公路橋梁施工中鋼纖維混凝土技術的應用

劉 強

（甘肅第七建設集團股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

傳統公路橋梁都是以鋼筋混凝土為主要材料，雖然建造成效顯著，比較堅固耐用，但這類材料存在一定局限性，一旦使用不當，不僅容易影響生態環境，還極易引起裂縫等相關質量問題。鋼纖維混凝土技術作為一種新型施工材料，不僅成本投入低廉，制作過程簡單，對生態環境友好，還同時擁有良好的穩定性及強度，合理應用在路橋施工過程中，強化工程荷載與抗壓能力，再加上鋼纖維混凝土本身質量較輕，更有利于降低作業難度，提升作業效率。從目前關于路橋施工應用的研究現狀來看，整體成果較為豐富，基本總結出了一些應用策略，但時間相對久遠，且受到篇幅限制以及其他因素影響，研究并不深入。對此，重點以鋼纖維混凝土為核心，特別探究其在路橋施工中的應用策略具有一定現實意義。

1 鋼纖維混凝土施工技術簡析

1.1 主要類型

當前市場上的鋼纖維類型較多，按照制造方式的差異性，可以將其分為這幾種：①切斷型。重點是對表面實施變形處理，以優化力學性能，提升鋼纖維與砂漿之間的黏性。②剪切型。重點利用冷軋薄板根據相應的寬度與厚度進行剪切，使其與砂漿之間的黏性更為突出，效果要優于切斷型。③切削型。重點利用管鋼錠或者較厚的鋼板進行加工制作，不僅強度大，和漿料之間的黏性也更好。④熔抽型。其強度通常不確定，主要受熔鋼成分以及熱處理條件影響，并且氧化層的存在也降低了和漿料之間的黏性。

1.2 原料選用

在鋼纖維混凝土中，水泥是主要原料。對于公路橋梁工程而言，水泥應該優先選擇強度較高、惰性較小，抗凍能力和抗磨能力突出，一般以硅酸鹽水泥作為原料。水的使用以可飲用為標準，并通過水量與外摻劑控制強化材料強度和密實度。如果水灰比較低，需應用減水劑、塑化劑等進行調節；倘若完工日期緊迫，需利用早強劑進行控制；如果需要達到抗冷目的，需使用加氣劑調節。

1.3 作用機理

在工程建設過程中，鋼纖維主要是利用外力作用進行基體裂縫擴展限制。具體過程為：在材料承受荷載初期，水泥基料與鋼纖維共同承受一定外力，且水泥是外部力量的主要承擔者。但在基料產生裂縫之后，處于裂縫中的鋼纖維就開始成為外力的承擔者，如果鋼纖維體積摻量大于臨界值，材料繼續承受荷載的能力就會提升，并發生變形，整個過程依然會慢慢發生變化，一直到鋼纖維被完全拔出，材料整體被破壞。所以對鋼纖維混凝土而言，其性能主要受鋼纖維的種類、摻量，以及復合材料中的砂率、減水劑、摻合料等因素影響。其中鋼纖維的實際長徑與摻量是最核心的兩大影響因素。

1.4 性能特點

鋼纖維混凝土具有良好的強度和重量比值，抗壓和抗彎極限強度也比較突出。其中和常規混凝土相比，單軸抗拉極強度能提升40%～50%，抗彎極強度能提升50%～150%。另外，抗沖擊性能也比較高，當鋼纖維摻入量為0.8%～2.0%時，沖擊韌性指標能有效提升50～100倍，有時候甚至還能達到更高。這類材料變形性能改善也比較可觀，特別是能提升抗拉彈性模量，降低收縮率。除此之外，抗裂、抗疲勞、抗剪、抗凍、耐磨等性能都十分突出。

