公路路面施工中鋼纖維混凝土技術(shù)的應(yīng)用

0 引言

在公路路面施工中，鋼纖維混凝土技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，憑借其較高的強(qiáng)度和較長(zhǎng)的使用壽命，受到了廣大施工單位的青睞[1。然而在實(shí)際應(yīng)用中，混合料配合比設(shè)計(jì)不合理的問題較為突出，導(dǎo)致混凝土流動(dòng)性不佳、鋼纖維易于折斷等情況頻發(fā)。這些問題嚴(yán)重影響了鋼纖維混凝土技術(shù)的應(yīng)用效果，因此，采用一種科學(xué)合理的配合比設(shè)計(jì)方案成為提升鋼纖維混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵所在。

1工程概況

某公路工程全長(zhǎng) 27.6m ，設(shè)計(jì)為雙向四車道，路基寬度 25m 。該項(xiàng)目主要建設(shè)內(nèi)容包括1座互通式立交、2座道路橋梁，施工涵蓋面層、底基層、隧道工程、土方工程、橋梁工程等，公路路面擬采用鋼纖維混凝土。本文將該項(xiàng)目的（ K160+000 至 K187+050 ）標(biāo)準(zhǔn)作為研究對(duì)象，圍繞公路路面鋼纖維混凝土的配合比設(shè)計(jì)及鋼纖維混凝土技術(shù)應(yīng)用流程進(jìn)行探討。

2鋼纖維混凝土原材料選擇

2.1 鋼纖維

在公路路面施工中，鋼纖維混凝土常用的鋼纖維原材料包括碳素鋼纖維、低合金鋼纖維、不銹鋼纖維等。鑒于本項(xiàng)目路面施工對(duì)鋼纖維有較高的防銹要求，經(jīng)綜合考量，選擇低合金鋼纖維作為混凝土原材料。同時(shí)，根據(jù)GB/T39147—2020《混凝土用鋼纖維》的要求，路面混凝土需采用異型鋼纖維。基于以上要求，最終選擇鋼纖維原材料為異型低合金鋼纖維作為本項(xiàng)目鋼纖維混凝土的原材料。鋼纖維原材料基本參數(shù)見表1。

表1鋼纖維原材料基本參數(shù)

2.2水泥

根據(jù)JTG/TF20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》和GB175—202《通用硅酸鹽水泥》3的相關(guān)規(guī)定，用于路面施工的水泥強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于 P. 032. 5^[2] 。為保障鋼纖維混凝土的凝結(jié)硬化速度與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，本文決定選擇P.042.5普通硅酸鹽水泥。水泥的主要性能見表2。

表2水泥的主要性能

2.3集料

粗集料選擇堅(jiān)硬、耐久的碎石，粗集料中破碎顆粒含量控制在 90% 以上，最大粒徑低于 31.5mm ，并提前將碎石篩分3～4個(gè)粒級(jí)，根據(jù)施工需求靈活選擇碎石。

細(xì)集料選擇強(qiáng)度大、耐久性好的天然河沙，集料中不能含有片狀顆粒或團(tuán)塊，不能存在其他可能影響混凝土性能的雜質(zhì)[3]。根據(jù)上述要求及本項(xiàng)目公路路面施工情況，本文確定的粗細(xì)集料基本參數(shù)分別見表3、表4。

2.4外加劑

在鋼纖維混凝土中使用外加劑，主要目的是改善混合料和易性，提高混合料強(qiáng)度并減少水泥用量。為滿足后續(xù)通過調(diào)節(jié)混合料水膠比與砂膠比來確定鋼纖維混凝土最佳配合比的試驗(yàn)需求，綜合考量各類外加劑性能，本文選擇聚羧酸系高性能減水劑。

表3粗集料基本參數(shù)

表4細(xì)集料基本參數(shù)

3鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)

3.1初始配合比設(shè)計(jì)

在鋼纖維混凝土的初始配合比設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)式（1）確定混凝土的抗壓強(qiáng)度：

式中： 混合料配置抗壓強(qiáng)度， f_fcu 混合料抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值， Z 為保證系數(shù)， σ₁ 為混合料抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差。

鋼纖維混凝土的水灰比可以根據(jù)普通混凝土抗壓強(qiáng)度及水泥強(qiáng)度等級(jí)確定，其計(jì)算公式為[4]：

f_ce=r_cf_cu

式中： α_a 和 α_b 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)， C/W 為混合料水灰比，r_c 為富余系數(shù)， f_ce 為水泥28d抗壓強(qiáng)度值， f_cu 為水泥標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度等級(jí)。本文確定的鋼纖維初始配合比見表5。

