鋼纖維混凝土技術在公路橋梁施工中的應用分析

商國峰

（東營交通發展集團有限公司，山東東營257000）

1 工程概況

某市近年來交通運輸量不斷提升，轄區內道路橋梁車輛荷載不斷增加，考慮到交通運輸業的發展需求，計劃采用鋼纖維混凝土對轄區內多條道路以及橋面進行改造升級。項目選擇在某橋梁中段進行鋪設試驗，該橋全長90.5 m，寬度為10.0 m，上部結構為后張預應力空心板，下部結構為雙柱式橋墩，兩端為“U”形橋臺，護欄為鋼護欄。要求改造升級后的橋面抗壓強度在40 MPa以上，彎拉強度在5.5 MPa以上，最終將根據本次鋪設試驗結果決定是否采用鋼纖維混凝土對另一大橋橋面進行改造升級。

2 鋼纖維混凝土特點

鋼纖維混凝土作為一種新型材料，主要具備以下特點：（1）強度及重量比值較大。由于在混凝土中加入了鋼纖維，使基體混凝土可以更好地抵御外力作用，其強度及重量比值得到明顯增加。（2）抗剪性能、抗拉性能、抗彎性能及抗扭強度較好[1]。相關研究證明，在混凝土材料中加入約2%的鋼纖維，雖然其抗壓性能僅能提升約15%，但是其抗拉強度最高可以提升50%，抗彎強度最高可提升80%，抗剪強度最高可提升100%。（3）抗沖擊性能良好。抗沖擊性能指的是材料抵抗荷載或者沖擊作用的能力，鋼纖維混凝土相較于普通混凝土抗沖擊性能可以提升大約5倍，沖擊抗拉、抗彎等性能也能得到大幅提升。（4）收縮性能顯著改善。在常規鋼纖維摻量條件下，相較于普通混凝土鋼纖維混凝土材料的收縮值可以下降約8%。（5）鋼纖維混凝土的抗彎和抗壓疲勞性能相比普通混凝土有較大改善。當摻有1.5%鋼纖維抗彎疲勞壽命為1×106次時，應力比為0.68，而普通混凝土僅為0.51。當摻有2%鋼纖維混凝土抗壓疲勞壽命達2×106次時，應力比為0.92，而普通混凝土僅為0.56。

3 鋼纖維混凝土原材料性能要求及配合比設計

3.1 原材料性能要求

鋼纖維混凝土需要使用的原材料主要包括鋼纖維、水泥、粗骨料、細骨料、水以及外加劑。本項目中選用的鋼纖維材料規格為0.5 mm×0.5 mm×25 mm，密度為6.8 g/cm3，長徑比為50，其性能要求見表1。

表1 鋼纖維性能指標表

水泥材料作為鋼纖維混凝土的主要材料之一，利用水泥可以將粗骨料、細骨料以及鋼纖維凝結為一個整體，從而形成符合要求的鋼纖維混凝土。本項目中水泥材料選用的是P·O42.5R水泥，其性能見表2。

表2 水泥材料性能指標表

鋼纖維混凝土粗骨料一般多采用表面粗糙、棱角較多的碎石。同時鋼纖維混凝土對于粗骨料粒徑要求較為嚴格，一般不能超過鋼纖維粒徑的65%，最大粒徑不宜超過20 mm，否則會導致鋼纖維集中在粗骨料周圍，難以實現均勻分布，進而影響鋼纖維對基體混凝土的增強效果。本項目中采用的是本地區碎石，最小粒徑為4.75 mm，最大粒徑為19 mm。

鋼纖維混凝土中的細骨料應采用耐久性好、質地較為堅硬的機械砂、天然砂或者混合砂，其主要作用是填充粗骨料空隙，從而使水泥、粗骨料以及鋼纖維凝結為一個整體。本項目中采用的是附近的天然河砂。

本項目采用的水為飲用水，符合鋼纖維混凝土拌和要求。外加劑采用高效緩凝減水劑，以改善鋼纖維混凝土和易性，提升強度。

3.2 配合比設計特點

相較于普通混凝土配合比設計，鋼纖維混凝土配合比設計具有以下特點：

1）需要摻入一定量鋼纖維，以提高混凝土抗彎、抗拉、抗疲勞能力和韌性。因此，在配合比設計的強度控制方面，當有抗壓強度要求時，除按抗壓強度控制外，還應根據工程性質和要求，按彎拉強度控制，確定拌和料的配合比，以充分發揮鋼纖維混凝土的增強作用。

2）設計鋼纖維混凝土配合比時，必須考慮鋼纖維是否可以均勻分布，以充分發揮鋼纖維的強化作用。

3）摻入鋼纖維時，會影響混凝土的和易性，因此，在配合比設計上應適當增加水泥以及單位用水量。

3.3 配合比設計要求

鋼纖維混凝土配合比設計應滿足4項基本要求，具體如下：（1）配合比設計必須符合項目要求的耐久性以及強度；（2）配合比設計的和易性必須符合施工要求；（3）配合比設計要兼顧經濟性，合理控制成本；（4）配合比設計要最大限度發揮鋼纖維對基體混凝土的增強作用。

