層布式鋼纖維混凝土在舊路面補(bǔ)強(qiáng)中的應(yīng)用

〔摘要〕介紹層布式鋼纖維混凝土的路用性能, 結(jié)合井岡山市城區(qū)路網(wǎng)改造工程的設(shè)計(jì)、施工情況, 闡述了層布式鋼纖維混凝土在舊路面改造中的應(yīng)用。

〔關(guān)鍵詞〕舊水泥混凝土路面; 改造; 層布式鋼纖維混凝土

中圖分類號：U416.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1004- 4345（2007）06- 0030- 03

　　隨著國民經(jīng)濟(jì)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，致使路面的損壞也日趨嚴(yán)重起來。對于老路改造項(xiàng)目，許多交通量大的道路，基本上處于壞了修、修了又壞再修的惡性循環(huán)中。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(qiáng)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(diǎn)，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(qiáng)度和厚度。

　　用層布式鋼纖維混凝土修筑路面，就是在普通混凝土路面面層的底部和頂部的一定厚度內(nèi)（約20 mm），撒布一定量的鋼纖維鋪筑而成，并通過分散的鋼纖維，減小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(kuò)展，提高整個(gè)復(fù)合材料的抗裂性。同時(shí)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(qiáng)度大、延伸率高的纖維上面，使混凝土作為一個(gè)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(qiáng)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(shí)踐證明，層布式鋼纖維混凝土這一新型高強(qiáng)復(fù)合材料用于路面修理，既可提高路面的抗裂、抗彎拉、耐沖擊和耐疲勞性，又可改善路面的使用性能，延長使用壽命從而減少老路開挖，節(jié)省工程造價(jià)，為道路補(bǔ)強(qiáng)與改造提供了良好的途徑。

1 層布式鋼纖維混凝土路面設(shè)計(jì)

　?。?）層布式鋼纖維混凝土路面面層的強(qiáng)度，以齡期28 d 的彎拉強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)。各級交通要求的層布式鋼纖維混凝土面層強(qiáng)度不得低于表1 的規(guī)定[1]。當(dāng)層布式鋼纖維混凝土澆筑后90 d 內(nèi)不開放交通時(shí)，可采用90 d 齡期強(qiáng)度，其數(shù)值一般可按28 d 齡期強(qiáng)度的1.1 倍設(shè)計(jì)。

　　層布式鋼纖維混凝土路面面層彎拉強(qiáng)度彈性模量以試驗(yàn)為宜，如無條件可按表1 選用。

　?。?）各級交通量下的層布式鋼纖維混凝土路面的面層初估厚度，可按現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范規(guī)定的水泥混凝土路面面層初估厚度的65%～75%選用。

　?。?）層布式鋼纖維混凝土路面面層的橫向縮縫間距（即板長）應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂颉⒚鎸雍穸?，按?jīng)驗(yàn)和已有資料確定，在5～15 m間選取，最大不超過20 m。

　　（4）標(biāo)準(zhǔn)軸載Ps 在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載疲勞效應(yīng)力σpr 由式（1）確定。

σpr =Kr·Kff·Kcσps (1)

　　式中：σpr、Kr、Kc 按現(xiàn)行水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定確定；Kff 為考慮設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)荷載應(yīng)力累計(jì)疲勞作用的疲勞應(yīng)力系數(shù)，層布式纖維鋼混凝土路面的疲勞應(yīng)力系數(shù)Kff 按式（2）確定。

Kff =（1- 0.18ρf·lf / df）Ne0.057 (2)

　　式中：ρf為層布式鋼纖維體積率，按20 mm 厚1 m2鋼纖維用量推算，ρf=W/157，W為單層每平方米撒布的鋼纖維重量；lf 為鋼纖維長度；df 為鋼纖維直徑或等效直徑。

　?。?）層布式鋼纖維混凝土路面面層在溫度梯度作用下，臨界荷位處產(chǎn)生的溫度疲勞應(yīng)力σtr，按現(xiàn)行規(guī)范執(zhí)行。

　?。?）層布式鋼纖維混凝土路面面層厚度的確定，以行車荷載和溫度梯度綜合作用產(chǎn)生的疲勞斷裂作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式采用式（3）。

γr(σpr+σtr)≤fftm (3)

