鋼纖維混凝土在橋梁工程中的應用研究

張玉峰，程 麗

（云南省綜合交通發展中心，云南昆明 650031）

當前我國基建工程得到大力發展，作為跨越不利地形與障礙物的重要構筑物之一，橋梁建設項目方興未艾，極大地推動了我國交通路網的發展與完善。不同于常規構筑物，大跨度橋梁大多處于地形復雜的山區地帶，施工時受周邊不利環境的影響較大，如立于大峽谷之上的矮寨特大懸索橋、上跨四渡河的四渡河大橋以及處于海洋環境的港珠澳大橋等，由于長期露天服役、溫濕度變化大、受載工況不可控等，這些大型現代化橋梁的建設用材性能要求日益提高[1-2]，而傳統的鋼筋混凝土材料由于抗拉強度低、易銹蝕破壞等問題，越來越難以滿足橋梁建造或服役期間的性能要求，如高強度、抗開裂、耐腐蝕等。

鋼纖維混凝土作為一種新型建筑施工材料，近些年來發展迅速。與普通混凝土相比，鋼纖維混凝土不僅可以提高混凝土的抗拉性能和抗裂性能，且十分契合橋梁惡劣服役環境下的性能需求，如改善抗沖擊、抗斷裂韌性等，并有效避免循環載荷下的疲勞破壞，延長服役年限，保證橋梁的長期安全可靠[3]。基于橋梁工程中傳統混凝土的應用缺陷，本文就鋼纖維混凝土在橋梁工程中的相關應用進行總結，如橋面鋪裝、墩臺加固、樁基補強等，并針對存在的施工質量難控制、成本偏高以及回收利用不足等問題，提出了解決思路，以期進一步推動橋梁工程中鋼纖維混凝土的應用。

1 鋼纖維混凝土及其應用特性

鋼纖維混凝土是一種新型水泥基復合材料，通過在傳統混凝土基材中均勻摻入適量短鋼纖維制備形成，主要應用形式包括澆筑、灌漿或噴射等[4]。由于摻入了高強耐腐蝕的鋼纖維（如低碳鋼、玻璃鋼或不銹鋼），混凝土結構中細小裂縫的外延現象得到抑制，脆性破壞概率降低，韌性提高。同時，亂向分布的鋼纖維使得混凝土結構內部形成一種多向配筋的均勻加固體，其抗剪性、抗拉性及耐磨性等各項性能均有較大提升。

作為一類多相復合材料，鋼纖維混凝土適用于橋梁工程的應用特性主要有以下幾點。

（1）較好的抗壓、抗剪性能。在普通混凝土中摻入鋼纖維，雖然對抗壓強度的改善程度不大（僅提升約10%），但能使抗剪強度提高1/2~1倍[5]。由于混凝土本身的抗壓強度較高，在有效提高其抗剪強度后，能極好地契合橋梁工程由于大跨度設計形式而對材料抗剪強度要求較高的這一需求，在同樣設計要求下，能大幅減少橋面鋪裝層厚度，減薄幅度可達40%左右，不僅可降低橋梁自重，而且能減小初期投資。

（2）抗沖擊性能優良。在常規混凝土中摻入0.8%~2.0%的鋼纖維時，相比原混凝土，抗沖擊強度可提高50~100倍[6]，具有降低振幅、減小振動疲勞以及提高行車舒適性等特性。在同等動荷載作用下，鋼纖維混凝土引起的振動更小，如作為橋面鋪裝材料時，正常通車時引起的振動加速度可降低70%，而發生跳車時引起的振動加速度可降低50%。相比普通混凝土，鋼纖維混凝土能延長橋梁鋪裝路面服役年限，具有更好的應用優勢。

（3）較好的抗裂性能。在橋梁通車荷載作用下，普通混凝土構件一旦出現應力集中，極易由于鋼筋達到屈服極限而迅速開裂并發生破壞。而摻入鋼纖維后，其在混凝土基體中均勻分散時能起到橋接效應，纖維兩端分別扎根固定于微裂紋兩側，有效分擔鋼筋受到的拉應力，并與基體協同受力，緩解裂紋擴展。鋼纖維混凝土即使出現裂縫，也是細小、不連續的微裂縫，造成的裂損剝落現象較少，不影響結構的整體連續性，同時抗凍融破壞能力較強，能延長橋梁的服役年限。

