超高性能纖維混凝土在公路橋梁加固中的應用分析

周歡慶

摘要 超高性能纖維混凝土作為一種新型建筑材料，在公路橋梁加固中具有廣泛的應用前景。文章分析了超高性能纖維混凝土在公路橋梁加固應用中存在的問題，并提出了相應的優化措施。通過實例進行分析得出，在保持鋪設厚度不變的情況下，鋼纖維混凝土在跨徑10 m下加鋪層最佳的應力點是加鋪層長度50 cm，在跨徑20 m下加鋪層最佳的應力點是加鋪層長度75 cm，在跨徑30 m下加鋪層最佳的應力點是加鋪層長度100 cm，也就是說，加鋪長度隨著跨徑的增大而不斷增加；當鋼纖維混凝土在跨徑相同、加鋪層長度相同時，加鋪層對應的有效應力隨著加鋪層厚度的增加而逐漸減小；當鋼纖維混凝土在跨徑相同、加鋪層厚度相同時，有效應力隨著加鋪層長度的增加而逐漸變平緩且減小。

關鍵詞 纖維混凝土；橋梁加固；鋪設厚度；鋪設層長度；應力

中圖分類號 U445.72文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）08-0137-03

0 引言

公路橋梁作為交通基礎設施的重要組成部分，在長時間的使用過程中會受到各種力的作用導致結構損傷，需要進行加固維修。傳統的加固方法往往存在一些問題，如耐久性差、強度不足等，傳統的加固材料和方法在某些情況下已經顯示出滯后和不適用的問題，因此需要尋找更高性能、更具耐久性的加固材料[1]。超高性能纖維混凝土（UHPFRC）采用了水泥、粉煤灰、硅砂、鋼纖維，水膠比小于0.25，通過特殊配比和施工工藝制備而成，內部具有不連通孔結構，有很高抵抗氣、液體浸入的能力，與傳統混凝土和高性能混凝土（HPC）相比，耐久性可大幅提高，同時UHPFRC具有更高的抗壓強度、抗拉強度、抗凍融性能和優異的自修復性能和抗裂性能，UHPFRC以其優異的力學性能和耐久性，在公路橋梁加固中被廣泛研究和應用[2-3]。

1 超高性能纖維混凝土應用中的問題

1.1 裂縫及界面黏結問題

超高性能纖維混凝土具有優良的抗壓性能，但由于其抗拉強度相對較低，因此在受拉區域容易出現裂縫。這些裂縫可能會在梁板受荷時擴大，從而影響結構的整體性能和加固效果。同時，超高性能纖維混凝土與原構件之間的黏結界面是加固過程中的一個關鍵環節，但是界面黏結不牢固，會導致應力傳遞不連續，從而降低加固效果。

1.2 材料質量問題

超高性能纖維混凝土的性能與原材料的質量密切相關，由于原材料質量不穩定或存在缺陷，例如纖維分布不均勻、混凝土配合比不當等，會導致混凝土強度、耐久性等方面出現問題，從而影響加固效果[4]。

1.3 施工工藝及成本問題

超高性能纖維混凝土的施工工藝比較特殊，需要采用專門的施工設備和技術要求。如果施工工藝不正確或不規范，如澆筑方式不當、養護條件不合適等，會導致混凝土內部結構不均勻、強度不足等問題。同時，超高性能纖維混凝土相對于傳統的混凝土加固方法成本更高，因此會限制超高性能纖維混凝土在公路橋梁加固工程中的應用。

2 超高性能纖維混凝土在公路橋梁加固應用中的優化措施

2.1 優化受拉區裂縫及界面黏結

為了減少受拉區裂縫，必須在施工前對原構件進行詳細的結構分析，確定合理的加固方案。同時，可以在受拉區添加鋼絲和纖維等增強材料，提高混凝土的抗拉性能。另外，需要加強施工過程中的監控，及時發現并處理裂縫問題；針對已經產生的裂縫可以采用適當的表面處理技術，例如噴涂、貼布等，對已出現的裂縫進行修補。