表5公路路面結(jié)構(gòu)鋼纖維混凝土初始配合比

3.2配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.2.1 試驗(yàn)思路

表6各組試件的水膠比和鋼纖維摻量

為確定鋼纖維混凝土的最佳配合比，在初始配合比的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)混凝土水膠比和鋼纖維摻量來確定最佳配合比。根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案，本次試驗(yàn)總共準(zhǔn)備5組試件，各組試件的水膠比和混凝土摻量見表6。

3.2.2水膠比確定

在鋼纖維混凝土初始配合比的基礎(chǔ)上，通過調(diào)劑混凝土水膠比制備了5組試件，分別測(cè)定鋼纖維混凝土的塌落度、密實(shí)度和7d抗壓強(qiáng)度。每組制備3份試件，分別計(jì)算各組試件的平均參數(shù)。不同水膠比下的鋼纖維混凝土性能見表7。

表7不同水膠比下鋼纖維混凝土的性能

根據(jù)表7統(tǒng)計(jì)結(jié)果，水膠比增長(zhǎng)與鋼纖維混凝土整體性能未呈顯著正相關(guān)。在5組試件中，鋼纖維混凝土塌落度隨著水膠比增大而上升，其中第 ③ 組試件的密實(shí)度和7d抗壓強(qiáng)度最高，所以選擇鋼纖維混凝土的水膠比為0.20。

3.2.3鋼纖維摻量確定

在確定混凝土水膠比的基礎(chǔ)上，按試驗(yàn)方案重新制備5組試件，通過調(diào)節(jié)鋼纖維摻量測(cè)定各組試件的力學(xué)性能。不同鋼纖維摻量下的混凝土性能見表8。

表8不同鋼纖維摻量下的混凝土性能

根據(jù)表8所示，在5組試件中，第 ④ 組試件的密實(shí)度、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及抗劈裂強(qiáng)度最高，所以本文最終選擇的鋼纖維摻量為 2.0% 0

4鋼纖維混凝土應(yīng)用要點(diǎn)

4.1 鋼纖維制備

鋼纖維的制備可采用冷拔法或鋼絲切斷法。冷拔法能保證鋼纖維表面的光滑程度，增強(qiáng)材料黏結(jié)強(qiáng)度；鋼絲切斷法則需使用沖床和切刀，可有效提升鋼纖維制備效率。本文選用的鋼纖維為異型低合金鋼纖維，在綜合考慮施工成本與耗材的條件下，選擇冷拔法和切斷法相結(jié)合的方式制作鋼纖維。同時(shí)嚴(yán)格按照原材料質(zhì)量要求，精準(zhǔn)控制鋼纖維的長(zhǎng)度、形狀、當(dāng)量直徑等參數(shù)，確保所有鋼纖維的抗拉強(qiáng)度均達(dá)到 1000MPa 以上。

4.2混凝土拌和

結(jié)合公路路面使用等級(jí)及預(yù)期交通荷載狀況，確定好面層厚度，并按設(shè)計(jì)要求采購(gòu)原材料。嚴(yán)格檢查水泥、鋼纖維、集料、外加劑等材料的質(zhì)量與性能后，依據(jù)施工規(guī)范在現(xiàn)場(chǎng)開展鋼纖維混凝土的拌合作業(yè)。鋼纖維混凝土的拌和方式與普通混凝土存在差異，要盡量避免拌和過程中出現(xiàn)鋼纖維結(jié)團(tuán)的情況，以保證鋼纖維均勻分布于混凝土內(nèi)部[5]。在鋼纖維混凝土拌和過程中，本文選用強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行拌和。將每次拌和量控制在攪拌機(jī)最大拌和量的 80% 以下，在此基礎(chǔ)上促使鋼纖維混凝土充分拌和，保證鋼纖維分布的均勻性。在拌和鋼纖維混凝土?xí)r，施工人員可先將 1/2 鋼纖維和石料進(jìn)行干拌，隨后依次添加砂、水泥和剩余鋼纖維。在充分拌和后，再按設(shè)計(jì)配合比加入水和減水劑等進(jìn)行濕拌，且總拌和時(shí)間應(yīng)略長(zhǎng)于普通混凝土拌和時(shí)間。

4.3混凝土運(yùn)輸

施工單位要注意防范運(yùn)輸過程可能對(duì)混凝土質(zhì)量造成的影響，既要預(yù)防漏料、漏漿等問題，也要避免因運(yùn)輸過程中車輛顛簸導(dǎo)致的混凝土離析。因此在運(yùn)輸鋼纖維混凝土前，施工單位要提前對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的道路進(jìn)行平整，盡量將拌和站設(shè)置在鄰近施工區(qū)域的位置，縮短運(yùn)輸距離。

