橋梁施工中鋼纖維混凝土技術的應用分析

黃永智

【摘 要】文章介紹了鋼纖維混凝土的概念和工程特性，總結了該種材料在工程施工中的技術要點，如分散裝置設置、投料和攪拌、振搗和澆筑、接縫處理、摻量檢驗和養(yǎng)護等;歸納了鋼纖維混凝土在橋梁施工中的應用情況，如橋面鋪裝和橋體加固等;以桂林某橋梁工程為案例，分析了鋼纖維混凝土的工程特性與應用價值，并給出了提高鋼纖維強度的具體措施。

【關鍵詞】鋼纖維;混凝土;技術

【中圖分類號】U445.57 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）04-0179-03

0 引言

“十四五”期間，為助力我國經濟建設和現代化各領域的發(fā)展，交通設施的建設將進一步提速，而作為交通基礎設施的橋梁工程，無論是在數量和質量方面都有了更高的要求。近些年，隨著橋梁工程施工領域各項技術的不斷發(fā)展，施工的自動化和機械化程度也在提高，使得橋梁施工企業(yè)不斷朝著短工期、高質量、低成本的發(fā)展方向縱深邁進。混凝土是橋梁工程施工中常用的材料，其性能對橋梁工程的質量和安全具有重要影響，鑒于此，橋梁工程技術人員對混凝土特性展開了深入的研究。鋼纖維混凝土技術是伴隨著新的施工理念、施工設備和施工標準發(fā)展起來的，在回彈率、結構強度、結構韌性（抗拉、抗彎、抗剪性能）等方面具有很多優(yōu)點，其抗疲勞和抗腐蝕性能較好。鋼纖維混凝土材料的成本較低，屬于環(huán)保型施工材料。鋼纖維混凝土施工技術常用于橋面的鋪裝和橋體結構的加固中，工程效果十分顯著[1]。

1 鋼纖維混凝土的概念和工程特性

1.1 概念

鋼纖維混凝土是一種多相復合材料，即在普通的混凝土中摻入一定量的短鋼纖維而成，這些數量的短鋼纖維呈無序、雜亂分布，可在一定程度上防止混凝土內部和外部裂縫發(fā)生，有效地提高了混凝土的抗拉、抗彎和抗疲勞等性能，具有很強的延展性和抗沖擊性。

1.2 工程特性

鋼纖維混凝土的纖維體積率一般為1%～2%，相比普通混凝土，其抗拉強度提高50%以上，抗彎強度提升70%，抗剪強度提高60%左右，但抗壓強度提高幅度較小，一般在25%以內，抗壓韌性顯著提高。

在現代的施工工藝中，多使用濕噴鋼纖維混凝土，其鋼纖維長度一般為20～40 mm，厚度為0.5 mm左右。鋼纖維混凝土的工程特性如下：鋼纖維不發(fā)生回彈，或回彈率較低（5%～10%）;混凝土質量比較均勻，強度一般達55 MPa，在特殊情況下可達100 MPa或更高;粉塵少、污染小、作業(yè)安全;水灰比小、透水性低;不需要特殊防腐處理，自身具備一定的防腐蝕和防電解能力。

2 鋼纖維混凝土施工注意要點

2.1 鋼纖維分散裝置設置

鋼纖維混凝土在橋梁工程施工中使用時，應先設置鋼纖維分散裝置，這是主要技術措施之一，是保障鋼纖維混凝土工程性能在施工中有效發(fā)揮的關鍵，更是保障橋梁工程施工質量的重要環(huán)節(jié)。使用鋼纖維混凝土分散裝置，可以使鋼纖維的長度、尺寸等符合工程質量要求。分散裝置一般設置在攪拌機的上方，能夠實現全自動的無人值守鋼纖維分散模式，節(jié)省了大量的人力成本。

2.2 鋼纖維混凝土投料與攪拌

鋼纖維混凝土的投料與攪拌過程十分重要，為達到橋梁工程施工工藝標準要求，應嚴格規(guī)范投料與攪拌的具體流程。鋼纖維混凝土投料時的順序為先干后濕，即先投入干料再投入濕料，并且在這個過程中應注意分級投料，以避免鋼纖維發(fā)生固結等影響施工的情況，通常情況下的投料次序為砂、碎石、水泥、鋼纖維，投料完成后使用攪拌機進行充分攪拌，時間一般為2 min，此時加入水及其他外加劑，濕料的攪拌時間約1 min。應注意的問題是，為使鋼纖維制備質量符合施工要求，應選用合適的攪拌機，確保鋼纖維制備的效果最佳，應使用雙錐反轉式出料攪拌機進行攪拌，這種攪拌機能夠滿足特殊的工程質量需求，不具備此種攪拌機的施工企業(yè)，也可以使用強制式攪拌機代替，施工人員應根據施工現場的實際情況調整攪拌機工作時間，例如在鋼纖維含量較大且坍落度較小的情況時，應避免攪拌機長時間高負荷工作，以延長攪拌機的使用壽命[2]。

