鋼纖維混凝土在公路橋梁工程中的應用

陳 鋼

(廣西賀州市港達投資發展有限公司,廣西 賀州 542800)

0 引言

鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入隨機亂向分布的鋼纖維而形成的一種混凝土復合材料[1]。混凝土中的鋼纖維在混凝土基體和骨架間起傳遞荷載的橋梁作用,可使混凝土內部的應力場更加連續和均勻。同時,鋼纖維可有效減少混凝土內部微裂紋的產生,并阻礙微裂紋的擴展和宏觀裂縫的產生,能較好地保持混凝土被破壞時的完整性,提高混凝土的韌性。鋼纖維混凝土的抗壓、抗拉、抗彎、抗裂、韌性、抗沖擊、抗疲勞等性能較普通混凝土有顯著提高[2-6]。韓嶸等[7]的研究表明,鋼纖維的加入使混凝土的劈裂抗拉強度、軸心抗拉強度得到了顯著提高。鋼纖維加入混凝土不僅對混凝土的劈拉和抗折強度有顯著提高,還能減緩混凝土開裂[8]。潘慧敏等[9]的研究成果顯示,鋼纖維的摻入降低了混凝土的脆性,改善了混凝土的塑性特點,增強了其韌性,防止了混凝土結構的突然破壞,使混凝土在開裂后仍能承受荷載。鋼纖維混凝土強度的提升可為公路橋梁安全提供保障[10],同時也可以減少路面的澆筑厚度,減少混凝土以及鋼筋等材料的消耗量,節約大量物力財力。鋼纖維的加入還可提高鋼纖維混凝土的耐久性能,如耐磨性、抗裂性、抗沖擊性能和抗疲勞性能等。這些性能的提高可大大延長橋面、路面等結構的使用壽命,優化結構的整體性能。將鋼纖維混凝土應用于主要結構或應力集中區可以顯著提高結構的各項力學性能,減少結構的變形,有利于大跨度、輕型結構的發展。因其具有優越的力學性能,鋼纖維混凝土在公路工程、橋梁工程以及高層建筑結構中得到了廣泛應用[11],例如北京安慧立交橋、錢塘江大橋等橋面的鋪裝工程均采用了鋼纖維混凝土,使路面厚度減少了40%～60%[12]。本文對鋼纖維混凝土的最佳長徑比和最佳摻量進行研究,并結合工程實際分析其應用效益,為其他工程實際提供參考,推進鋼纖維混凝土在公路橋梁等工程中的應用。

1 工程概況

某高速公路設計要求的道路長度約為20 km,路面的設計寬度為22 m,道路為雙向四車道。考慮到該高速公路的重要性,研究后決定該公路采用鋼纖維混凝土路面,設計抗壓強度≥50 MPa,設計抗拉強度≥5 MPa。本文通過試驗研究分析了不同長徑比和不同含量的鋼纖維混凝土的性能,確定了路面、橋面鋪裝的鋼纖維最佳長徑比和最佳含量,選用了較好的配合比設計方法,并將設計得到的鋼纖維混凝土應用于工程實踐。

2 鋼纖維混凝土力學性能試驗

2.1 試驗材料及配合比

試驗材料的選用以及鋼纖維混凝土試件的制作參考標準《混凝土用鋼纖維》(YB/T151-2017)和《鋼纖維混凝土》(JG/T472-2015),標準規定鋼纖維混凝土中鋼纖維體積含量應在0.5%～2%,長徑比宜在40～100。鋼纖維體積摻量過大時,易發生結團,其和易性及強度會降低;鋼纖維長徑比過小時,其增強作用不大。所以設置鋼纖維體積摻量分別為0.5%、1%、1.5%、2%,長徑比分別為60、80、100,并設置空白對照組,每組三個試件,試驗共117個試件。

此試驗所用材料(見圖1)如下:

