鋼纖維混凝土材料在舊混凝土路面修補工程中的應(yīng)用

摘要：

    介紹了鋼纖維混凝土材料在舊混凝土路面修補的情況，并在分析配比試驗強度的基礎(chǔ)上，通過某工程實例，證實鋼纖維混凝土實際應(yīng)用于舊混凝土路面修補工程的可行性。鋼纖維混凝土是一種性能優(yōu)良的新型復(fù)合材料。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，它不僅可使面層減薄，縮縫間距加大，改善路面的使用性能，延長路面使用壽命，而且還可節(jié)省工程造價，縮短施工工期。


關(guān)鍵詞：鋼纖維混凝土；普通混凝土；舊混凝土路面；修補工程；應(yīng)用

　隨著國民經(jīng)濟建設(shè)和公路交通事業(yè)的飛速發(fā)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(yán)重起來。特別是對損壞的水泥混凝土路面而言，它不僅翻修投資大，且施工周期較長，嚴(yán)重影響交通暢通及行車安全。如用普通水泥混凝土修復(fù)路面雖有強度高，板塊性好，有一定的抗磨性及承受氣象作用的耐久性好等特點，但它的最大缺陷是脆性大、易開裂、抗溫性差，路面板塊容易受彎折而產(chǎn)生斷裂，所以就要求路面面板應(yīng)有足夠的抗彎、抗拉強度和厚度。用鋼纖維混凝土修筑路面，就是意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(xì)裂縫端部的應(yīng)力集中，從而控制混凝土裂縫的擴展，提高整個復(fù)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(jié)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。特別是提高了混凝土的韌性和抗沖擊性。實踐證明，采用鋼纖維混凝土這一新型高強復(fù)合材料對路面修理，既可提高路面的抗裂性、抗彎曲、耐沖擊和耐疲勞性，而且可改善路面的使用性能，延長使用壽命從而減少老路開挖，對節(jié)省工程造價等具有重要的經(jīng)濟效益和社會效益；為提高道路補強與改造提供了良好的途徑。


1　基本要求
1．1　鋼纖維混凝土材料
    鋼纖維混凝土就是在一般普通混凝土中摻配一定數(shù)量的短而細(xì)的鋼纖維所組成的一種新型高強復(fù)合材料。由于鋼纖維阻滯基體混凝土裂縫的產(chǎn)生，不但具有普通混凝土的優(yōu)良性能，而且具有良好的抗折、抗沖擊、抗疲勞以及收縮率小、韌性好、耐磨耗能力強等特性?？墒孤访婧穸葴p薄50％以上，縮縫間距可增至15m～30m，不用設(shè)脹縫和縱縫。鋼纖維混凝土用鋼纖維類型有圓直型、熔抽型和剪切型鋼纖維。其長度分為各種不同規(guī)格，最佳長徑比為40～70，截面直徑在0．4mm～0．7mm范圍內(nèi)，抗拉強度不低于380MPa。在施工時鋼纖維在混凝土中的摻入量為1．0％～2．0％（體積比），但最大摻量不宜超過2．0％。水泥采用425?！?25＃普通硅酸鹽水泥，以保證混合料具有較高的強度和耐磨性能。鋼纖維混凝土用的粗骨料最大粒徑為鋼纖維長度的2?3。不宜大于20mm。
    細(xì)集料采用中粗砂，平均粒徑0．35mm～0．45mm，松裝密度1．37g/cm3。
    砂率采用45％～50％。


1．2　鋼纖維混凝土配合比
    鋼纖維混凝土混合料配合比的要求首先應(yīng)使路面厚度減薄，其次是保證鋼纖維混凝土有較高的抗彎強度，以滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計對強度等級的要求即抗壓強度與抗折強度，以及施工的和易性。鋼纖維混凝土配合比設(shè)計基本按以下步驟進行。
（1）根據(jù)強度設(shè)計值以及施工配制強度提高系數(shù)，確定試配抗壓強度與抗折強度；鋼纖維混凝土抗折強度設(shè)計值的確定：
fftm＝ftm（1＋atmPfLf/df）
式中　fftm———鋼纖維混凝土抗折強度設(shè)計值；
ftm———與鋼纖維混凝土具有相同的配合材料、水灰比和相近稠度的素混凝土的抗折強度設(shè)計值；
atm———鋼纖維對抗折強度的影響系數(shù)（試驗確定）；
Pf———鋼纖維體積率，％；
Lf/df———鋼纖維長徑比，當(dāng)ftm＜6．0N/mm2時，可按表1采用。
（2）根據(jù)試配抗壓強度計算水灰比；
（3）根據(jù)試配抗壓強度，確定鋼纖維體積率，一般澆筑成型的結(jié)構(gòu)范圍在0．5％～2．0％之間；
（4）按照施工要求的稠度確定單位體積用水量，參照表2；
（5）確定砂率，見表3；
（6）計算混合材料用量，確定試配配合比；
（7）按照試配配合比進行拌合物性能試驗，調(diào)整單位體積用水量和砂率，確定強度試驗用基準(zhǔn)配合比；
（8）根據(jù)強度試驗結(jié)果調(diào)整水灰比和鋼纖維體積率，確定施工配合比。
　　試驗結(jié)果表明，在經(jīng)驗和計算的基礎(chǔ)上確定水泥用量、砂率及水灰比，并根據(jù)不同配比時的鋼纖維混凝土強度進行試驗（見表4），當(dāng)水泥用量在380kg?m3～400kg?m3時強度較高，但此時砂率較小，砂石中有分離現(xiàn)象。因此將砂率調(diào)到0．48，如此強度雖有降低，但其余性能卻可得到改善。為此，調(diào)整最佳配比即水泥∶黃砂∶碎石∶水＝1∶2．16∶2．34∶0．48。

