钢纤维混凝土在公路桥梁工程中的应用

陈 钢

(广西贺州市港达投资发展有限公司,广西 贺州 542800)

0 引言

钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入随机乱向分布的钢纤维而形成的一种混凝土复合材料[1]。混凝土中的钢纤维在混凝土基体和骨架间起传递荷载的桥梁作用,可使混凝土内部的应力场更加连续和均匀。同时,钢纤维可有效减少混凝土内部微裂纹的产生,并阻碍微裂纹的扩展和宏观裂缝的产生,能较好地保持混凝土被破坏时的完整性,提高混凝土的韧性。钢纤维混凝土的抗压、抗拉、抗弯、抗裂、韧性、抗冲击、抗疲劳等性能较普通混凝土有显著提高[2-6]。韩嵘等[7]的研究表明,钢纤维的加入使混凝土的劈裂抗拉强度、轴心抗拉强度得到了显著提高。钢纤维加入混凝土不仅对混凝土的劈拉和抗折强度有显著提高,还能减缓混凝土开裂[8]。潘慧敏等[9]的研究成果显示,钢纤维的掺入降低了混凝土的脆性,改善了混凝土的塑性特点,增强了其韧性,防止了混凝土结构的突然破坏,使混凝土在开裂后仍能承受荷载。钢纤维混凝土强度的提升可为公路桥梁安全提供保障[10],同时也可以减少路面的浇筑厚度,减少混凝土以及钢筋等材料的消耗量,节约大量物力财力。钢纤维的加入还可提高钢纤维混凝土的耐久性能,如耐磨性、抗裂性、抗冲击性能和抗疲劳性能等。这些性能的提高可大大延长桥面、路面等结构的使用寿命,优化结构的整体性能。将钢纤维混凝土应用于主要结构或应力集中区可以显著提高结构的各项力学性能,减少结构的变形,有利于大跨度、轻型结构的发展。因其具有优越的力学性能,钢纤维混凝土在公路工程、桥梁工程以及高层建筑结构中得到了广泛应用[11],例如北京安慧立交桥、钱塘江大桥等桥面的铺装工程均采用了钢纤维混凝土,使路面厚度减少了40%～60%[12]。本文对钢纤维混凝土的最佳长径比和最佳掺量进行研究,并结合工程实际分析其应用效益,为其他工程实际提供参考,推进钢纤维混凝土在公路桥梁等工程中的应用。

1 工程概况

某高速公路设计要求的道路长度约为20 km,路面的设计宽度为22 m,道路为双向四车道。考虑到该高速公路的重要性,研究后决定该公路采用钢纤维混凝土路面,设计抗压强度≥50 MPa,设计抗拉强度≥5 MPa。本文通过试验研究分析了不同长径比和不同含量的钢纤维混凝土的性能,确定了路面、桥面铺装的钢纤维最佳长径比和最佳含量,选用了较好的配合比设计方法,并将设计得到的钢纤维混凝土应用于工程实践。

2 钢纤维混凝土力学性能试验

2.1 试验材料及配合比

试验材料的选用以及钢纤维混凝土试件的制作参考标准《混凝土用钢纤维》(YB/T151-2017)和《钢纤维混凝土》(JG/T472-2015),标准规定钢纤维混凝土中钢纤维体积含量应在0.5%～2%,长径比宜在40～100。钢纤维体积掺量过大时,易发生结团,其和易性及强度会降低;钢纤维长径比过小时,其增强作用不大。所以设置钢纤维体积掺量分别为0.5%、1%、1.5%、2%,长径比分别为60、80、100,并设置空白对照组,每组三个试件,试验共117个试件。

此试验所用材料(见图1)如下:

图1 立方体试件的材料组成示意图

(1)钢纤维。钢纤维选用工程用端勾钢纤维,抗拉强度为1 250 MPa,纤维直径为0.4 mm,长度分别为24 mm、32 mm、40 mm。

(2)水泥。结合工程实际要求,水泥选用广西南宁生产的海螺牌42.5级普通硅酸盐水泥。

(3)粗集料。选用粒径为5～20 mm级配良好的碎石。

(4)细集料。选用细度模数为2.8的中粗砂。

林小松等[13]研究了钢纤维混凝土配合比的二次合成方法,提出将钢纤维混凝土分为由水泥浆包裹的钢纤维和混凝土两种组成成分,分别确定两个组成成分的配合比,然后再合成得到钢纤维混凝土的配合比。试验结果表明,此种配合比方法能更好地发挥钢纤维的增强作用,制作的钢纤维混凝土性能较好。经计算和多次试配,当钢纤维混凝土水胶比采用0.45时,钢纤维混凝土的和易性较好。本文采用此方法设计配合比,如表1所示。

表1 钢纤维混凝土配合比表

2.2 试件制作与养护

钢纤维在使用前应放入分散机中,使其充分打散。在搅拌混合料时,使用双锥翻转出料搅拌机可以使钢纤维和混凝土得到更充分的搅拌,减少钢纤维结团。搅拌采用先干拌再湿拌的工艺。图2所示为制作试件的详细步骤。

图2 钢纤维混凝土试件制作步骤流程图

2.3 试验及结果分析

利用电液伺服万能试验机对得到的试件进行立方体抗压强度试验、劈拉强度试验、抗弯强度试验,结果如图3所示。

(a)立方体抗压强度试验结果

由图3可以看出,钢纤维的加入提高了混凝土的立方体抗压强度、劈拉强度、抗折强度。其中,对立方体抗压强度的提升程度最小,为7.6%～27.1%;对抗折强度的提升程度最大,为35.7%～81.7%;对劈拉强度的提升程度为21.2%～70%。叶晟[14]的研究结果发现,冷轧钢波浪剪切型短钢纤维的加入最高使立方体抗压强度提高了12%,使抗折强度提高了21.6%,劈拉强度提高了51.2%,而本文使用的钢纤维对这三种强度的提升程度均大于其研究结果,说明本文使用的钢纤维及制作工艺更好,将其应用于工程实践,效果也将会更好。

由图3可以看出,钢纤维混凝土的立方体抗压强度、劈拉强度、抗折强度随着钢纤维体积掺量的增大先增大后减小。其中,当钢纤维掺量为1.5%时,混凝土的这三种强度均达到最大;当钢纤维掺量增大到2%时,其强度反而降低。这是由于当钢纤维掺量过大时,混凝土中的钢纤维会结团,导致混凝土内部的初始缺陷增多,使其性能降低。钢纤维的立方体抗压强度、劈拉强度、抗折强度随着钢纤维长径比的增大而逐渐增大。钢纤维长径比越大,钢纤维的增强作用就越强,钢纤维混凝土的强度的提升程度越大。在本研究中,当钢纤维体积掺量为1.5%、长径比为100、长度为40 mm时,钢纤维混凝土的力学性能达到最佳,此时钢纤维混凝土立方体抗压强度和抗拉强度均满足设计要求。

由图3(d)可以看出,普通混凝土试件受压破碎时,中部及四周全部破碎,而钢纤维混凝土试件仍然能维持整体形状的完整。由图4可知,当混凝土试件达到峰值强度时,其抗压承载力迅速下降,且残余强度很小。而钢纤维混凝土试件的应力-应变曲线的下降段与素混凝土的相比更加平缓,且其残余强度比混凝土试件大得多,达20 MPa以上,试件开裂后仍能承受较大荷载。由此看出,钢纤维混凝土具有较好的延性,破坏时仍可相对保持结构的完整性,承受荷载,避免像混凝土一样的脆性破坏。