圖1 立方體試件的材料組成示意圖

(1)鋼纖維。鋼纖維選用工程用端勾鋼纖維,抗拉強度為1 250 MPa,纖維直徑為0.4 mm,長度分別為24 mm、32 mm、40 mm。

(2)水泥。結合工程實際要求,水泥選用廣西南寧生產的海螺牌42.5級普通硅酸鹽水泥。

(3)粗集料。選用粒徑為5～20 mm級配良好的碎石。

(4)細集料。選用細度模數為2.8的中粗砂。

林小松等[13]研究了鋼纖維混凝土配合比的二次合成方法,提出將鋼纖維混凝土分為由水泥漿包裹的鋼纖維和混凝土兩種組成成分,分別確定兩個組成成分的配合比,然后再合成得到鋼纖維混凝土的配合比。試驗結果表明,此種配合比方法能更好地發揮鋼纖維的增強作用,制作的鋼纖維混凝土性能較好。經計算和多次試配,當鋼纖維混凝土水膠比采用0.45時,鋼纖維混凝土的和易性較好。本文采用此方法設計配合比,如表1所示。

表1 鋼纖維混凝土配合比表

2.2 試件制作與養護

鋼纖維在使用前應放入分散機中,使其充分打散。在攪拌混合料時,使用雙錐翻轉出料攪拌機可以使鋼纖維和混凝土得到更充分的攪拌,減少鋼纖維結團。攪拌采用先干拌再濕拌的工藝。圖2所示為制作試件的詳細步驟。

圖2 鋼纖維混凝土試件制作步驟流程圖

2.3 試驗及結果分析

利用電液伺服萬能試驗機對得到的試件進行立方體抗壓強度試驗、劈拉強度試驗、抗彎強度試驗,結果如圖3所示。

(a)立方體抗壓強度試驗結果

由圖3可以看出,鋼纖維的加入提高了混凝土的立方體抗壓強度、劈拉強度、抗折強度。其中,對立方體抗壓強度的提升程度最小,為7.6%～27.1%;對抗折強度的提升程度最大,為35.7%～81.7%;對劈拉強度的提升程度為21.2%～70%。葉晟[14]的研究結果發現,冷軋鋼波浪剪切型短鋼纖維的加入最高使立方體抗壓強度提高了12%,使抗折強度提高了21.6%,劈拉強度提高了51.2%,而本文使用的鋼纖維對這三種強度的提升程度均大于其研究結果,說明本文使用的鋼纖維及制作工藝更好,將其應用于工程實踐,效果也將會更好。

由圖3可以看出,鋼纖維混凝土的立方體抗壓強度、劈拉強度、抗折強度隨著鋼纖維體積摻量的增大先增大后減小。其中,當鋼纖維摻量為1.5%時,混凝土的這三種強度均達到最大;當鋼纖維摻量增大到2%時,其強度反而降低。這是由于當鋼纖維摻量過大時,混凝土中的鋼纖維會結團,導致混凝土內部的初始缺陷增多,使其性能降低。鋼纖維的立方體抗壓強度、劈拉強度、抗折強度隨著鋼纖維長徑比的增大而逐漸增大。鋼纖維長徑比越大,鋼纖維的增強作用就越強,鋼纖維混凝土的強度的提升程度越大。在本研究中,當鋼纖維體積摻量為1.5%、長徑比為100、長度為40 mm時,鋼纖維混凝土的力學性能達到最佳,此時鋼纖維混凝土立方體抗壓強度和抗拉強度均滿足設計要求。

由圖3(d)可以看出,普通混凝土試件受壓破碎時,中部及四周全部破碎,而鋼纖維混凝土試件仍然能維持整體形狀的完整。由圖4可知,當混凝土試件達到峰值強度時,其抗壓承載力迅速下降,且殘余強度很小。而鋼纖維混凝土試件的應力-應變曲線的下降段與素混凝土的相比更加平緩,且其殘余強度比混凝土試件大得多,達20 MPa以上,試件開裂后仍能承受較大荷載。由此看出,鋼纖維混凝土具有較好的延性,破壞時仍可相對保持結構的完整性,承受荷載,避免像混凝土一樣的脆性破壞。

