鋼纖維混凝土在橋面鋪裝中的應(yīng)用研究
2023-04-29 00:00:00陳曉暉廖成文
西部交通科技 2023年9期
基金項(xiàng)目：廣西科技項(xiàng)目計(jì)劃“馬灘紅水河特大橋高性能混凝土結(jié)構(gòu)安全關(guān)鍵技術(shù)”（編號(hào)：桂科AC16380109）
作者簡(jiǎn)介：陳曉暉（1971—），碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事道路橋梁專業(yè)教學(xué)工作。
摘要：文章對(duì)鋼纖維增強(qiáng)混凝土性能的基本原理、鋼纖維增強(qiáng)和增韌的臨界體積摻量、鋼纖維增強(qiáng)混凝土的彎曲剪切強(qiáng)度、鋼纖維混凝土的彎曲韌性等方面進(jìn)行了研究，并結(jié)合廣西來(lái)賓馬灘紅水河特大橋橋面鋪裝工程實(shí)例，驗(yàn)證了鋼纖維增強(qiáng)混凝土的應(yīng)用效果。
關(guān)鍵詞：鋼纖維；混凝土；橋面鋪裝；應(yīng)用
中圖分類號(hào)：U443.33
0 引言
鋼纖維混凝土的定義是把適量的鋼纖維摻入普通混凝土中組合而成的一種新型建筑材料。它所起的作用是在一定程度上提高普通混凝土的抗拉、抗彎、抗剪和抗扭強(qiáng)度，將其應(yīng)用在橋面鋪裝中，還具有抗疲勞、抗裂、抗沖擊、抗震及開裂后的高延性等優(yōu)點(diǎn)，在目前的橋梁建設(shè)，尤其是大型橋梁橋面鋪裝中的應(yīng)用比例逐步加大。
1 鋼纖維增強(qiáng)混凝土性能的基本原理
鋼纖維和混凝土的物理力學(xué)性能、兩者間的界面粘結(jié)強(qiáng)度，是影響鋼纖維混凝土性能的主要因素［1］。鋼纖維的抗拉強(qiáng)度比混凝土的抗拉強(qiáng)度大2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，鋼纖維斷裂時(shí)的伸長(zhǎng)也比混凝土的破壞變形更大，因而在遠(yuǎn)未達(dá)到鋼纖維的強(qiáng)度之前，混凝土就會(huì)開裂。鋼纖維的主要作用是抑制混凝土裂紋的擴(kuò)展，提高鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和破壞韌性［2］。另一方面，鋼纖維的彈性模量一般不超過(guò)混凝土的彈性模量的6倍，而且鋼纖維的體積份數(shù)很少，這意味著鋼纖維混凝土的彈性模量與混凝土基體的彈性模量差不多。鋼纖維發(fā)揮作用是通過(guò)應(yīng)力傳遞實(shí)現(xiàn)的，鋼纖維的彈性模量比混凝土的彈性模量大，因此，在外力作用下應(yīng)力從混凝土傳遞給鋼纖維。鋼纖維的強(qiáng)度或界面粘結(jié)強(qiáng)度控制著復(fù)合材料的最終破壞。鋼纖維的強(qiáng)度低而界面粘結(jié)良好時(shí)，復(fù)合材料的最終破壞由鋼纖維的拉斷控制；鋼纖維的強(qiáng)度較高而界面粘結(jié)強(qiáng)度較低時(shí)，復(fù)合材料的最終破壞受鋼纖維的拔斷控制。鋼纖維的基本配比、幾何特征、纖維摻量以及纖維在混凝土中的分布取向都影響著復(fù)合材料的性能。
（1）復(fù)合材料理論認(rèn)為：復(fù)合材料初裂抗拉強(qiáng)度的提高是由于加入了抗拉強(qiáng)度高的鋼纖維并且鋼纖維能與混凝土共同承受外荷載所致。鋼纖維的彈性模量大于混凝土的彈性模量，在變形相同的情況下，鋼纖維承擔(dān)了較高的應(yīng)力，故鋼纖維混凝土的初裂抗拉強(qiáng)度得到提高。