2 鋼纖維混凝土技術在路橋施工中的應用范圍

2.1 公路方面

2.1.1 路面鋪裝

將鋼纖維混凝土應用在路面鋪裝中，能有效減少鋪裝厚度，可以不設或者少設縱縫，橫向伸縮縫也會比較少，因此融凍性與耐磨性優勢突出，有利于提升路面使用壽命。目前主要被應用在這幾種情況中：①全截面路面。對于這種路面，其鋼纖維混凝土的使用厚度基本是傳統混凝土厚度的50%～60%，鋼纖維摻入量基本在0.8%～1.2%。如果是雙車道路面，通常不會設置縱縫。②復合式路面。這類路面可以設計成雙層或三層，前者是將路面結構分成底層與頂層，底層使用常規混凝土進行鋪裝，頂層則使用鋼纖維混凝土鋪裝，鋪裝量是常規混凝土鋪裝量的2/5～3/5。后者是指在路面鋪設過程中，將路面結構分為底層、中間層與頂層，底層與頂層都使用鋼纖維混凝土進行鋪裝，中間層使用傳統混凝土進行鋪裝。雙層結構路面整體成本投入較低，操作流程簡單；三層結構路面能更好地提升結構穩定性，減少路面裂縫問題產生，具體應根據施工特點和要求等進行合理選擇。

2.1.2 路面修復

公路在投入應用后，難免會因為各項因素影響，導致路面產生不規則凹陷或者裂縫等問題。為保證工程質量，還需及時進行問題修復，而鋼纖維混凝土正好是最佳的修復材料，能起到良好的加固作用。目前最常見的修復方式就是在破損路面上罩上一層鋼纖維混凝土，依路面破損程度從高到低可以分別采取三種方式：①結合式罩面。具體是將罩面層和路面舊的混凝土結合在一起，兩者形成新的路面結構。②直接式罩面。具體是指不將罩面和舊的混凝土結合起來，而是給兩者之間設置一道隔離層，相互獨立發揮作用。③分離式罩面。具體是直接在舊的混凝土路面上鋪筑一層罩面。實際應用時可以根據路面的破損程度合理選擇。

2.2 橋梁方面

鋼纖維混凝土在橋梁工程中的應用主要集中在橋面鋪裝、樁結構建設、橋梁墩臺加固以及邊坡與隧道的防護工作中，特別在橋面鋪裝中應用最為廣泛。

2.2.1 橋面鋪裝

在橋面鋪裝時通常可以采用較為常規的施工方式，并基于材料特點和要求進行。①拌和與運輸。鋼纖維通常體積密實，在進行拌和前，需要先進行分散，以避免產生結團問題，影響施工質量。一般鋼纖維混凝土攪拌工藝與所用機械息息相關，主要分為臥軸式攪拌機械拌和、自落式攪拌機械拌和、渦槳式攪拌機械拌和三種，各自入料順序等有所差異。實際運輸時要先對生產與澆筑進度進行協調，保障道路通暢，確保從拌和完成到壓送時間不超出60 min。②澆筑與養護。砂漿在到達澆筑點后需要馬上進行攤鋪，具體順序先板邊，再邊角，最后板中，攤鋪厚度也要加強控制，預留出約20%的沉降量，便于后續整平。振搗過程要堅持慢撥快插，避免發生空穴。養護時間通常要在7 d以上，如果漿料中加入了粉煤灰、緩凝劑等，必須確保養護14 d以上。當整體強度超過1.2 MPa時，才可以上人，如果是加入了外加劑，還需達到2.5 MPa。倘若在冬季施工，還需使用草墊保溫。③整平與切縫。振搗工作結束后，還需利用條夯將表面振平，再使用鋼滾筒整平。切縫工作必須及時展開，具體可以基于施工時的氣溫狀況以及鋼纖維混凝土強度確定，避免切縫過早。

2.2.2 局部加固

橋梁墩臺與橋面因長期載重，容易產生裂縫或表層疏松剝落現象，對此還需利用噴射機把鋼纖維混凝土均勻噴灑到病害位置。一般噴灑厚度可根據工程實際狀況控制在50～200 mm，以更好地提升結構抗震性。此外，還可以在混凝土中使用短鋼纖維，即剪切鋼纖維，比重大約是1∶100，同時再給材料中加入硫氯酸鹽快硬水泥和TS型快速凝結劑，最后再將材料均勻噴灑在病害位置，以達到提升抗裂性能的目的。在這一過程中，對病害位置先進行鑿毛或噴砂，可以使新舊混凝土得到更好的黏合，保證結構整體性。

2.2.3 上部承重

在施工過程中直接給橋梁上部承受荷載的位置使用鋼纖維混凝土，可以有效降低橋梁重量，改善橋梁受力狀況，有效控制變形問題。和常規混凝土技術相比較，鋼纖維混凝土的運用還能有效減少上部材料的使用量，使橋梁造型變得更為美觀，在降低成本投入的同時，保證工程經濟效益。