1．3　鋼纖維混凝土拌和
　　為防止鋼纖維混凝土在攪拌時纖維結(jié)團，在施工時每拌一次的攪拌量不宜大于攪拌機額定攪拌量的80％。采用滾動式攪拌機拌和，在攪拌混凝土過程中必須保證鋼纖維均勻分布。為保證混凝土混合料的攪拌質(zhì)量，采用先干后濕的拌和工藝。投料順序及攪拌時間為：粗集料→鋼纖維（干拌1min）→細(xì)集料→水泥（干拌1min），其中鋼纖維在拌和時分三次加入拌和機中，邊拌邊加入鋼纖維，再倒入黃砂、水泥，待全部料投入后重拌2min～3min，最后加足水濕拌1min。總攪拌時間不超過6min，超攪拌會引起濕纖維結(jié)團。按此程序拌出的混合料均勻。尚若在拌和中，先加水泥和粗、細(xì)集料，后加鋼纖維則容易結(jié)成團。而且纖維團越滾越緊，難以分開，一旦發(fā)現(xiàn)有纖維結(jié)團，就必須剔除掉，以防止因此而影響混凝土的質(zhì)量。


1．4　鋼纖維混凝土澆搗
    鋼纖維混凝土澆搗與普通混凝土一樣，澆筑和振搗是施工中的重要環(huán)節(jié)，直接影響鋼纖維混凝土的整體性和致密性。不同之處就是其流動性較差，在邊角處容易產(chǎn)生蜂窩，因此，邊角部分可先用搗棒搗實。板角采用插入式振動器振搗，然后用夯梁板來回整平。在混凝土面層抹平過程中，因鋼纖維直徑較粗而易冒出路面，影響到行車安全，故在施工時需注意清除。


2　工程實例
    某二級公路水泥混凝土路面修補工程段全長112m，寬2×3m，修補前路面板呈破碎、斷裂狀，原為一般普通混凝土澆筑，部分板底基層下沉。現(xiàn)用鋼纖維混凝土修補路面，基層補強采用C15素混凝土澆筑，舊混凝土路面平均鑿除深度25cm（包括基層松動部分），擬采用12cm厚、C30鋼纖維混凝土澆筑路面。


2．1　施工材料
2．1．1　原材料
    水泥：425＃普通硅酸鹽水泥；
    細(xì)集料：用中粗砂，平均粒徑0．35mm～0．48mm，含泥量＜2％；
    粗集料：碎石5mm～20mm，含泥量＜1％，質(zhì)地堅硬；
    鋼纖維：選用長度30mm、當(dāng)量直徑0．60mm由浙江某廠生產(chǎn)的低碳結(jié)構(gòu)鋼剪切扭曲型，型號DN－30，其強度380MPa以上。該產(chǎn)品性能穩(wěn)定，使用效果良好。
2．1．2　配合比
    鋼纖維混凝土配合比設(shè)計按照抗折強度和抗壓強度雙控標(biāo)準(zhǔn)要求及施工的工作度采用以抗折強度為主要指標(biāo)進行設(shè)計。設(shè)計抗折強度6．5MPa、抗壓強度35MPa。經(jīng)試驗室進行幾種配比方案確定：水泥∶黃砂∶碎石∶鋼纖維∶水并強度試驗，結(jié)果見表5。