（2）纖維間距理論（又稱阻裂機(jī)理）認(rèn)為：鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度僅與纖維平均間距有關(guān)。纖維間距理論將鋼纖維解釋為混凝土裂縫的約束體是很有說(shuō)服力的，孔祥清等［3］的試驗(yàn)也確實(shí)表明，鋼纖維混凝土單向受拉破壞是斷裂破壞。然而，由于復(fù)合材料的組成及其所受的應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性，勢(shì)必造成在某些情況下纖維間距理論的不合理假設(shè)與試驗(yàn)結(jié)果相矛盾。用何橋敏等［4］的數(shù)據(jù)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)：如果保持鋼纖維含量相同，鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度還受纖維直徑的影響。何橋敏等［4］和吳林妹等［5］的試驗(yàn)表明：纖維含量不變時(shí)，即使改變纖維間距，鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度幾乎保持不變。
（3）目前的鋼纖維混凝土在理論上與試驗(yàn)數(shù)據(jù)還沒(méi)有達(dá)到完全一致，一致的分析認(rèn)為應(yīng)將復(fù)合材料理論、纖維間距理論和能量分析方法結(jié)合起來(lái)，若能徹底弄清破壞過(guò)程和本質(zhì)，這種結(jié)合可有望取得較大的進(jìn)展。本課題組也在積極研究中，并將研究成果應(yīng)用于廣西來(lái)賓馬灘紅水河特大橋工程，取得了良好的效果。
2 鋼纖維增強(qiáng)和增韌的臨界體積摻量
臨界體積摻量是鋼纖維開始在明顯增強(qiáng)作用的最小體積摻量，低于該摻量時(shí)鋼纖維沒(méi)有明顯增長(zhǎng)作用，高于該摻量時(shí)鋼纖維拔出破壞，增長(zhǎng)作用明顯。鋼纖維拔出破壞時(shí)，臨界摻量的絕對(duì)靜矩為：
式中：
|Sz|i——第i排鋼纖維拉斷時(shí)截面的絕對(duì)靜矩，按式（1）計(jì)算；
τcs——鋼纖維-混凝土的界面粘結(jié)強(qiáng)度；
ftc——混凝土的抗拉強(qiáng)度；
h0——鋼纖維混凝土初裂時(shí)的有效高度；
h——梁高度；
Gc——混凝土的剪切彈性模量；
G——鋼纖維混凝土的剪切彈性模量。
|Sz|c為混凝土的絕對(duì)靜矩，按式（2）計(jì)算：
當(dāng)鋼纖維拉斷破壞時(shí)，根據(jù)平衡關(guān)系即可求得鋼纖維的上限臨界體積摻量。鋼纖維拉斷破壞時(shí)，上限臨界摻量的絕對(duì)靜矩為：
式中：
fst——鋼纖維的抗拉強(qiáng)度；
fsf——鋼纖維混凝土的最大抗拉強(qiáng)度；
Gs——鋼纖維的剪切彈性模量。
計(jì)算結(jié)果表明：鋼纖維增強(qiáng)砂漿的臨界體積摻量為0.35%～0.40%，鋼纖維增強(qiáng)混凝土的臨界體積參數(shù)為0.5%～0.6%，基體的剪切彈性模量越高，臨界體積摻量越大。臨界體積摻量的計(jì)算結(jié)果與已有的試驗(yàn)結(jié)果完全相符。工程中應(yīng)用鋼纖維混凝土?xí)r，應(yīng)適當(dāng)增大砂率，鋼纖維的體積率應(yīng)超過(guò)臨界體積率才能有效發(fā)揮鋼纖維的增強(qiáng)作用。上限摻量受多種因素的影響，很難達(dá)到上限摻量，因此式（1）～（3）僅具有理論意義。
鋼纖維混凝土在橋面鋪裝中的應(yīng)用研究/陳曉暉，廖成文
3 鋼纖維增強(qiáng)混凝土的彎曲剪切強(qiáng)度
以基體彎拉強(qiáng)度為fw=6.0 MPa的混凝土為例，鋼纖維直徑為0.25 mm，長(zhǎng)徑比為100，研究鋼纖維摻量對(duì)混凝土彎拉強(qiáng)度和彎曲剪切強(qiáng)度的影響。混凝土的彎拉強(qiáng)度計(jì)算公式為：
則基體的彎曲破壞荷載為P=45 kN，彎曲剪切強(qiáng)度為τm=3.46 MPa。基體的彈性模量為40 GPa，泊松比為0.15，剪切彈性模量為17.40 GPa。
