鋼纖維混凝土配合比的設(shè)計與應用

摘要：本文以G104線五河淮河大橋橋面維修工程C40鋼纖維混凝土配合比為例，對鋼纖維混凝土在橋面鋪裝的應用，從配合比設(shè)計、原材料的選用及施工工藝等方面進行闡述。

關(guān)鍵詞：鋼纖維混凝土；配合比；設(shè)計；應用

隨著國民經(jīng)濟建設(shè)和公路交通事業(yè)的飛速發(fā)展，城市道路和國道干線公路上的車輛荷載及密度越來越大，行駛速度越來越快，致使路面的損壞也日趨嚴重起來。特別是對損壞的橋面而言，它不僅翻修投資大，且施工周期較長，嚴重影響交通暢通及行車安全。如用普通水泥混凝土修復橋面缺陷是脆性大、易開裂、抗溫性差，板塊容易受彎折而產(chǎn)生斷裂，所以就要求橋面應有足夠的抗壓強度和厚度。

一、概述

五河淮河大橋1974年6月開始施工，1977年10月大橋全部竣工，淮河大橋全長1031.3m，由主橋、南、北引橋3部分組成，主橋為6孔預應力筋混凝土T型剛構(gòu)，其中4個主孔，每孔跨徑90m，2個過渡孔，每孔跨徑60m。南北引橋均為跨徑30m的預應力鋼筋混凝土簡支梁橋，其中南岸引橋8孔，北岸引橋10孔，另一孔為跨徑5.5m的簡支板梁式連接孔，具體跨徑組合為：5*30+1*5.5+5*30+1*60+4*90+1*60+8*30，臺背長2*2.9。以下結(jié)合五河淮河大橋橋面鋪裝鋼纖維混凝土的應用加以分析總結(jié)。

二、鋼纖維混凝土的特點

本標段鋼纖維混凝土采用的是由水泥、集料、粉煤灰、外加劑和隨機分布的短纖維摻配而成一種新型高強復合材料。摻加了泵送劑的鋼纖維混凝土在橋面施工中起到早強緩凝作用。與普通混凝土相比，其抗拉、抗彎、抗裂及耐磨、耐沖擊、耐疲勞、韌性等性能都有顯著提高，它不僅可使橋面減薄，縮縫間距加大，改善橋面的使用性能，延長橋面使用壽命，縮短施工工期。用鋼纖維混凝土修筑橋面，就是將鋼纖維均勻地分散于基體混凝土中（與混凝土一起攪拌），并通過分散的鋼纖維，減小因荷載在基體混凝土引起的細裂縫端部的應力集中，從而控制混凝土裂縫的擴展，提高整個復合材料的抗裂性。同時由于混凝土與鋼纖維接觸界面之間有很大的界面粘結(jié)力，因而可將外力傳到抗拉強度大、延伸率高的纖維上面，使鋼纖維混凝土作為一個均勻的整體抵抗外力的作用，顯著提高了混凝土原有的抗拉、抗彎強度和斷裂延伸率。

三、橋面改建設(shè)計方案

3.1病害分析：

近年來交通量大且超重車輛多，原設(shè)計荷載等級為汽-15，掛-80級，在承受超重荷載的情況下，變形大，導致橋面受拉而出現(xiàn)裂縫。橋面砼已達到其疲勞強度，抗壓和抗彎拉功能已大量喪失，無法承受外界荷載對其產(chǎn)生的作用而出現(xiàn)損壞。砼風化嚴重，出現(xiàn)脫皮、開裂、滲水等病害，逐步發(fā)展成坑槽、坑洞。

3.2橋面結(jié)構(gòu)設(shè)計

本次橋面鋪裝改造采用：1、雙鋼混凝土橋面鋪裝，即C40鋼纖維混凝土，鋼纖維用量70kg/m3，同時配置防裂鋼筋網(wǎng)，直徑為10mm圓鋼筋自行綁扎加工成鋼筋網(wǎng)片，縱橫間距為10cm×10cm（綁扎）。2、設(shè)計橫坡為1.0%。

四、鋼纖維混凝土配合比設(shè)計

（一）設(shè)計依據(jù)

