鋼纖維混凝土配合比的設計與應用

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，從配合比設計、原材料的選用及施工工藝等方面進行闡述。

關鍵詞：鋼纖維混凝土；配合比；設計；應用

隨著國民經濟建設和公路交通事業的飛速發展，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，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。

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、橋面改建設計方案

3.1病害分析：

近年來交通量大且超重車輛多，原設計荷載等級為汽-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生的作用而出現損壞。砼風化嚴重，出現脫皮、開裂、滲水等病害，逐步發展成坑槽、坑洞。

3.2橋面結構設計

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，直徑為10mm圓鋼筋自行綁扎加工成鋼筋網片，縱橫間距為10cm×10cm（綁扎）。2、設計橫坡為1.0%。

四、鋼纖維混凝土配合比設計

（一）設計依據

（1）公路水泥混凝土路面設計規范（JTG D40—2003）

（2）公路水泥混凝土路面施工技術規范（JTG F30—2003）

（3）普通混凝土配合比設計規程（JGJ55-2000）

（4）公路工程集料試驗規程（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

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

碎石采用連續級配，技術等級不應低于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，技術等級為II級，細度模數為2.8，屬II區；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，按規范要求取剛纖維混凝土基體的水灰比的計算值與規定值兩者中的小值，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㎏，設計砼所處環境屬于經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計強度要求，但從設計強度上考慮，項目部決定采用水灰比為W/C=0.43的設計配比。

項目部在本橋的主橋上現澆了一塊于橋面鋪裝層同樣的鋼纖維混凝土與試驗室內試塊做為同樣對比，現取芯送檢做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。試驗室標準養護室內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。以上數據可以看出受橋面行車撓度及外觀的影響，現場強度要比試驗室內強度要低。

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，用土工布進行養生，養生期10d左右，待強度測試達設計要求時開放交通。

六、施工質量控制

施工前對各種原材料進行質量檢驗。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護。

七、結束語

（1）能有效控制路面裂縫，延長使用壽命，經濟效果顯著。

（2）加大縮縫間距，減少縮縫養護成本，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.鋼纖維混凝土設計與應用.中國建筑工業出版社，2003年

[2]中國工程建設標準化協會標準.鋼纖維混凝土結構設計與施工規程.北京：中國建筑工業出版社，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