2 基于橋梁工程的鋼纖維混凝土應用

2.1 在橋面鋪裝中的應用

在橋面鋪裝材料應用中，傳統的混凝土路面易受通車載荷作用、雨雪侵蝕及日夜溫差等影響而出現銹蝕、強度下降甚至開裂等，影響行車安全且維修成本高。而在橋面鋪裝時合理應用鋼纖維混凝土，則能加強橋面的整體強度，有助于橋梁運營的耐久性和穩定性。

危偉等[7]總結了鋼纖維混凝土在橋面鋪裝環節的施工要點，認為將鋼纖維混凝土作為鋪裝層能提高橋面的抗沖擊和抗磨性能，使建造后的路面更加經久耐磨，減小車輛振動與跳車現象，提高行車舒適度。同時，鋼纖維混凝土橋面抗剪性能較強，故可減小橋面鋪裝厚度，降低橋梁整體重量，節約原材料成本。對于橋梁而言，相比普通混凝土，使用相同體積的鋼纖維混凝土，橋梁的承重和延展性得到加強，受力狀態更優，大大提高了使用壽命和安全性。

牟廷敏等[8]為優化橋面鋪裝層材料選用，基于普通混凝土與鋼纖維混凝土兩種材料，分別設計了包括剪力件構造的2種橋面鋪裝方案，并建立模型開展相應的抗疲勞性能試驗。結果表明，相比普通混凝土+鋼筋網的鋪裝形式，鋼纖維混凝土結合剪力件的鋪裝方案具有更好的抗疲勞性能，在微裂縫限制效果方面更優，且可節約鋼筋網鋪設環節。

綜上可知，將鋼纖維混凝土作為橋梁鋪裝層材料，既能保證橋面良好的路用性能和行車舒適性，也能一定程度節約初期投資與后期維修成本。但目前，鋼纖維混凝土的橋面鋪裝工藝尚無具體規范可指導，質量控制存在隱患，未來尚需盡快出臺相關施工標準。

2.2 在橋梁上部結構中的應用

我國幅員遼闊，橋梁作為跨越河流或障礙物的有效形式得到了廣泛應用，但相當數量的橋梁建成年代較早，長時間服役后存在著銹蝕、開裂及變形移位等安全隱患，亟需采取加固措施進行結構補強，以延長其使用壽命。

橋梁梁體與墩臺之間在長期動載作用下會存在表層脫落或開裂破損現象，在工作面狹窄的條件下，通過噴射鋼纖維混凝土可較好地實現加固，提高結構強度和動載承受能力，改善結構的應用穩定性。如肖耀輝等[9]在某鐵路橋梁的墩臺補強加固中，針對墩臺滲漿嚴重、功能失效以及受載振動劇烈等現狀，考慮需要在不停運的基礎上開展加固搶修施工的實際情況，經多方案分析，最終將易于現場操作的噴射早強鋼纖維混凝土確定為加固措施，采取的主要技術措施為：在交通不中斷條件下，于既有墩臺外補充噴射鋼筋混凝土套箍，總厚30cm，其中14cm為鋼纖維混凝土；鋼纖維采用0.4mm×0.5mm×25mm的剪切鋼纖維，鋼纖維體積摻量為1.0%，采用轉子Ⅱ型噴射機噴射早強鋼纖維混凝土；為提高早期抗裂性能，噴射混凝土采用硫鋁酸鹽快硬水泥和TS型速凝劑。采用上述工藝進行加固后，橋墩橫向最大振幅由加固前的1.22mm下降至0.29mm，降幅達76%。運營三年后測試的振幅仍維持在加固后水平。

郭輝[10]對某懸鏈線箱形肋拱橋的拱頂截面應用鋼纖維混凝土進行施工，并對其抗拉強度進行了驗算，結果表明，采用鋼纖維混凝土作為主拱圈大大改善了拱式橋梁的受力性能，減輕了自重，較傳統的拱式橋梁可節省混凝土30%~40%，減少用鋼量15%~20%，下部墩臺圬工數量也相應減少，降低造價15%左右，具有顯著的社會效益和經濟效益。

2.3 在橋梁樁基礎施工中的應用

作為上部結構的受載基礎，橋梁樁基施工質量一定程度上決定了整個橋梁工程的建造品質與使用安全性。為彌補傳統混凝土的性能不足，可通過將鋼纖維混凝土應用于樁基結構實現性能強化。如用于樁尖，可以提高樁尖的穿透力，提高打樁效率；而將其應用于樁頂，可以有效提高樁頂的抗沖擊韌性及抗裂能力，避免預制樁體結構受損[11]。