　　式中：σpr 為行車荷載疲勞應(yīng)力，MPa；σtr 為溫度梯度疲勞應(yīng)力，MPa；fftm 為層布式鋼纖維混凝土彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa；γr 為可靠度系數(shù)，按現(xiàn)行規(guī)范確定。當(dāng)荷載疲勞應(yīng)力和溫度疲勞應(yīng)力之和與可靠度系數(shù)的乘積小于或等于層布式鋼纖維混凝土彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，即滿足式（3）的要求時(shí)，則初選面層厚度可作為層布式鋼纖維混凝土面層的計(jì)算厚度。否則，應(yīng)改選面層厚度，重新設(shè)計(jì)，直至滿足式（3）要求為止。設(shè)計(jì)厚度按計(jì)算厚度取整數(shù)（10 mm）。

　?。?）層布式鋼纖維混凝土路面中的水泥混凝土混合料配制和原材料要求，按現(xiàn)行水泥混凝土路面的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

　　層布式鋼纖維混凝土路面面層結(jié)構(gòu)如圖1 所示（圖中A 層為鋼纖維砼層，B 層為素砼層）。

2 加鋪層布式鋼纖維混凝土層的應(yīng)用

　　井岡山市茨坪城區(qū)水泥混凝土路面始建于上世紀(jì)60 年代，70 年代進(jìn)行了第1 次改造，90 年代初期進(jìn)行了第2 次改造，形成了現(xiàn)有的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)：20 cm 厚C20 水泥混凝土面層，30 cm 厚手?jǐn)[石基層；水泥混凝土板長約4.5 m，板寬3.5～5 m，道路沿路中設(shè)縱縫，水泥混凝土板之間用約1.5 cm 木板做伸縮縫，不設(shè)拉桿與傳力桿。由于原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低、施工技術(shù)不成熟，加上近年來交通量劇增，路面狀況不能與社會發(fā)展相適應(yīng)。茨坪城區(qū)是井岡山市的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，特別是2002 年黨中央、國務(wù)院批準(zhǔn)在茨坪興建中國井岡山干部學(xué)院，以此作為愛國主義、革命傳統(tǒng)教育基地以后，全面完善茨坪城區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、提高城區(qū)的品味和檔次已經(jīng)迫在眉睫。因此，井岡山市對茨坪城區(qū)道路進(jìn)行了全面改造。

　　是破除舊水泥混凝土路面重新做路面，還是在原水泥混凝土路面上加鋪，加鋪層采用什么材料，是舊路改造方面值得探討的問題。結(jié)合茨坪城區(qū)道路現(xiàn)狀，經(jīng)過技術(shù)討論和經(jīng)濟(jì)效益分析，決定采用在舊水泥混凝土路面上加鋪層布式鋼纖維混凝土層的方式進(jìn)行路面補(bǔ)強(qiáng)；經(jīng)計(jì)算，加鋪層厚度為12 cm，鋼纖維用量為0.9%（體積率），相當(dāng)于上下層各灑布1.4 kg/m2，其要點(diǎn)如下。

2.1 對舊水泥混凝土路面的處理

　?。?）加鋪前對舊路面承載能力進(jìn)行評定，若承載能力不足，達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，或舊水泥混凝土路面有板底脫空現(xiàn)象，應(yīng)進(jìn)行壓漿補(bǔ)強(qiáng)處理。

　?。?）對舊路面局部的松散、坑洞、填縫料脫落及擴(kuò)散型裂縫，應(yīng)事先清理、修補(bǔ)和填塞，以保持表面狀況平整完好。

　?。?）原有的光滑路面表面應(yīng)鑿毛并沖洗干凈。

2.2 層布式鋼纖維混凝土的施工工藝

　　層布式鋼纖維混凝土路面的施工工藝, 是在現(xiàn)行水泥混凝土路面施工工藝的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的，是在水泥混凝土路面澆筑前和澆筑中，在水泥混凝土路面底部和頂部，分別均勻施布一層鋼纖維而形成一種新型復(fù)合路面的結(jié)構(gòu)工藝。

2.2.1 底層鋼纖維的施布

　　對舊水泥混凝土路面處理后，先稀薄地撒布一層1～2 cm厚的混凝土或碎石，以便混凝土振搗時(shí)使砂漿將鋼纖維握裹，再用機(jī)械振動篩或人工篩將鋼纖維按1.4 kg/m2 施布在混凝土上。在撒布鋼纖維時(shí)一次施布的面積不宜過大，且力求足量、均勻分布，忌漏布或成團(tuán)；以免因施工車輛過度輾壓、人員走動等因素造成鋼纖維漏洞或堆積，至使成型后的層布式鋼纖維混凝土路板斷板或分層。