（1）公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范（JTG D40—2003）

（2）公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范（JTG F30—2003）

（3）普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程（JGJ55-2000）

（4）公路工程集料試驗規(guī)程（JGJ E42—2005）

（5）硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥（GB175—1999）

（二）C40鋼纖維砼材料

水泥產(chǎn)地：蚌埠海螺、規(guī)格型號：P.O42.5級；碎石產(chǎn)地：安徽省泗縣、規(guī)格型號：4.75-26.0mm碎石；砂產(chǎn)地：安徽明光、規(guī)格型號：中粗砂；粉煤灰產(chǎn)地：河南永城、規(guī)格型號：IFA-I級；外加劑產(chǎn)地：南京、規(guī)格型號：UC-II高效泵送劑；鋼纖維產(chǎn)地：宜興市軍威、規(guī)格型號：波紋型DM-02；水：飲用水

碎石采用連續(xù)級配，技術(shù)等級不應低于II級，由于集料級配對混凝土的彎拉強影響很大，主要表現(xiàn)在振實后，集料能夠逐級密實填充，形成高彎拉強度所要求的嵌擠力，另一方面，集料級配對混凝土的干縮性為敏感，逐級密實填充的良好級配有利于減小混凝土的干縮；砂采用中粗砂，技術(shù)等級為II級，細度模數(shù)為2.8，屬II區(qū)；水泥采用散裝普通硅酸鹽42.5，各項指標送檢檢測均合格；粉煤灰符合I級粉煤灰指標要求；泵送劑、鋼纖維及拌和用水均送有質(zhì)資的檢測部門進行檢驗合格。

（三）計算初步配合比

1、計算砼的配置強度fcu，o設(shè)計要求砼強度fcu，k=40Mpa（標準差δ =6.0Mpa）

試配強度：fcu，o=fcu，k+1.645δ=40+1.645×6.0=49.87Mpa

2、計算水灰比W/C

計算水泥實際強度。采用海螺P.O42.5級普通硅酸鹽水泥fcu，k=42.5Mpa，水泥富余系數(shù)γ取1.13

水泥實際強度為：Fce=γ×fcu，k=1.13×42.5=48.03Mpa

3、計算砼水灰比：

砼的配置強度fcu，o=49.87Mpa，水泥強度fce=48.03Mpa，可查JTGF30—2003表5.0.4回歸系數(shù)aa、ab選用表：aa=0.46，ab=0.07；

W/C=（0.46×48.03）/（49.87+0.46×0.07×48.03）=0.43

耐久性校核。查 JTGF30—2003表4.2.2-2鋼纖維混凝土滿足耐久性要求最大水灰比0.44，按規(guī)范要求取剛纖維混凝土基體的水灰比的計算值與規(guī)定值兩者中的小值，取水灰比W/C=0.43。

4、確定用水量MWO

鋼纖維采用波紋型DM-02，厚×寬×長（mm）=0.5×0.5×32 長徑比為59，按設(shè)計文件要求的鋼纖維混凝土配合比選取每方混凝土鋼纖維用量為70kg/m3.

要求砼拌和物坍落度75-90mm。碎石最大粒徑為25mm，查表選用水量取MWO=205Kg

5、單位用水泥用量MCO

MWO=MWO/W/C=205/0.43=477㎏，設(shè)計砼所處環(huán)境屬于經(jīng)受凍害和除冰劑的鋼筋砼，查JTGF30—2003表4.0.4得最小水泥用量為320㎏/m3，按強度計算單位水泥用量為477㎏/m3，符合強度要求，故采用單位水泥用量為477㎏/m3。粉煤灰取代水泥率取10%（符合相應標準），超量系數(shù)取1.5，粉煤灰取70㎏，水泥取407㎏。

6、確定砂率βS：

集料采用碎石的最大粒徑為25mm水灰比W/C=0.43，查JTGF30—2003表4.0.2取砼砂率βS=38%

7、粗細集料單位用量（MsO、MgO）

假定每立方米砼重：2450㎏

MsO+MgO=2450-205-477=1768㎏

MsO=1768×38%=671㎏

MgO=1768-671=1097㎏

8、外加劑單位用量的確定

外加劑采用產(chǎn)地：南京UC-II高效泵送劑，添加用量為水泥用量的1.3%，即外加劑的單位用量為6.4㎏/m3。

9、每m3砼材料用量：

水：水泥：砂：碎石：粉煤灰：外加劑：鋼纖維=205㎏：407㎏：671㎏：1097㎏：70㎏：6.4kg：70kg=1：1.99：3.27：5.35：0.34：0.03：0.34