4.4混凝土施工

4.4.1澆筑時(shí)間控制

表9混凝土澆筑施工的時(shí)間要求

在混凝土澆筑施工中，鋼纖維混凝土相較于普通混凝土，凝結(jié)與硬化速度快，對(duì)施工效率要求較高。因此需要嚴(yán)格把控好混凝土出料到澆筑結(jié)束的時(shí)間。混凝土澆筑施工的時(shí)間要求見表9。

4.4.2 混凝土澆筑

澆筑混凝土?xí)r，需嚴(yán)格檢查并控制模板的高度與位置。澆筑過程中，要不定時(shí)檢查混凝土澆筑剛度和基層標(biāo)高，定期檢查施工壓實(shí)度是否符合設(shè)計(jì)要求，只有在達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，方可繼續(xù)進(jìn)行混凝土澆筑作業(yè)。

在混凝土澆筑施工中，施工單位若使用緩凝劑延長(zhǎng)混凝土凝結(jié)時(shí)間，應(yīng)避免在混凝土干澀時(shí)直接加水，應(yīng)采用噴水方式濕潤(rùn)混凝土表面。在澆筑鋼纖維混凝土?xí)r，施工單位可以選擇壓實(shí)型振搗方式。當(dāng)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)密實(shí)度后，需對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼纖維分布均勻度進(jìn)行檢測(cè)，保證其符合設(shè)計(jì)要求。

4.4.3 路面整平

將鋼纖維混凝土振搗至無浮漿、無氣泡、振搗密實(shí)后，施工單位可采用三輥軸對(duì)路面進(jìn)行整平。為保證整平效果與效率，混凝土振搗與三輥軸整平作業(yè)間隔時(shí)間不超過15min，同時(shí)需預(yù)留足夠的機(jī)械作業(yè)空間。本項(xiàng)目路面整平采取前進(jìn)振動(dòng)和后退靜滾相結(jié)合的整平作業(yè)方式，作業(yè)次數(shù)為3次。此外，需安排技術(shù)人員精確控制填料高度，采用人工作業(yè)方式鏟除過高填料，并采用混凝土對(duì)輥軸下間隙進(jìn)行找平處理。

4.4.4路面精平

經(jīng)三輥軸整平后的路面，還需要進(jìn)行精平處理，以清除細(xì)小紋路，保證路面美觀度和平整性。在路面精平作業(yè)時(shí)，施工人員需使用刮尺刮除混凝土表面多余浮漿，再利用丁字型不銹鋼鋼管。由兩名施工人員在道路兩側(cè)利用手柄使用鋼管進(jìn)行刮平操作，之后采用圓盤式磨光機(jī)進(jìn)行細(xì)微整平。待混凝土路面強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，再采用磨光機(jī)對(duì)路面進(jìn)行抹平，清除路面存在的刮痕，確保公路表面的平整度和光潔度。

4.4.5 施工后處理

混凝土澆筑施工完成后，由于混凝土內(nèi)部含有大量鋼纖維，若按常規(guī)拉毛方式處理混凝土路面，可能導(dǎo)致大量鋼纖維被帶出，所以可以采用硬刻槽的方式在混凝土表面設(shè)置抗滑凹槽。施工時(shí)，需根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇合適的刻槽機(jī)型號(hào)及刻刀尺寸進(jìn)行橫向刻槽作業(yè)。由于公路工程在建成初期，路面所能承受的荷載有限，無法充分發(fā)揮出鋼纖維混凝土的力學(xué)性能，且在溫度應(yīng)力等因素的影響下，結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)部可能出現(xiàn)裂縫，所以在施工完成后需對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行切縫處理[。

5結(jié)束語

在采用鋼纖維混凝土技術(shù)時(shí)，施工單位需要嚴(yán)格把控混凝土原材料的質(zhì)量，選擇優(yōu)質(zhì)原材料，并在配制混凝土前要嚴(yán)格檢查原材料的性能參數(shù)。公路路面施工中，鋼纖維混凝土的性能直接決定了公路路面的性能和質(zhì)量。因此需根據(jù)鋼纖維混凝土的初始配合比，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和性能檢測(cè)，選擇最佳的混凝土水膠比和鋼纖維摻量，從而獲得鋼纖維混凝土的最佳配合比。

在公路路面施工中，鋼纖維混凝土技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)與普通混凝土技術(shù)存在差異。施工過程中，除嚴(yán)格控制混凝土的拌和、澆筑質(zhì)量外，還需重視養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)，規(guī)范開展刻槽、切縫等工作，以確保公路工程的施工質(zhì)量與耐久性。

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