2.2.2 第一次混凝土的澆筑

　　完成底層鋼纖維的施布后，即可澆筑其上的混凝土，攤鋪混凝土?xí)r，應(yīng)注意使松鋪高度比路面設(shè)計(jì)高程低1～2 cm。攤鋪抄平后，用振動棒振搗密實(shí)，再用振動平板粗平，即可布設(shè)上層鋼纖維（密實(shí)平板初平后可以保證上層鋼纖維的平面分布）。

2.2.3 上層鋼纖維的布設(shè)

　　上層鋼纖維施布的方法、用量要求與底層鋼纖維布施相同。

2.2.4 第二次混凝土的澆筑

　　上層鋼纖維施布后，加鋪頂層混凝土，再用振動平板振動密實(shí)、振動梁平實(shí)、磨漿機(jī)收漿等，后續(xù)工藝和現(xiàn)行水泥混凝土路面施工相同。

2.2.5 切縫

　　切縫工藝應(yīng)在混凝土澆筑完畢后12 h 左右進(jìn)行，最長時(shí)間間隔不得超過24 h；縫距為舊路面接縫間距的2 倍，且上下縫應(yīng)對齊；其余執(zhí)行現(xiàn)行水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范。

2.2.6 養(yǎng)護(hù)工藝

　　執(zhí)行現(xiàn)行公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)工藝。

2.2.7 水灰比

　　水泥混凝土質(zhì)量按原設(shè)計(jì)要求，水灰比比現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的混凝土約高0.02～0.03，保證素混凝土和易性好，確保鋼纖維被混凝土充分包裹，路板成型后，采用真空吸水工藝。

2.2.8 工藝流程

　　舊面層準(zhǔn)備達(dá)到設(shè)計(jì)要求→裝?！愉伒讓踊炷痢嫉讓愉摾w維→攤鋪砼→松鋪整平→插入振搗→平板振動粗平→布上層鋼纖維→加鋪表層混凝土→平板整搗→振動梁找平→磨合→抹平真空吸水收漿→壓紋→養(yǎng)護(hù)→切縫（縫距為舊路面接縫間距的兩倍，且上下縫應(yīng)對齊）→養(yǎng)護(hù)→放行。

3 使用狀況

　　井岡山市茨坪城區(qū)道路改造工程于2004 年底竣工通車，該路段通車2 年后，對該路網(wǎng)通車后不同使用期路面進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)裂縫數(shù)量極少，且基本穩(wěn)定，不隨使用期增長而增大，路面使用良好，達(dá)到了預(yù)期效果。這充分說明層布式鋼纖維混凝土是一種性能優(yōu)良的新型復(fù)合材料。

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

　?。?）面層厚度減薄30%以上，節(jié)約原材料，減少工程量，特別是對于混凝土路面造價(jià)高的地區(qū)，修筑上下層布鋼纖維砼路面效益顯著；

　?。?）路面厚度減薄，攪拌運(yùn)送砼數(shù)量減少，其施工速度加快，機(jī)具利用效率、施工效率提高；

　　（3）縮縫間距延長2 倍，減少了鋸縫工作量，節(jié)約了鋸縫機(jī)具損耗。

4.2 社會效益分析

　　根據(jù)鋼纖維對砼的增強(qiáng)改性機(jī)理，在素砼面板上下層布鋼纖維后，大幅增強(qiáng)了混凝土的抗彎拉強(qiáng)度，改善了抗沖擊、耐疲勞性能，顯著地提高了混凝土路面的承載能力，達(dá)到了提高混凝土路面性能、延長路面使用壽命、降低路面養(yǎng)護(hù)成本的目的，其效益顯著。

5 結(jié)語

　　自層布式鋼纖維混凝土路面發(fā)展以來，在國內(nèi)仍處于推廣階段，科學(xué)合理的設(shè)計(jì)正逐步完善。從近年來在公路和城市道路路面、橋面、機(jī)場跑道等工程中的應(yīng)用證明，層布式鋼纖維混凝土能有效地增強(qiáng)路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，抑制和緩解各種裂縫的產(chǎn)生，延長路面使用壽命，從而減少道路養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，節(jié)省了道路運(yùn)營綜合成本。

〔參考文獻(xiàn)〕

　　[1] JTG D40- 2004，公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].