（四）驗證強度

為了驗證C40鋼纖維水泥砼的強度，擬定三個不同的配合比，其中一個為了按上述得出的基準配合比，另外兩個配合比的水灰比值，比基準的配合比分別增加、減少0.02。

通過對幾種不同水灰比的7天及28天強度來看，水灰比為W/C=0.41，7天平均抗壓強度達到53.5MPa，28天平均抗壓強度達到58.4Mpa，坍落度為90mm；水灰比為W/C=0.43，7天抗壓強度達到50.2MPa，28天抗壓強度達到57.4MPa，坍落度為110mm；水灰比為W/C=0.45，7天平均抗壓強度達到40.5MPa，28天平均抗壓強度達到48.5MPa，坍落度為130mm。以上幾種不同的水灰比強度都能達到設(shè)計強度要求，但從設(shè)計強度上考慮，項目部決定采用水灰比為W/C=0.43的設(shè)計配比。

項目部在本橋的主橋上現(xiàn)澆了一塊于橋面鋪裝層同樣的鋼纖維混凝土與試驗室內(nèi)試塊做為同樣對比，現(xiàn)取芯送檢做7天抗劈裂強度來看平均強度4.23Mpa，7天抗壓強度平均強度為41.1Mpa。試驗室標準養(yǎng)護室內(nèi)7天抗折強度為4.92Mpa，28天抗折強度為5.57Mpa，3天平均抗壓強度為41.1Mpa，7天抗壓強度平均強度為48.9Mpa，28天抗壓強度平均強度為59.0Mpa。以上數(shù)據(jù)可以看出受橋面行車撓度及外觀的影響，現(xiàn)場強度要比試驗室內(nèi)強度要低。

本次攪拌的為JD-1500型砼拌和機，運輸采用砼攪拌車進行運輸，設(shè)計的坍落度為120mm，通過對不摻加鋼纖維和摻加鋼纖維，兩種拌和出來的成品料，坍落度指標完全不同。試驗人員在攪拌站做出的坍落度和橋面上做出的坍落度相差為30-40mm。

五、施工工藝

在保證橋面車輛單向通行的前提下，所采取的半幅施工方法，先切割老橋面鋪裝層再進行人工破除，清理老橋面鋪裝層后，對橋面進行施工放樣測量，控制兩側(cè)伸縮縫高程。鋪筑厚度控制在邊口最薄處厚度在8cm以上。清理后進行植筋、綁扎鋼筋、立模完進行澆筑砼，用土工布進行養(yǎng)生，養(yǎng)生期10d左右，待強度測試達設(shè)計要求時開放交通。

六、施工質(zhì)量控制

施工前對各種原材料進行質(zhì)量檢驗。在施工過程中，應檢查鋼纖維混凝土的配合比是否符合設(shè)計要求，尤其是對鋼纖維混凝土攪拌時的投料順序、拌和時間，以及鋼纖維混凝土澆筑過程中攤鋪和振搗質(zhì)量進行有效控制，確保鋼纖維在混凝土中分布均勻，達到良好的力學性能。按施工規(guī)范要求對每一工作日澆筑的混凝土制作抗壓試件。與普通混凝土一樣，鋼纖維混凝土也應加強早期養(yǎng)護。

七、結(jié)束語

（1）能有效控制路面裂縫，延長使用壽命，經(jīng)濟效果顯著。

（2）加大縮縫間距，減少縮縫養(yǎng)護成本，提高行車舒適性。

（3）鋼纖維混凝土面層厚度可比普通混凝土減少30%～50%，有效縮短施工工期。

（4）早期強度高，對橋面修復改建可提前開放交通。

（5）粘聚性、和易性特別好。

參考文獻：

[1]高丹盈、趙軍.鋼纖維混凝土設(shè)計與應用.中國建筑工業(yè)出版社，2003年

[2]中國工程建設(shè)標準化協(xié)會標準.鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1992年

[3]林小松.鋼纖維高強與超高強混凝土.科學出版社.2005年