图4 钢纤维掺量为1.5%时钢纤维混凝土与素混凝土的抗压应力-应变曲线对比图

3 钢纤维混凝土在路面工程中的实际应用

3.1 用于路面施工的钢纤维混凝土

根据以上试验研究可知,当钢纤维长径比为100,钢纤维体积掺量为1.5%时,钢纤维混凝土的性能最好。当钢纤维体积掺量为2%时,在制作钢纤维混凝土的过程中出现了钢纤维结团的现象,这不仅大大增加了将钢纤维混凝土搅拌均匀的难度,也造成了混凝土强度的降低。综上所述,宜选用长径比为100、体积掺量为1.5%的钢纤维应用于路面工程中。

3.2 施工技术要点分析

(1)检验钢纤维掺量是否符合要求。在钢纤维混凝土的浇筑地点取样并采用水洗法检测,且每一工作班的检验次数≥2次。检验具体操作为:取三组体积为10 L的样品,洗出样品中的钢纤维,晒干后称量。每组样品测量得到的含量与配合比掺量的偏差要小于配合比掺量的20%,三组样品测得的含量平均值与配合比掺量的偏差要小于配合比掺量的5%。

(2)钢纤维混凝土在浇筑和摊铺的施工过程中严禁加水,应尽量加快施工速度,以免钢纤维混凝土因凝结过快造成摊铺困难。在此过程中可对钢纤维混凝土的表面喷雾,防止其水分蒸发。

(3)浇筑钢纤维混凝土时,应选用振动台或者表面振动器对其进行振捣,这项措施可有效避免在振捣过程中破坏纤维的形状并可防止钢纤维结团。同时,相比于普通混凝土应适当延长振动时间。

(4)为了保证路面的良好,抹平时应将混凝土表面外露出的钢纤维压入混凝土中,接着对表面进行抹平,以免外露的钢纤维对后续施工产生影响。

3.3 应用效益分析

采用钢纤维混凝土浇筑路面,相较于使用混凝土浇筑,路面的厚度减小了50%以上,大大节约了水泥、碎石、砂、钢筋等原材料的使用。同时,施工周期大大缩短,人工成本减少,路面性价比大幅提升。

该工程采用钢纤维混凝土,显著增强了路面的抗冲击、抗疲劳性能和耐久性,大大提高了工程质量,延长了工程的使用寿命,社会效益显著。自钢纤维混凝土路面投入使用之后,近一年未出现裂缝和破损等明显病害,大大节省了公路路面的养护维修费用。

从该路面的建设和投入使用运营情况来看,其具有较好的经济效益和使用性能。

4 结语

本文研究了应用于路面工程的钢纤维混凝土的钢纤维最佳体积掺量和最佳长径比,并分析了其应用效果,结论如下:

(1)钢纤维的加入对抗压强度的增强作用最小,为7.6%～27.1%,对抗折强度的增强作用最大,为35.7%～81.7%,劈拉强度增长了21.2%～70%。本研究制得的钢纤维混凝土的强度提升程度比部分学者的研究结果更大,说明本文提出的钢纤维配合比二次合成法设计方法和制作工艺的效果较好。

(2)当钢纤维体积掺量为0.5%～2%时,钢纤维混凝土的抗压强度、抗拉强度、抗弯强度随着钢纤维体积掺量的增加先增大后减小,钢纤维体积掺量为1.5%时,其抗压强度、抗拉强度、抗弯强度达到最大,故钢纤维最佳体积掺量为1.5%。

(3)当钢纤维长径比为60～100时,钢纤维混凝土的抗压强度、抗拉强度、抗弯强度随着钢纤维长径比的增加逐渐增大。钢纤维长径比为100时性能最好。

(4)应用于该路面工程的钢纤维混凝土的最佳钢纤维体积掺量为1.5%,最佳钢纤维长径比为100,使用的配合比设计方法为二次合成法。将本研究设计的钢纤维混凝土和施工工艺应用于路面工程中,可提高路面工程的质量,改善人们的使用体验,大幅延长路面的使用寿命,节约大量建设费用和养护维修费用。综上所述,该路面具有优秀的使用性能和经济效益。