2.3 鋼纖維混凝土振搗和澆筑

鋼纖維混凝土在振搗和澆筑時應注意以下問題：？譹？訛澆筑接頭不宜明顯，否則會影響鋼纖維混凝土澆筑質量，為獲得具有較好整體性和連續(xù)性的鋼纖維混凝土，應控制好澆筑的速度和厚度。？譺？訛振搗時禁止使用插入式的振搗方法，否則會發(fā)生集束效應，應盡可能使鋼纖維集中在振動棒位置，以使鋼纖維混凝土具有較好的均勻性。？譻？訛為使鋼纖維混凝土具有更好的密實度并形成二維平面的分布方式，應使用平板振動器進行輔助振搗。？譼？訛鋼纖維混凝土呈不規(guī)則分布，可采用真空吸水法去除其中的氣泡，保證鋼纖維混凝土的質量。

2.4 鋼纖維混凝土接縫

鋼纖維混凝土具有較好的抗裂性及收縮性，在橋梁局部封閉式施工時，可使用混凝土攤鋪機進行整幅式處理，可不必設置縱縫，當強度達到標準（設計強度的50%）后可進行接縫切割。在非封閉式施工情況下，可能受到風、光、雨、熱等外界環(huán)境的影響，鋼纖維混凝土自身的延展性等也會發(fā)生細微的變化，因此可設置縱縫減弱鋼纖維混凝土的性能變化，當混凝土強度超過設計強度的50%后再進行切縫。

2.5 摻量檢驗和養(yǎng)護

鋼纖維的摻量應該在混凝土澆筑位置進行取樣檢驗，并且每個工作班時間內至少進行2次檢驗，每次取3份檢驗樣品，每份檢驗樣品為10 L。使用水洗法進行鋼纖維摻量的檢驗時，應將鋼纖維全部從混凝土中洗出，曬干后再進行稱重，并且單份樣品中的鋼纖維量誤差應控制在配比摻量的20%以內，3份以上樣品的鋼纖維量誤差應控制在配比摻量的5%以內。鋼纖維的混凝土表面濕潤時間應超過7 d且時間越長越好，其表面的養(yǎng)護材料可選用濕草袋。鋼纖維轉換梁在進行養(yǎng)護時應遮光、避雨、避風，因此應做好防光、防風和防雨措施，進行封閉式養(yǎng)護。鋼纖維轉換梁在進行拆模時應注意混凝土的強度是否滿足要求，一般在混凝土達到28 d的強度后進行拆模，在冬季施工時還應做好防寒、防凍措施[3]。

3 鋼纖維混凝土技術應用領域

隨著橋梁工程施工領域各方面技術的不斷進步，鋼纖維混凝土的應用空間也越來越廣闊，良好的工程特性使其可廣泛用于橋梁施工的各個環(huán)節(jié)，如橋面鋪裝、橋梁墩臺局部加固、橋梁上部結構加固、鋼筋混凝土樁加固等。

3.1 橋面鋪裝

鋼纖維混凝土具備多種優(yōu)良的工程特性，使得其在工程應用時可節(jié)省更多的材料，如使用鋼纖維混凝土進行橋面鋪裝時，橋面的厚度一般僅為普通混凝土厚度的一半。此外，鋼纖維混凝土橋面在抗裂、抗折和耐久等方面的性能也優(yōu)于普通混凝土橋面，并且對提高橋梁自身剛度、降低橋梁自重、優(yōu)化橋梁整體受力狀態(tài)、提高路面行車舒適度等方面都具有特殊的作用。鋼纖維混凝土用于橋面鋪裝時橋面通常做成雙層或者3層結構，在雙層鋼纖維混凝土橋面結構中，上層一般使用鋼纖維混凝土，而下層則多為普通混凝土，如橡膠瀝青混凝土等。在3層鋼纖維混凝土橋面結構中，上層和下層多使用鋼纖維混凝土，而中間層則使用普通混凝土。3層鋼纖維混凝土橋面結構一般較為復雜，施工難度很大，質量要求較為嚴格，多用于機械化、自動化施工水平較高的工程項目中。