為了增強界面黏結，對原構件表面進行鑿毛、清理干凈，使表面平整、無油污、無松散物。同時，選用適當的界面處理劑，例如混凝土界面劑、黏結劑等，增強界面黏結力。在施工過程中，嚴格控制混凝土的澆筑和養護，確保混凝土與原構件之間緊密貼合，加強施工過程中的監控，及時發現和處理界面黏結問題。

2.2 把控材料質量

首先，嚴格控制原材料的質量，選用質量穩定、符合要求的原材料，特別是一些材料的物理特性，常見的不同種類混凝土纖維材料的物理特性見表1[5]；其次，加強配合比設計，通過試驗確定最優的配合比方案；另外，加強生產過程中的質量控制，確保混凝土的質量穩定，并對進場的混凝土進行質量檢查，確保質量符合要求。

2.3 優化施工工藝及成本

為確保施工工藝的正確性和規范性，需要制定詳細的施工方案和技術要求，并且要加強施工人員的培訓和技術交底，提高施工技能和責任心。同時，可以采用噴射施工、模板施工等專門的施工設備和技術，確保混凝土的澆筑質量。并且加強施工過程中的質量檢查和驗收，及時發現和處理問題。

為了降低成本，可以優化施工工藝和配方，降低原材料和生產成本；采用國產原材料代替進口材料，降低采購成本；同時，在施工過程中加強工程管理和成本控制，避免浪費和不必要的開支。

3 超高性能纖維混凝土在公路橋梁加固應用優化措施的應用

3.1 項目概況

該研究選擇某高速公路上的一座公路橋梁作為案例進行超高性能纖維混凝土的應用分析和優化措施驗證。該橋梁使用年限已超過30年，結構存在一定的損傷，需要進行加固和修復。根據現場實際情況及實際方案分析，選擇鋼纖維混凝土來加固材料，現場原材料為工廠加工的干混成品，干混料采用噸袋包裝，每袋1 t，現場只需加水攪拌，其中混凝土配比中混合料∶鋼纖維∶水∶減水劑=52.5 kg∶2.5 kg∶3.45 kg∶0.60 kg，其他相關技術參數如表2所示。

3.2 超高性能纖維混凝土在公路橋梁加固技術措施分析

3.2.1 加鋪層長度的影響分析

為了分析超高性能纖維混凝土的應用效果和驗證優化措施，通過對該項目的施工及性能數據進行詳細分析。由于在主梁鋪裝行車荷載的作用下所產生的應力大小不清楚，因此，該工程采用有限元模擬的方法對鋼纖維混凝土加鋪層具體結構長度和厚度進行確定。在驗證時，主要將不同鋼纖維混凝土沿跨度方向長度、加鋪厚度、跨徑長度作為變量進行分析研究。在加鋪厚度一定，跨徑長度分別為10 m、20 m和30 m時，不同鋼纖維鋪設長度的應力分析如圖1～3所示。

從圖1中可以看出，鋼纖維混凝土各方向的應力隨著鋼纖維混凝土沿跨度方向長度的增加而逐漸減小。其中當鋼纖維混凝土沿跨度方向長度為50 cm時為各應力的分界點，當長度小于50 cm時，各應力降幅較快；當長度大于50 cm時，各應力降幅逐漸平緩，使得加鋪層長度即使增加對各混凝土加鋪層應力的影響程度相對較小，但是如果增加加鋪層長度會使得成本大幅增加，從使用性能方向考慮在跨度為10 m時加鋪層長度為50 cm是最理想的，并且在加鋪層長度為50 cm時加鋪層的有效應力為0.9 MPa，而鋼纖維混凝土的極限拉應力為3 MPa，此時有效應力遠小于鋼纖維混凝土的極限拉應力，符合設計要求。

從圖2中可以看出，鋼纖維混凝土各方向的應力隨著鋼纖維混凝土沿跨度方向長度的增加而逐漸減小。其中當鋼纖維混凝土沿跨度方向長度為75 cm時為各應力的分界點，當長度小于75 cm時，各應力降幅較快；當長度大于75 cm時，各應力降幅逐漸平緩，使得加鋪層長度即使增加對各混凝土加鋪層應力的影響程度相對較小，但是如果增加加鋪層長度會使得成本大幅增加，從使用性能方向考慮在跨度為20 m時加鋪層長度為75 cm是最理想的，并且在加鋪層長度為75 cm時加鋪層的有效應力為0.4 MPa，而鋼纖維混凝土的極限拉應力為3 MPa，此時有效應力遠小于鋼纖維混凝土的極限拉應力，符合設計要求。

