鋼纖維混凝土在公路工程中的應用研究

蓋騰

（石家莊市交投津石高速公路建設管理有限公司深正分公司，石家莊 050000）

1 引言

鋼纖維混凝土由于在混凝土中摻入鋼纖維材料，使其相對于普通混凝土來說，更具有抗裂、耐磨、抗凍融以及抗疲勞等優勢。在公路路面中若采用鋼纖維混凝土，充分利用鋼纖維混凝土的優勢，可使路面厚度以及路面鋼筋用量得到優化。綜合來說，公路路面采用鋼纖維混凝土，不僅節約鋼材，還可以保證公路工程質量。因此，在公路路面中采用鋼纖維混凝土，具有顯著優勢。

2 路面采用鋼纖維混凝土的優勢

混凝土中由于摻入了鋼纖維，當混凝土出現開裂后，橫跨裂縫的鋼纖維成為主要抵抗外力作用的承受者，抑制混凝土內部裂縫的繼續發展。鋼纖維混凝土與普通鋼筋混凝土相比，在力學和物理性能方面具有較大優勢。相關試驗結果比較詳見表1。

表1 鋼纖維混凝土和普通鋼筋混凝土性能比較匯總表

1）混凝土各項強度增大。混凝土中摻入鋼纖維，有效提高了混凝土強度，同時提高了抵抗外力的能力，如混凝土抗壓強度、抗剪強度和抗拉強度的提高，尤其是混凝土抗拉強度提高較為明顯，加入鋼纖維后的混凝土抗拉強度約提高25%～50%，這是鋼纖維混凝土在公路工程中得到應用的重要原因之一。

2）混凝土抗沖擊性能和抗裂性能得到提高。混凝土中摻入鋼纖維，由于鋼纖維自身優勢的抗裂性和韌性，提高了混凝土抗沖擊性能和抗裂性能。摻入鋼纖維后的混凝土，其抗沖擊性能可提高2～7 倍。另外，鋼纖維有利于限制混凝土內部裂縫的發展，鋼纖維混凝因此而具有較好的抗裂性能。

3）混凝土耐久性能得到提高。混凝土中摻入了鋼纖維，使得鋼纖維混凝土具有良好的耐久性能，如鋼纖維混凝土的耐凍融性、耐磨性以及耐腐蝕性。根據相關試驗結果表明，普通混凝土經過150 次凍融循環后，其抗壓強度會下降60%以上，而摻入鋼纖維后的混凝土，其抗壓強度僅下降20%。另外，鋼纖維混凝土具有較好的耐腐蝕性。普通混凝土在腐蝕性海水中，混凝土中的鋼筋會容易銹蝕，導致銹蝕層體積膨脹而脹裂混凝土。鋼纖維混凝土則只有表層鋼纖維出現銹斑，內部鋼纖維則未受腐蝕，充分表明了鋼纖維混凝土相比普通混凝土，具有更優的耐腐蝕性。

3 鋼纖維混凝土在公路工程中的應用

3.1 項目概況

某高速公路全長約100 km，道路設計為雙向4 車道，路面設計寬度為24 m，道路設計時速為100 km/h，路面設計荷載為汽車-超20，掛-120。結合該高速公路重要性，經研究決定，對該公路采用鋼纖維混凝土路面，抗拉強度要求達到5.5 MPa，抗壓強度≥40 MPa。

3.2 鋼纖維混凝土配合比設計

鋼纖維混凝土配合比設計應結合鋼纖維使用要求而選用合理的配合設計方案。

1）鋼纖維選取。綜合考慮各種類型鋼纖維性能，本項目最終選取剪切異形直紋鋼纖維，該類型鋼纖維規格為0.5 mm（長）×0.5 mm（寬）×25 mm（高），形狀為指紋形，密度為6.8 g/cm3，長徑比為50，抗拉強度要求達到600 MPa 以上。

2）水泥作為鋼纖維混凝土中重要的膠結材料，其質量選取尤為重要。通過綜合比較，結合強度要求，本項目水泥選取P·O42.5R。

3）粗集料作為構成鋼纖維混凝土的骨架材料，本項目所采用粗集料為碎石。結合相關試驗研究，鋼纖維混凝土所用粗集料粒徑適宜小于鋼纖維長度的2/3，由于本項目鋼纖維長度為25 mm，因此，粗集料粒徑尺寸宜選擇5～20 mm。結合相關研究成果，本項目碎石粒徑摻配比為：粒徑在9.5～19 mm 范圍的碎石占比約為60%，粒徑在2.36～4.75 mm 范圍的碎石占比約為40%。