圖4 鋼纖維摻量為1.5%時鋼纖維混凝土與素混凝土的抗壓應力-應變曲線對比圖

3 鋼纖維混凝土在路面工程中的實際應用

3.1 用于路面施工的鋼纖維混凝土

根據以上試驗研究可知,當鋼纖維長徑比為100,鋼纖維體積摻量為1.5%時,鋼纖維混凝土的性能最好。當鋼纖維體積摻量為2%時,在制作鋼纖維混凝土的過程中出現了鋼纖維結團的現象,這不僅大大增加了將鋼纖維混凝土攪拌均勻的難度,也造成了混凝土強度的降低。綜上所述,宜選用長徑比為100、體積摻量為1.5%的鋼纖維應用于路面工程中。

3.2 施工技術要點分析

(1)檢驗鋼纖維摻量是否符合要求。在鋼纖維混凝土的澆筑地點取樣并采用水洗法檢測,且每一工作班的檢驗次數≥2次。檢驗具體操作為:取三組體積為10 L的樣品,洗出樣品中的鋼纖維,曬干后稱量。每組樣品測量得到的含量與配合比摻量的偏差要小于配合比摻量的20%,三組樣品測得的含量平均值與配合比摻量的偏差要小于配合比摻量的5%。

(2)鋼纖維混凝土在澆筑和攤鋪的施工過程中嚴禁加水,應盡量加快施工速度,以免鋼纖維混凝土因凝結過快造成攤鋪困難。在此過程中可對鋼纖維混凝土的表面噴霧,防止其水分蒸發。

(3)澆筑鋼纖維混凝土時,應選用振動臺或者表面振動器對其進行振搗,這項措施可有效避免在振搗過程中破壞纖維的形狀并可防止鋼纖維結團。同時,相比于普通混凝土應適當延長振動時間。

(4)為了保證路面的良好,抹平時應將混凝土表面外露出的鋼纖維壓入混凝土中,接著對表面進行抹平,以免外露的鋼纖維對后續施工產生影響。

3.3 應用效益分析

采用鋼纖維混凝土澆筑路面,相較于使用混凝土澆筑,路面的厚度減小了50%以上,大大節約了水泥、碎石、砂、鋼筋等原材料的使用。同時,施工周期大大縮短,人工成本減少,路面性價比大幅提升。

該工程采用鋼纖維混凝土,顯著增強了路面的抗沖擊、抗疲勞性能和耐久性,大大提高了工程質量,延長了工程的使用壽命,社會效益顯著。自鋼纖維混凝土路面投入使用之后,近一年未出現裂縫和破損等明顯病害,大大節省了公路路面的養護維修費用。

從該路面的建設和投入使用運營情況來看,其具有較好的經濟效益和使用性能。

4 結語

本文研究了應用于路面工程的鋼纖維混凝土的鋼纖維最佳體積摻量和最佳長徑比,并分析了其應用效果,結論如下:

(1)鋼纖維的加入對抗壓強度的增強作用最小,為7.6%～27.1%,對抗折強度的增強作用最大,為35.7%～81.7%,劈拉強度增長了21.2%～70%。本研究制得的鋼纖維混凝土的強度提升程度比部分學者的研究結果更大,說明本文提出的鋼纖維配合比二次合成法設計方法和制作工藝的效果較好。

(2)當鋼纖維體積摻量為0.5%～2%時,鋼纖維混凝土的抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度隨著鋼纖維體積摻量的增加先增大后減小,鋼纖維體積摻量為1.5%時,其抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度達到最大,故鋼纖維最佳體積摻量為1.5%。

(3)當鋼纖維長徑比為60～100時,鋼纖維混凝土的抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度隨著鋼纖維長徑比的增加逐漸增大。鋼纖維長徑比為100時性能最好。

(4)應用于該路面工程的鋼纖維混凝土的最佳鋼纖維體積摻量為1.5%,最佳鋼纖維長徑比為100,使用的配合比設計方法為二次合成法。將本研究設計的鋼纖維混凝土和施工工藝應用于路面工程中,可提高路面工程的質量,改善人們的使用體驗,大幅延長路面的使用壽命,節約大量建設費用和養護維修費用。綜上所述,該路面具有優秀的使用性能和經濟效益。