3.2 橋梁墩臺局部加固

橋梁在長期的行車荷載作用下極易發(fā)生墩臺、橋面板裂縫現象，情況嚴重時還會引起墩臺、橋面板表層的脫落，為減少這種情況發(fā)生，應對橋梁墩臺等結構進行局部加固工作。可使用噴射機進行鋼纖維混凝土的噴射作業(yè)，噴射厚度設置為5～20 cm，這種厚度對提高橋梁整體的抗震性具有一定的作用。鋼纖維混凝土應使用摻量為1%的剪切鋼纖維，為增強結構早期抗裂性能，可使用硫鋁酸鹽速硬水泥和TS型速凝劑，在原有混凝土表面可局部鑿毛或噴涂鋼纖維混凝土，增強新舊混凝土之間的聯系性和整體性[4]。

3.3 橋梁上部結構加固

鋼纖維混凝土用于橋梁上部結構加固主要有兩種方法：一種是橋梁上部結構的主梁使用鋼纖維混凝土，另一種是在橋體應力較為集中的位置作局部加固，進而改善橋體結構的受力情況，控制橋梁結構形變并降低橋體結構自重，達到橋梁工程整體施工標準和使用要求。鋼纖維混凝土提高了橋梁結構整體性能的同時也增強了橋梁外觀的美感，從降低施工成本的角度出發(fā)，也可大大減少橋體上部結構材料的使用量，橋體上部結構材料用量的減少使得下部墩臺的數量也隨之減少，因此使用鋼纖維混凝土進行橋梁上部結構加固，在滿足特定情況下施工需求的同時，對降低工程成本、提高經濟效益也具有一定作用。

3.4 鋼筋混凝土樁加固

樁體在受到強大沖擊力情況下，各部分結構會發(fā)生不同程度的變化，其中樁頂部受到的沖擊力和破壞力最強，為有效避免樁頂部在錘入一定深度后發(fā)生破裂或折斷的情況，可使用鋼纖維混凝土對樁頂部進行加固，以增強樁頂部的抗擊穿能力，這對提高樁整體的結構強度也有一定的好處。

4 工程案例分析

4.1 工程概況

以廣西桂林市某大橋施工為例，該橋頭為軟土地基，粉噴樁處理，橋臺結合處路基和橋臺的剛度存在較大差異，通過測量發(fā)現，路基下沉量超出橋臺下沉量，為此計劃在橋臺和路基結合處架設搭板枕梁，橋面和搭板枕梁使用鋼纖維混凝土進行施工，防止發(fā)生橋頭跳車現象。鋼纖維混凝土的設強度等級為C40，抗折強度為7.2 MPa，稠度約40 mm，嚴格控制水泥用量（450 kg/m3以內）。

4.2 鋼纖維混凝土施工過程

4.2.1 施工材料的選用

首先，篩選鋼纖維材料。鋼纖維材料的力學特性應不低于常規(guī)類工程材料中一級碳素鋼特性的要求，鋼纖維長度、直徑等參數指標也應符合工程施工標準要求，鋼纖維太長或太短都會影響混凝土結構特性，例如直徑太粗會增加鋼纖維體積而影響美觀，鋼纖維直徑太細又容易折斷，因此應控制好鋼纖維長徑比。在詳細分析了以往施工經驗和相關工程資料后，擬選用揚州某化纖廠生產的鋼纖維（剪切型）作為施工材料，其長度為3 cm，抗拉強度可達400 MPa，等效直徑為0.5 mm。其次，選取水泥材料。本項目中擬使用普通的硅酸鹽水泥，外加粉煤灰作為水泥的礦物活性劑，細骨料砂的標準為不含氯鹽等相關成分，細度模數范圍為2.4～3.0，選用福建某廠商生產的河砂，這種河砂不含氯鹽和貝殼等不利成分，細度模數為3.0，各用料施工配比如下：水泥∶砂∶碎石∶粉煤灰∶鋼纖維∶水=1∶1.52∶2.65∶0.02∶0.23∶0.45，水泥用量為450 kg/m3，砂率為35.5，坍落度為40 mm，28 d抗壓強度為46.5 MPa，抗折強度為8.5 MPa。