從圖3中可以看出，鋼纖維混凝土各方向的應力隨著鋼纖維混凝土沿跨度方向長度的增加而逐漸減小。其中當鋼纖維混凝土沿跨度方向長度為100 cm時為各應力的分界點，當長度小于100 cm時，各應力降幅較快；當長度大于100 cm時，各應力降幅逐漸平緩，使得加鋪層長度即使增加對各混凝土加鋪層應力的影響程度相對較小，但是如果增加加鋪層長度會使得成本大幅增加，從使用性能方向考慮在跨度為30 m時加鋪層長度為100 cm是最理想的，并且在加鋪層長度為100 cm時加鋪層的有效應力為0.6 MPa，而鋼纖維混凝土的極限拉應力為3 MPa，此時有效應力遠小于鋼纖維混凝土的極限拉應力，符合設計要求。

3.2.2 加鋪層厚度的影響分析

保持跨徑不變，分別分析加鋪層長度為50 cm、75 cm和100 cm時鋪設厚度不同對加鋪層應力的影響，具體分析結果如圖4所示。

從圖4中可以得出，當鋼纖維混凝土在跨徑相同、加鋪層長度相同時，加鋪層對應的有效應力隨著加鋪層厚度的增加而逐漸減小；另外，當鋼纖維混凝土在跨徑相同、加鋪層厚度相同時，有效應力隨著加鋪層長度的增加而逐漸變平緩且減小。結合對加鋪層長度的影響分析得出，在加鋪層厚度一定、跨徑小于15 m時，加鋪層長度選用50 cm；在加鋪層厚度一定、跨徑大于15 m并小于25 m時，加鋪層長度選用75 cm；在加鋪層厚度一定、跨徑大于25 m時，加鋪層長度選用100 cm。

4 結論

超高性能纖維混凝土作為一種新型建筑材料，在公路橋梁加固中具有廣泛的應用前景。該文通過實例對超高性能纖維混凝土進行了分析，具體結論如下：

（1）在保持鋪設厚度不變的情況下，超高性能纖維混凝土在跨徑10 m下加鋪層最佳的應力點是加鋪層長度50 cm，在跨徑20 m下加鋪層最佳的應力點是加鋪層長度75 cm，在跨徑30 m下加鋪層最佳的應力點是加鋪層長度100 cm，也就是說，加鋪長度隨著跨徑的增大而不斷增加。

（2）當超高性能纖維混凝土在跨徑相同、加鋪層長度相同時，加鋪層對應的有效應力隨著加鋪層厚度的增加而逐漸減小；另外，當鋼纖維混凝土在跨徑相同、加鋪層厚度相同時，有效應力隨著加鋪層長度的增加而逐漸變平緩且減小。

（3）在加鋪層厚度一定、跨徑小于15 m時，加鋪層長度選用50 cm；在加鋪層厚度一定、跨徑大于15 m并小于25 m時，加鋪層長度選用75 cm；在加鋪層厚度一定、跨徑大于25 m時，加鋪層長度選用100 cm。

參考文獻

[1]王龍， 池寅， 徐禮華， 等. 混雜纖維超高性能混凝土力學性能尺寸效應[J]. 建筑材料學報， 2022（8）： 781-788.

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[3]張皓， 杜文風， 張帆. 面向3D打印的纖維混凝土材料的發展現狀[J]. 河南大學學報（自然科學版）， 2020（1）： 108-117.

[4]許秀穎， 賈影， 時國松. 超高性能纖維混凝土在公路橋梁加固中的應用分析[J]. 公路工程， 2020（4）： 92-95+135.

[5]陳寶春， 韋建剛， 蘇家戰， 等. 超高性能混凝土應用進展[J]. 建筑科學與工程學報， 2019（2）： 10-18.