4）細集料。細集料選取干凈的天然砂、機制砂或混合砂。鑒于砂的細度系數和混凝土和易性有著密切關系，而采用粗砂會較易在拌制混凝土過程中出現離析現象，而采用細砂會導致拌制混凝土時需水量較多，兩者均不利，因此，宜選取中粗砂，細度模數選用為2.5。

5）最佳配合比。選取合適的組成材料后，需要合理分配各組成材料用量，從而配制出性能優越的鋼纖維混凝土。本項目分別選取不同用量的水灰比、鋼纖維進配制鋼纖維混凝土，對其相關指標進行研究。不同用量水灰比對鋼纖維混凝土坍落度和抗壓強度影響見圖1～圖2 所示。圖1～圖2 表明，水灰比越大，鋼纖維混凝土坍落度越大，但抗壓強度隨之減小。綜合考慮，選取水灰比為0.43 時，鋼纖維混凝土的坍落度和抗壓強度較為合適。

圖1 不同水灰比與混凝土坍落度關系曲線

圖2 不同水灰比與混凝土抗壓強度關系曲線

鋼纖維體積率對鋼纖維混凝土的坍落度和抗壓強度影響如圖3～圖4 所示。圖3～圖4 表明，鋼纖維體積率越大，混凝土坍落度越小；當鋼纖維體積率在1.0%時，鋼纖維混凝土抗壓強度達到峰值。綜合考慮成本以及混凝土各項指標，鋼纖維體積率選取1.0%時較為合適。

圖4 不同鋼纖維體積率與混凝土抗壓強度關系曲線

3.3 鋼纖維混凝土施工要點

1）布料與攤鋪。鋼纖維在混凝土中的布料應當均勻分布而且連續摻入混凝土公路面板中，避免出現結團情況，可考慮采用分散機讓鋼纖維分散進攪拌機。其次，在試鋪時，應結合鋼纖維混凝土坍落度進行攤鋪。一般情況下，鋼纖維混凝土中由于摻入鋼纖維，在鋼纖維的頂托下，鋼纖維混凝土坍落度會比普通混凝土坍落度稍低。

2）振搗和整平。鋼纖維混凝土攤鋪后，應對其采取振搗密實處理。本工程下料后先采用插入式振動棒對混凝土采取初振，再采用平板振動器進行面層振搗，平板振動器采用大功率振動器，最后利用刮板進行收面高程控制。

因為鋼纖維混凝土流動性較差，可先采用振搗棒振搗密實邊角處，避免該區域產生蜂窩。振搗時間以混凝土停止下沉，而且不再冒出氣泡并泛出水泥漿為準。采用振搗棒振搗時，應當避免過振，同時禁止出現溝槽和空洞。振搗時應當按照統一方向振搗，在振搗過程中，發現有外露的鋼纖維，則應把豎起的鋼纖維及石子壓下去，平整后的鋼纖維混凝土路面以在面板表面以下10～30 mm 為宜，這樣可避免后期路面磨損導致鋼纖維外露而影響行車安全。

3）施工鋼纖維混凝土尤其注意控制好施工速度，避免施工過慢而導致鋼纖維混凝土已凝結但未平整完成。若施工速度較慢，則可考慮對混凝土采取噴霧方式處理，可有效防止鋼纖維混凝土表面的水分蒸發，但禁止隨意在混凝土拌和物中加水。

3.4 效益分析

1）經濟效益。本工程路面采用鋼纖維混凝土，路面厚度可減少1/2 以上，同時還節約了鋼筋、碎石和水泥等原材料和相應人工費用，鋼纖維混凝土單價比普通混凝土便宜約20%。同時由于采用鋼纖維混凝土后，路面抗沖擊能力和抗疲勞能力得到了提高，節省了后期公路路面養護維修費用。

2）社會效益。從工程竣工后近1 年的通車運營情況來看，采用鋼纖維混凝土鋪裝的橋面沒有出現明顯病害問題，而采用普通混凝土鋪裝的橋面干縮裂縫發育明顯，路面出現磨耗。

因此，公路采用鋼纖維混凝土路面與普通混凝土路面相比，具有顯著的經濟和社會效益。

4 結語

在混凝土中摻入鋼纖維后，其性能與普通混凝土相比得到顯著提高。本文系統地介紹了公路工程中采用鋼纖維混凝土的優勢，結合實際工程案例應用得到了以下結論：

1）鋼纖維混凝土對原材料質量要求較高，同時對混凝土配合比設計進行了研究，選取水灰比為0.43，鋼纖維體積率在1.0%時，鋼纖維混凝土各項指標均滿足設計要求。

2）通過對本公路工程采用鋼纖維混凝土后的經濟以及社會效益進行分析，得出公路采用鋼纖維混凝土路面具有顯著的經濟和社會效益，可在同類工程中推廣應用。