3 鋼纖維混凝土技術在公路橋梁中的應用要點

3.1 科學配比

在進行漿料配比時，應該先確定砂率，通常需要控制在38%～50%以內。此外，還需根據攪拌物的實際狀況確定卵石以及大直徑碎石的最大砂率。然后明確水灰比用量，具體先對常規混凝土抗彎曲以及抗拉伸強度進行計算，再結合路橋應用壽命設計最小水泥用量以及最大水灰比，從而計算出水量。同時，也需基于攪拌物坍落度進行水量計算。

3.2 材料拌和

因為鋼纖維直接投入攪拌機械內時會發生結團問題，為保證攪拌均勻，還要先進入分散設備進行內容物分散。投料順序與攪拌時間也需進行充分控制，即要先投入干料再投入濕料，先投入砂，再投入鋼纖維，然后投入碎石，最后投入水泥。材料投入后先干拌1 min左右，再根據實際情況注水和外加劑進行攪拌。攪拌機械通常以強制式和雙錐反轉出料式為主，一般要基于鋼纖維摻量和坍落度進行利用率調節，避免發生超負荷運載。

3.3 漿料運輸

在漿料運輸時，主要采務自卸車輛。由于在運輸過程中漿料受到震動，導致鋼纖維下沉，從而損失含氣量以及坍落度，給漿料均勻性帶來不良影響。所以還需盡可能縮短運輸時間與距離，并避免運輸過程污染漿料。通常運輸最大時長要以試驗所提供的水泥初凝時間和施工操作時間作為最大限度。

3.4 漿料澆筑

在漿料到達施工現場之前，需提前安裝好模板，后續倒入漿料后還應人工找平，避免漿料大范圍堆積。澆筑過程也要保持連續性，防止產生裂縫。

3.5 振搗攤鋪

振搗作業需要使用專項設備，攤鋪過程也要以具體厚度為準，倘若厚度在0.2 m之內，只需要攤鋪一次，振搗工作則在漿料不再下沉時停止。

3.6 抗折強度

通常每鋪筑400 m3鋼纖維混凝土后，需要制作兩組抗折試件，后續每增鋪1 000～2 000 m3漿料，則增做1組抗折試件。試件需要在現場以工程相同條件進行濕法養護，并測定7 d齡期試件強度，檢查其是否能夠超過28 d齡期強度的70%，倘若沒有達到要求，還需及時采取措施進行強度強化。

3.7 表層平整

對于路橋表面而言，受運營安全要求影響，整平后的面板表層1～3 cm深度內還需確保鋼纖維處在平面分布狀態中，堅決不出現翹頭、直立現象，避免后續磨損后刺扎車輛輪胎。其表層功能與傳統混凝土表層要求基本相同，即要耐磨損、抗滑等等。

3.8 表面處理

為避免鋼纖維外露問題產生，在整平前還需使用金屬滾輪或者其他設備，將已經直立外露的纖維壓入，在抹面與壓紋操作時也堅決不能將鋼纖維帶出。通常抹平需要在初凝前進行，主要使用壓輥、刷子等進行壓紋、拉毛。割槽時間也要進行合理控制，不能過早更不能過遲，通常在抹面后的12～48 h以內進行。

3.9 工程養護

與傳統混凝土參與的工程一樣，鋼纖維混凝土在施工結束后也要進行養護。開始養護時間一般是在抹面2 h之后，表層已經有一定硬度時。具體可以應用麻袋、草墊等覆蓋在表層，每日灑水多次，使其始終保持潮濕，具體養護時間必須超過7 d。或者可以應用不透水的薄膜覆蓋在表層，避免漿料中的水分過快蒸發，保證水化作用正常開展。

4 結束語

作為一種重要的水泥基復合料，鋼纖維混凝土目前在道路橋梁建設中已經得到了大量實踐應用，對于路橋使用性能、施工質量強化、工程造價完善等方面都具有十分極大優勢。從目前得到的實踐經驗來看，主要被應用在路面鋪筑、路面修復、橋面鋪筑、橋梁局部加固、橋梁上部承重等方面。具體開展時，應先掌握科學的材料配比，然后正確拌合，合理控制運輸時間與距離，并完善澆筑和振搗工作，測量抗折強度，加強表面修整和日常養護，以使該材料性能優勢得到最大限度發揮，促進路橋事業建設。