在實踐應用中，考慮綜合造價及實施性價比等因素，一般不適合將鋼纖維混凝土完全替代常規混凝土進行樁基施工，但可選擇性地針對樁基重點部位采取鋼纖維混凝土進行局部強化。目前，鋼纖維混凝土在橋梁樁基中有兩種應用方式[12]：一是在樁基頂部或底部適當范圍采取鋼纖維混凝土進行灌注，其余樁身區域仍采用普通混凝土，縱筋仍按設計要求配置；二是在樁體全斷面整體灌注鋼纖維混凝土，取消鋼筋骨架綁扎環節，輔以樁中心處配置一根普通鋼筋，避免起吊時的脆性損壞。由于鋼纖維價格高，采用樁頂和樁尖部位配置鋼纖維混凝土的第一種方案，既能降低造價，也起到了改善抗沖擊性能的作用，因此應用更為廣泛。

西南交通大學的歐陽芳等[13]采用FLAC3D軟件對鋼纖維混凝土樁的承載性能進行了模擬分析，基于試驗得到的荷載-應變曲線和實測應變值，驗證了模型的正確性，并據此分析了樁體變形的影響因素，認為適當增大樁體摩擦角以及樁周土體的黏聚力均有助于減小樁體沉降量與變形壓縮量。該結論為鋼纖維混凝土樁的優化設計與應用提供了理論基礎。

在橋梁樁基應用方面，相比常規鋼筋混凝土灌注樁，盡管鋼纖維混凝土樁體的成本更低、抗沖擊性能更優，但作為一種預制樁體，鋼纖維混凝土樁的打樁效果受多方面因素影響，如鋼纖維種類與摻量、樁基所處的工程地質條件及制備工藝等，有必要進一步深入優化應用要素，保證鋼纖維混凝土樁體的承載力。

3 存在的不足及解決思路

鋼纖維混凝土具備優良的抗裂、耐腐蝕、耐磨及抗沖擊性等力學特性，在未來橋梁工程建設中具有很大的應用潛力[14]。但是，鋼纖維混凝土作為一種纖維增強型水泥基復合材料，其應用還存在一些問題和不足，尚需繼續研究和解決。

（1）施工質量較難控制。不同于實驗室，橋梁工程的現場施工環境復雜多變，受復雜地域環境影響，在制備、運輸或泵送施工過程中，鋼纖維混凝土內部情況可能會發生改變，如鋼纖維在混凝土內分布不均勻（發生團聚）、塌落度下降及含氣量改變等，最終造成鋼纖維混凝土材料性能下降。因此，對于鋼纖維混凝土，在生產和運輸過程中需要加強控制與管理，確保規范施工，同時還應深入探究保證鋼纖維均勻分布的措施及檢測技術。

（2）施工成本偏高。鋼纖維混凝土自重大，在生產中需要加入大量的鋼材，加大對鋼材的消耗，增加了工程建造的成本。這造成在施工過程中，大多數項目沒有足夠的資金使用昂貴的鋼纖維材料，導致鋼纖維混凝土在實際應用中受到較大限制。因此，未來需要進一步研究鋼纖維生產的低成本化，并合理地應用于需要加固或增強的結構部位，使更多的橋梁工程可以在預算范圍內應用鋼纖維混凝土。

（3）缺乏資源再生的研究。現今對鋼纖維材料的環保回收工作研究較為缺乏，如何“變廢為寶”，實現鋼纖維的可持續化利用既符合當前的“雙碳”倡議[15]，也利于鋼纖維混凝土的推廣應用。我國大型基建項目眾多，鋼纖維在橋梁工程中的應用具有獨特優勢，一旦實現鋼纖維材料的再生利用，將在降低施工成本的同時，極大程度減輕對環境的負面影響，現實意義巨大。

4 結束語

隨著我國基建工程建設的不斷發展，橋梁作為重要的地面障礙物跨越方案，深受工程師的青睞。鋼纖維混凝土擁有良好的力學性能、耐腐蝕性以及抗沖擊性，契合橋梁工程建設的復雜施工環境與惡劣服役環境要求，應用價值與潛力非常廣闊。在施工過程中合理運用鋼纖維混凝土技術，能夠提高生產效率并且保證施工質量。

本文就鋼纖維混凝土在橋面鋪裝、橋梁上部結構及樁基礎施工等方面的應用進行總結介紹，針對應用中存在的質量、成本及環境等問題，提出了對應的解決思路。未來尚需在充分認識鋼纖維混凝土優勢的同時把握好研究重點，使其在橋梁工程中得到更好的應用。