4.2.2 具體施工過程

鋼纖維混凝土的具體施工過程包括投料、攪拌、運輸、振搗和澆筑、找平修整、養(yǎng)護及質量控制。各施工用料通過自動的稱重計量裝置進行投料，使用強制式攪拌機進行二次投料攪拌，記錄攪拌時間后發(fā)現，鋼纖維混凝土的攪拌時間比普通混凝土長3 min左右，鋼纖維使用機械裝置進行分散加入，使用自卸車進行運輸以確保鋼纖維混凝土在運輸過程中不會發(fā)生離析，振搗過程應保持均勻。在橋面和搭板枕梁施工過程中，應保證鋼纖維混凝土一次性澆筑完成。由于鋼纖維混凝土的流動性較差，很容易發(fā)生堆積成團的現象，因此需使用多點澆筑、連續(xù)澆筑的方式。完成澆筑后開始進行找平。在進行混凝土表面收光時，禁止拋撒水泥，可使用少量水泥砂灰代替，其中水泥∶砂為1∶15，最后進入鋼纖維混凝土的養(yǎng)護與質量控制環(huán)節(jié)，這個過程與普通混凝土方法一致。

4.3 鋼纖維混凝土應用效果

本工程案例在橋面和搭板枕梁的施工中使用了鋼纖維混凝土材料，旨在平衡橋臺結合處構件的剛度差異并提高橋梁整體結構強度。在完成鋼纖維混凝土養(yǎng)護和質量控制后，測量人員對橋臺結合處、橋面等部分進行實地檢測，檢測結果表明，應用鋼纖維混凝土材料后，橋臺結合處構件剛度差異性減弱效果明顯，橋面平整且富有韌性，能夠有效抵抗標準荷載車輛通行所引起的正常沖擊，橋梁整體結構穩(wěn)定性和強度等指標均符合工程施工標準和行車安全要求。同時，施工質量監(jiān)測人員計劃在半年后再次對該橋梁各部分進行檢測，檢測重點放在橋梁使用的耐久性和抗腐蝕性等方面，以進一步論證鋼纖維混凝土材料的實際應用效果。

5 鋼纖維強度的影響因素與改善措施

當前，國內外工程建設領域已廣泛而深入地展開了有關鋼纖維的理論研究，如纖維間距理論、微觀斷裂理論和復合材料理論等。結合大量的工程試驗與實際應用，有數據表明鋼纖維的強度主要與以下因素有關：基體強度（fm），鋼纖維黏結長度（長徑比：I/d，I代表鋼纖維長度，d代表鋼纖維直徑），鋼纖維體積率（鋼纖維所占混凝土總體積的百分數），鋼纖維和基體之間黏結強度（T）和基體中鋼纖維具體分布、取向（η），鋼纖維形狀，鋼纖維和基體之間摩擦阻力、咬合力。相關工程經驗表明，當鋼纖維混凝土受到破壞時，多數情況是鋼纖維被拔出而非拉斷，因此改善鋼纖維和基體之間黏結強度（T）是改善鋼纖維強度的核心措施。上述改善鋼纖維強度的理論依據可參考鋼纖維混凝土相關的抗拉強度設計公式，這里不再贅述。

6 結語

混凝土強度是評估一個國家工程建設水平的重要指標之一，雖然我國當前混凝土施工技術已實現了質的飛躍，無論是混凝土產量還是質量方面都取得了較大的進步，但是與國外發(fā)達國家相比仍存在一定的差距，在混凝土的強度、韌性及抗腐蝕性等方面，我國已進行了大量的實踐工作，并取得了豐富的研究成果，由我國自主研制并生產的鋼纖維制備一體化設備已出口東南亞等國家，相信在不久的未來，我國在鋼纖維混凝土施工技術領域的研究一定能實現更大范圍的突破，屆時鋼纖維混凝土技術也會有更廣闊的的應用空間。

參 考 文 獻

[1]孫虎.公路橋梁施工中鋼纖維混凝土技術的應用[J].四川建材，2021（12）：85-86.

[2]朱仕林.現代路橋施工中鋼纖維混凝土的施工技術分析[J].建筑與預算，2020（2）：64-66.

[3]朱威.道路橋梁施工中鋼纖維混凝土技術應用研究[J].建筑技術開發(fā)，2020（24）：34-35.

[4]韓景科.鋼纖維混凝土技術在道路橋梁施工中的應用新探[J].工程建設與設計，2020（5）：180-182.