2．2　施工工藝
2．2．1　基層處理及路面澆筑
    在鋼纖維混凝土澆筑前，為提高水泥混凝土面層下基層和墊層的剛度，做好對舊混凝土板及板底基層的處理工作，即在破損板及板底脫空破裂的舊混凝土板塊鑿除后，對部分板底基層進行補強處理。鑿除舊混凝土板時，鑿除深度必須滿足原路面設(shè)計要求，再將原基層松動部分全部清除。被清除后的基坑及深度一律用C15貧混凝土進行處理。待混凝土半干狀態(tài)時即可澆筑路面。按要求先用C15普通混凝土澆筑至路面面層厚度12cm時，經(jīng)底面層整平處理后再用鋼纖維混凝土澆筑。
2．2．2　鋼纖維混凝土攪拌
    鋼纖維混凝土攪拌采用滾筒式攪拌機。為使鋼纖維在混凝土中分散均勻，采用二次投料三次攪拌法，即先將石子和鋼纖維干拌1min，加入砂子、水泥再干拌1min，最后注水濕拌1．5min左右，總攪拌時間控制在6min內(nèi)，攪拌時間過長會形成濕纖維團。且每次的攪拌量宜在攪拌機公稱容量的1/3以下。
2．2．3　運輸與澆筑
    混凝土運輸采用自卸運輸車，運至施工地點進行澆筑時的卸料高度不得超過1．5m，以防混凝土離析。鋼纖維混凝土采用人工攤鋪，用人工將其大致攤鋪整平，攤鋪后用平板振動器振搗，振搗的持續(xù)時間以混凝土停止下沉，不再冒氣泡并泛出水泥漿為準(zhǔn)，且不宜過振。振搗時輔以人工找平，混凝土整平采用振動梁振搗拖平，再用鋼滾筒依次滾壓進一步整平，整平的表面不得裸露鋼纖維。在做面時需分兩次進行，即先找平抹平，待混凝土表面無泌水時，再做第二次抹平，抹平后沿模板方向拉毛，拉毛深度1mm～2mm。拉毛時避免帶出鋼纖維，如采用滾式壓紋器進行處理則效果更佳。
2．2．4　養(yǎng)護與切縫
    鋼纖維混凝土設(shè)有多種切縫。脹縫與路中心線垂直，縫壁必須垂直，縫隙寬度必須一致，縫中不得有連漿現(xiàn)象，縫隙內(nèi)應(yīng)及時澆灌填縫料，當(dāng)混凝土達到強度25％～30％時，采用切縫機進行縮縫切割，切縫深度3cm，縮縫設(shè)置16m?道。施工縫位置宜與脹縫或縮縫設(shè)計位置吻合，施工縫與路中心線垂直，不設(shè)置傳力桿。對脹縫、縮縫均采用10＃石油瀝青，灌式填縫?；炷磷雒嫱戤吅?，及時采用濕法養(yǎng)護，終凝后及時覆蓋草袋，并每天均勻澆水，保持潮濕狀態(tài)，養(yǎng)護10d～15d。與此同時做好封閉交通，待強度測試達到規(guī)定要求后即可開放交通。


2．3　施工質(zhì)量控制
    鋼纖維混凝土的質(zhì)量除對原材料、配合比以及施工過程的主要環(huán)節(jié)進行控制外，還重點對鋼纖維混凝土的攪拌、鋼纖維的投入以及混凝土振搗的控制，同時按規(guī)定對每天所澆筑混凝土的28d抗、斷塊抗壓強度進行檢驗，均達到了設(shè)計要求，使平整度、坍落度、主要技術(shù)指標(biāo)得到有效控制。


3　經(jīng)濟與社會效益
    從經(jīng)濟和社會效益分析，鋼纖維混凝土路面與普通水泥混凝土路面相比，其特點：①面層厚度可減薄至1/2以上，使施工工期縮短，因此節(jié)約原材料及減少工程量后所帶來的一切費用；②路面使用壽命延長因此而節(jié)省的費用；③減少縮縫帶來的材料、人工等所節(jié)省的費用；同時節(jié)省養(yǎng)護、減少時間延誤及維修費用；除此以外，還有路面質(zhì)量好，接縫少，延長車輛使用壽命等費用。綜合分析，對于舊混凝土路面，若采用鋼纖維混凝土進行罩面修復(fù)，則一次性投資的費用比挖掉重建混凝土路面要節(jié)省許多。同樣，從一次性投資、使用年限、維修費用、資金的時間價值來全面評價鋼纖維混凝土路面工程的經(jīng)濟效益，與新鋪瀝青混凝土路面評價綜合效益，鋼纖維混凝土路面雖一次性投資較前者高，但從其維修費用、使用年限的不同考慮，以及和資金的時間效益，用年成本法計算
其等值年金，結(jié)果表明鋼纖維混凝土路面每年支出的費用比瀝青混凝土路面要低35％。采用鋼纖維混凝土修補法，不但可使鋼纖維混凝土的質(zhì)量及其增強效果得到保證，而且還可提前開放交通，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。


4　結(jié)語
    鋼纖維混凝土自發(fā)展以來，已在公路路面、橋面、機場跑道等工程中得到廣泛應(yīng)用，同時也取得了一定的經(jīng)濟效益和社會效益。它除了具有良好的抗彎強度外，而且還具有優(yōu)異的抗沖擊、抗開裂性能。在對鋼纖維混凝土進行的沖擊荷載等試驗研究中表明：摻以體積率為1％～2％的鋼纖維增強混凝土與基體比較，其抗沖擊強度可提高10倍～20倍，彎曲韌性可提高20倍左右，抗彎強度可提高1倍～6倍，抗拉強度可提高2倍左右，疲勞強度提高50％，抗裂強度可提高2倍，抗壓強度可提高10％～30％。由此可見，鋼纖維混凝土的抗裂性與抗沖擊是非常優(yōu)異的。此外，用鋼纖維混凝土修筑舊混凝土路面還能達到早期強度高，提前通車的目的。


參考文獻
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