4 鋼纖維混凝土在道路橋梁施工中的應用

4.1 施工準備

施工準備環節的主要工作包括清理施工區域、布置鋼筋網、安裝模板以及綁扎鋼筋網。在正式施工前，需要做好以下準備工作：

1）對橋面進行全面檢查，檢查內容包括橋面是否清理干凈、焊接處理是否到位、鋼筋綁扎是否存在問題。

2）檢查施工設備器具，主要包括鋼纖維混凝土拌和設備、振搗設備、運輸車輛以及供電設備，確保各項設備器具性能優良。

3）對模板標高進行復核，確保與施工方案設計保持一致、檢查模板固定是否牢固，若發現問題要及時處理，以防在振搗過程中出現跑模或漏漿等情況，影響施工質量。考慮到本項目施工期在9月份，雷雨天氣較多，施工前還應準備好雨棚，以防突降暴雨[2]。

4.2 鋼纖維混凝土拌和、運輸

在施工過程中，鋼纖維混凝土拌和以及運輸都是影響施工質量的關鍵性因素之一。在本項目中，鋼纖維混凝土拌和設備采用雙臥軸強制式攪拌機，為確保鋼纖維均勻分布在基體混凝土中，避免拌和過程中出現結團情況，拌和時單次拌和量控制在攪拌機額定拌和量的80%以下，材料采用機械投放，投放順序如下：碎石、鋼纖維（50%）、砂、水泥、鋼纖維（50%）、水、高效緩凝減水劑。攪拌時間為：首次加入鋼纖維時拌和1 min，二次加入鋼纖維時拌和1 min，加入高效緩凝減水劑后拌和2 min，拌和總時長需要控制在6 min以內，一旦超拌可能會出現結團情況。

鋼纖維混凝土在運輸過程中必須確保不出現離析情況。在本項目中，攪拌機設置在橋頭位置（本項目屬于試驗性質，混凝土用量較小，因此，在施工現場完成拌和），距離施工區域較近，使用小型自卸四輪車運輸鋼纖維混凝土，要求車輛將鋼纖維混凝土運輸至澆筑施工區域卸料時，高度控制在1.5 m以下，避免鋼纖維混凝土出現離析情況。

4.3 鋼纖維混凝土澆筑、振搗

本項目中，鋼纖維混凝土澆筑施工采用三輥軸機組鋪筑工藝，施工流程為：布料—密集排振—拉桿安裝—補料—三輥軸整平。攤鋪系數約控制在1.2，攤鋪過程中嚴禁耬耙或拋擲，避免拌和物出現離析情況。攤鋪過程中如發現有結團情況，須人工將其撕開抖散，也可以直接將其剔除，避免出現蜂窩。需要注意的是，鋼纖維混凝土從運輸至施工現場到澆筑施工完成，整個過程應控制在40 min以內。

本項目中鋼纖維混凝土振搗采用的是平板振動器與插入式振動器配合的振搗方式，振搗過程中施工人員配合振搗作業對混凝土再次進行整平。需要注意的是，由于鋼纖維混凝土相較于普通混凝土流動性較差，邊角位置容易出現蜂窩，因此，振搗時可以先從邊角位置開始。鋼纖維混凝土振搗時間以其停止下沉、不冒氣泡、泛出水泥漿為準，應避免過振。

4.4 鋼纖維混凝土養護

由于本項目施工時間在9月份，氣溫相對較高，因此，采用濕法對鋼纖維混凝土進行養護。在鋼纖維混凝土終凝后，以土工布覆蓋混凝土面，同時間斷性地進行灑水作業，使鋼纖維混凝土表面保持一定濕度。本項目中鋼纖維混凝土養護周期為7 d，在養護期間該路段交通完全封閉，嚴禁車輛行人通過，待養護完成檢測橋面各項性能達到設計標準后方可開放交通[3]。

4.5 抗滑處理

路面抗滑處理一般多采用拉槽法、壓紋法以及刻紋法，考慮到本項目采用的是鋼纖維混凝土，采用拉槽法或者壓紋法無法達到橋面抗滑構造的深度要求，并且可能會帶出混凝土中的鋼纖維，因此，決定使用刻紋法。待鋼纖維混凝土達到設計強度的50%后，采用刻紋機沿橫向進行刻紋，刻紋深度為3 mm，刻紋間距為25 mm。對橋面進行刻紋后，能夠提升橋面摩阻系數，同時對于橋面干擾程度較小，并且可以防止混凝土中的鋼纖維被帶出，綜合施工效果良好。

4.6 橋面切縫

本項目采用的是縱向分幅的施工方式，因此，橋面可以不設縱向切縫，僅設橫向切縫即可。切縫間距為20 m，切縫寬度為5 mm，切縫深度為3 mm，要求切縫與護欄基礎位置的假縫保持對齊。切縫施工在鋼纖維混凝土強度達到15 MPa后進行，完成切縫施工后需要進行灌縫處理，灌縫材料選擇聚氨酯焦油。

5 結語

綜上所述，鋼纖維混凝土相較于普通混凝土具有明顯優勢，在道路橋梁工程施工中采用鋼纖維混凝土材料，可以顯著提升路面或橋面力學性能，有效延長道路橋梁使用壽命，保障交通運輸安全，綜合效益良好。