鋼纖維混凝土的計(jì)算臨界體積率為Vcr=0.5%，scr=4.879 mm。當(dāng)Vf≤Vcr時(shí)，混凝土開裂后裂縫快速擴(kuò)展到中性層，計(jì)算鋼纖維混凝土的強(qiáng)度取yi=13.8 scr；當(dāng)Vfgt;Vcr時(shí)，計(jì)算鋼纖維混凝土的強(qiáng)度取yi=13.8 s。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)Vf≤Vcr，彎曲剪切強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度均隨纖維摻量增大略有降低，與試驗(yàn)結(jié)果相符；當(dāng)Vf＞Vcr時(shí)，彎曲剪切強(qiáng)度和彎曲抗拉強(qiáng)度均隨鋼纖維摻量增大而快速增大，當(dāng)鋼纖維摻量由0.5%增大到1.0%和1.5%時(shí)，彎曲剪切強(qiáng)度（彎曲抗拉強(qiáng)度）分別提高到155%和195%。這個(gè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符（見圖1）。
4 鋼纖維混凝土的彎曲韌性
計(jì)算所用的基體和鋼纖維與上述情況相同，鋼纖維的體積摻量對(duì)彎曲韌性的影響如圖2所示。
由圖2可知，超過(guò)鋼纖維的臨界體積摻量后，鋼纖維混凝土的彎曲韌性隨著鋼纖維體積摻量的增大快速提高，當(dāng)鋼纖維體積摻量為1.5%時(shí)，彎曲韌性提高到基體混凝土的3.72倍。這個(gè)結(jié)論與已有的試驗(yàn)結(jié)果相符。
5 鋼纖維混凝土在馬灘紅水河特大橋橋面鋪裝中的應(yīng)用
馬灘紅水河特大橋橋面鋪裝層采用鋼纖維混凝土，厚160 mm，格子梁中局部厚度260 mm，設(shè)計(jì)采用50 kg/m3異型鋼纖維，0.8 kg/m3聚丙烯腈纖維，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40。
根據(jù)課題組的建議，將混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)提升到C50，采用鈣礬石類微膨脹劑補(bǔ)償收縮，膨脹劑用量為等量取代水泥10%；鋼纖維采用銑削型異型鋼纖維，等效直徑為0.2 mm，長(zhǎng)徑比為50，鋼纖維用量為50 kg/m3，體積摻量為Vf=0.64%。取消聚丙烯腈纖維，以改善混凝土的施工性能。
混凝土基體的抗彎強(qiáng)度為6.0 MPa，彎曲剪切強(qiáng)度為3.5 MPa，摻鋼纖維后混凝土的彎拉強(qiáng)度＞7.0 MPa，彎曲剪切強(qiáng)度＞4.0 MPa，彎曲韌性＞3.5 kJ，固相體積收縮率接近0。修改設(shè)計(jì)后在馬灘紅水河特大橋中得到應(yīng)用，彎曲剪切強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度提高約30%，彎曲韌性提高約60%。
馬灘紅水河特大橋應(yīng)用鋼纖維混凝土橋面鋪裝3 430 cm3，使用鋼纖維171.5 t，節(jié)約聚丙烯腈纖維2.744 t，增加膨脹劑用量170 t，在顯著提高混凝土彎曲強(qiáng)度和彎曲韌性、降低混凝土收縮的基礎(chǔ)上，降低成本約17.2萬(wàn)元。
6 結(jié)語(yǔ)
廣西來(lái)賓馬灘紅水河特大橋于2018年12月竣工，橋面鋪裝層至今沒(méi)有出現(xiàn)裂縫，實(shí)踐證明了鋼纖維混凝土在橋面鋪裝層中的應(yīng)用良好，也證明了本課題組在鋼纖維混凝土研究成果上的成功，為鋼纖維混凝土在理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的完善，以及在橋面鋪裝尤其是特大橋橋面鋪裝應(yīng)用上提供了參考借鑒。
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收稿日期：2023-04-08
