1 條，其長度為7cm，48h 裂縫數量為2 條，其總長度為18cm。根據以上實測結果可知，鋼纖維的添加能延緩裂縫的產生，且裂縫的數量與長度均有所減少。

其四，在耐磨性方面，主要采用水泥膠砂耐磨試驗機進行試驗[4]。試驗開始前，應先將試件放入60oC烘箱，烘干到重量保持恒定，然后采用試驗機連續磨削50 轉，并對試件因磨削而損失的數量進行計算，據此對試件的耐磨性進行描述與評價。常規混凝土的單位面積磨削量為5.83g，而鋼纖維混凝土的單位面積磨削量則為4.42g。可見，相較于常規混凝土，鋼纖維混凝土具有更好的耐磨性。

4 施工工藝

4.1 拌和

在鋼纖維混凝土拌和過程中，應注意以下幾個方面：

其一，在拌制、生產鋼纖維混凝土的過程中，應將鋼纖維連同粗細骨料一同添加至攪拌機。

其二，相較于普通混凝土，鋼纖維混凝土要多拌20～30s，其目的在于保證鋼纖維在混凝土中分布均勻，不會結團。

其三，安排專人對鋼纖維的實際摻加量與配合比進行嚴格控制，以達到預期的增強效果和質量[5]。

其四，拌和時應對不同原材料進行的稱量，結果偏差要符合下列要求：稱量鋼纖維、水泥與外加劑時，其偏差要控制在±2%以內；稱量粗細骨料時，其偏差要控制在±3%以內；而稱量水時，其偏差要限制在±1%以內。

4.2 攤鋪、振搗與整平

鋼纖維混凝土的布料及攤鋪，不僅要滿足一般混凝土的布料及攤鋪要求，還需要滿足以下特殊要求：

其一，鋪裝層的層厚一般取10cm，偏差要控制在-5～+10mm 的范圍內。

其二，無論施工中使用何種機械或方法進行布料及攤鋪，都應保證鋼纖維的實際分布達到均勻和連續，在一個面板的范圍內進行布料和攤鋪時，不能中斷。

其三，布料時，具體的松鋪高度要通過試驗性攤鋪來確定，通常要比一般的混凝土高10mm。

其四，墩臺上一般設有伸縮縫，在此處進行鋪裝時，要預留一定的寬度暫不澆筑，待伸縮縫安裝好后，再使用強度滿足要求的混凝土將預留槽澆筑飽滿[6]。

其五，施工縫分為橫向縫和縱向縫，這兩種縫應形成一個標準的垂直面，同時要在預留槽內實施施工縫的布置。

其六，考慮鋼纖維混凝土中含有鋼纖維，故振搗不能用插入式振搗棒，這一點和一般的混凝土完全不同。施工中使用的機械和方法，既要使混凝土振實，又要避免破壞鋼纖維的分布，在從表面向下30mm 的范圍內，混凝土中的鋼纖維應盡量呈平面。在振搗結束后，要用3m 直尺實施平整度的檢測，一般不能超過3mm。

其七，拌和物從出料到結束攤鋪的時間應達到以下要求：第一，當施工氣溫為5～9oC 時，從拌和物出料到運輸到場，滑模與軌道所需要的時間不能超出1.25h，三輥軸機組所需要的時間不能超出1.0h；從出料到完成鋪筑，滑模與軌道所需要的時間不能超過1.5h，三輥軸機組所需要的時間不能超出1.25h。第二，當施工氣溫為10～19oC 時，從拌和物出料到運輸到場，滑模與軌道所需要的時間不能超出0.75h，三輥軸機組所需要的時間不能超出0.5h；從出料到完成鋪筑，滑模與軌道所需要的時間不能超過1.0h，三輥軸機組所需要的時間不能超出0.75h。第三，當施工氣溫為20～29oC 時，從拌和物出料到運輸到場，滑模與軌道所需要的時間不能超出0.5h，三輥軸機組所需要的時間不能超出0.35h；從出料到完成鋪筑，滑模與軌道所需要的時間不能超過0.75h，三輥軸機組所需要的時間不能超出0.5h。第四，當施工氣溫為30～35oC時，從拌和物出料到運輸到場，滑模與軌道所需要的時間不能超出0.35h，三輥軸機組所需要的時間不能超出0.25h；從出料到完成鋪筑，滑模與軌道所需要的時間不能超過0.5h，三輥軸機組所需要的時間不能超出0.35h[7]。

其八，攤鋪時，不可由于拌和物干澀而私自加水，必要時可使用噴霧的方法避免其表面水分的大量蒸發。

4.3 抗滑溝槽

抗滑溝槽的制作方法以硬刻槽法為宜，也可使用滾式拉槽器進行制作。控制溝槽的深度3～5mm，相鄰兩個溝槽之間的距離則需按照30～50mm 進行控制。在施工中，要精確掌握制槽時間，在防止表面破損的同時，使構造深度滿足設計要求。

4.4 養護

與一般的混凝土相同，鋼纖維混凝土也需要通過薄膜覆蓋與灑水相結合的方法進行養護，養護的持續時間應達到7d 以上，但要注意不可圍水養護[8]。

5 結語

綜上所述，在道路橋梁施工過程中，通過對鋼纖維混凝土的合理應用，能有效改善混凝土的各項性能，延長道路橋梁的使用壽命。通過對上述施工要求的執行及對施工技術的應用，該工程不僅順利完成施工，而且取得了良好的效果，值得類似道路橋梁工程中的鋼纖維混凝土施工參考借鑒。