鋼纖維混凝土在橋梁伸縮縫中應用的研究

王應良

(安徽省交通航務工程有限公司 安徽 合肥 230000)

一、前言

在公路和城市道路路橋中，橋梁伸縮縫用于調節由車輛荷載和橋梁建筑材料所引起的結構間位移，是橋梁設計的重點。溫度變化、混凝土的徐變與收縮和各種荷載作用下所產生的橋梁撓度，使橋梁伸縮縫承受垂直、水平及旋轉變位，在拉力、剪力和扭矩作用下容易發生破壞。因此，防止橋梁伸縮縫混凝土破壞是一項重要研究課題。鋼纖維的表面具有干凈而粗糙的特點，這就使得粗纖維能夠牢固的結合混凝土中的水泥漿體。施工中，首先使短鋼纖維呈現亂向分布，繼而投放到普通混凝土當中，這樣做起到了有效控制混凝土內部微裂縫的擴展、預防宏觀裂縫的形成的作用，同時使得混凝土的抗疲勞性、抗彎性等性能得到了顯著提升，使混凝土具有較好的延性。如果將這種混凝土用在橋梁的伸縮縫方面，可以大幅延長橋梁伸縮縫的使用壽命。本文結合實際工程，對鋼纖維混凝土在橋梁伸縮縫的應用進行了探討，分析了其配合比設計，物理力學性能和施工工藝，為工程應用提供了設計參考。

二、鋼纖維混凝土的配合比設計計算

(一)鋼纖維摻量與單位體積用量確定

為了研究鋼纖維摻量對本批次試驗混凝土力學性能的影響，分別設置了鋼纖維體積率ρf為0.73%和1.0%情況下的鋼纖維混凝土配合比，以找到經濟高效的鋼纖維體積率參數。

各鋼纖維體積率參數對應的單位體積用量為：

F1=0.73%×7800kg/m3=57kg/m3

F2=1.0%×7800kg/m3=78kg/m3

(二)水灰比和單位體積水與水泥用量的確定

根據強度等級要求，本批次試驗水灰比W/C設置為0.4。綜合材料性能、ρf、W/C和坍落度等因素，確定本批次試驗的單位體積水用量W=220kg。單位體積水泥用量根據已知水灰比確定，所以水泥用量C=550kg。

(三)砂率與單位體積砂石用量的確定

砂率決定了骨料的總表面積大小，對混凝土的和易性有很大影響。本批次試驗采用碎石為粗骨料，為保證其流動性滿足要求，采用砂率βS為37%。

按鋼纖維體積率ρf大小分為三組，第一組不摻加鋼纖維，作為對照組，以探究鋼纖維混凝土與普通混凝土的力學性能差異。

由公式(1)、(2)、(3)確定砂石用量：

VS+G=1000-[W/ρW+C/ρC+Fi/ρF]

(1)

S=VS+G×βS×ρS

(2)

G=VS+G×(1-βS)×ρS

(3)

試中：VS+G表示砂石的總體積、S表示砂的質量、G表示石的質量，ρW、ρC、ρF和ρS分別表示水、水泥、鋼纖維和砂石的密度。

得到每立方米混凝土材料用量如表1所示：

表1 每立方米混凝土材料用量表/kg

三、鋼纖維混凝土力學性能研究

(一)抗壓性能研究

本批次試驗制備了100mm×100mm×100mm的非標準混凝土試件，將測得的抗壓強度乘換算系數0.9得到其標準抗壓強度。

立方體試件的標準抗壓強度計算公式為：

(4)

其中fc為標準抗壓強度，F為試件的破壞荷載，A為試件的受壓面積。

(二)抗拉性能研究

本批次試驗采用劈裂試驗測其抗拉強度，計算公式為：

(5)

其中ft為劈裂抗拉強度，P為試件的破壞荷載，A為試件的受壓面積。

(三)抗折性能研究

試件的抗折強度計算公式為：

(6)

其中ff為抗折強度，F為試件破壞荷載，l為兩端支座的距離，b為混凝土試件截面寬度，h為混凝土試件截面高度。

得到的混凝土力學性能如表2所示：

表2 不同鋼纖維摻量下的混凝土力學性能

根據實驗可以得出結論：鋼纖維混凝土與相同配合比的普通混凝土相比，其抗壓強度提高了2～20%，抗折強度提高了20～50%，劈裂抗拉強度提高了20～40%。鋼纖維摻量為0.7%的鋼纖維混凝土的物理力學性能完全可以滿足城市及道路工程技術指標。

四、鋼纖維混凝土應用于橋梁伸縮縫的施工工藝設計

(一)施工工藝流程設計

圖1 施工工藝流程

(二)混凝土澆注方案設計

混凝土澆筑之前的準備工作一定要做好，首先要有專人負責檢查模板是否牢固，確保無漏洞，而且檢查工作要細致，并且多做幾次，這樣就能有效避免因作業而產生漏漿等現象。

保證鋼纖維分布的均勻性以及結構的連續性是鋼纖維混凝土澆筑工作開展的一個重要前提，澆筑開始后，連續澆筑區域內施工時，不得有停頓或中止，澆筑過程需要一氣呵成，切忌中途加水。

將適量的水噴灑在縫區部分，澆筑宜按照以下順序開展，首先是澆筑異型鋼下面的混凝土，然后用振搗棒按照操作要求進行振搗，待振搗密實之后，刮平整混凝土的上表面即可。

(三)混凝土質量控制措施設計

要想把控好混凝土的質量，澆筑過程必須要嚴格把控。首先，振搗的時候要能夠做到振搗密實，異型鋼的底部要保證是實的。其次，對于兩側的混凝的的澆灌，務必做到及時、連續，杜絕出現混凝土分層現象。另外，要注意在施工中不要把混凝土撒的到處都是。

澆筑完成后，要對初凝的混凝土做覆膜和灑水處理，要做好混凝土覆蓋物的保濕工作，杜絕干燥。在混凝土養護期間，對周圍的交通要適當進行管控，防止行人踩踏或是車輛碾壓混凝土。

五、總結

鋼纖維混凝土與相同配合比的普通混凝土相比，其抗壓強度提高了2～20%，抗折強度提高了20～50%，劈裂抗拉強度提高了20～40%。鋼纖維摻量為0.7%的混凝土的物理力學性能完全可以滿足城市及道路工程技術指標，相比較鋼纖維摻量為1%的混凝土，其力學性能提升的幅度不是很大。因此，0.7%的摻量更符合經濟和便捷的要求。采用鋼纖維混凝土施工時特別要注意拌和時間，以保證鋼纖維分布的均勻性和連續性。