桥面铺装用钢纤维混凝土

作者：姜海星 13613800066

随着国民经济建设突飞猛进和公路交通事业的飞速发展，城市道路和国道干线公路上的车辆荷载及密度越来越大，行驶速度越来越快，对路面结构层的刚性、稳定性、耐磨性、耐久性、抗冲击性等提出了更高的要求。如果用普通水泥混凝土修筑路面，虽有强度高、板块性好，有一定的抗磨性及承受气象作用的耐久性好等特点，但它的最大缺陷是脆性大，易开裂，抗温性差，路面板块容易受弯折而产生断裂，致使路面的损坏也日趋严重起来。特别是对损坏的水泥混凝土路面而言，它不仅翻修投资大，且施工周期较长，严重影响交通畅通及行车安全，所以就要求路面面板应有足够的抗弯、抗拉强度和厚度。高性能复合型混凝土正是基于这种特性而得到广泛应用。用钢纤维混凝土修筑路面，就是将钢纤维均匀地分散于基体混凝土中（与混凝土一起搅拌），并通过分散的钢纤维，减小因荷载在基体混凝土引起的细裂缝端部的应力集中，从而控制混凝土裂缝的扩展，提高整个复合材料的抗裂性。同时由于混凝土与钢纤维接触界面之间有很大的界面粘结力，因而可将外力传到抗拉强度大、延伸率高的纤维上面，使钢纤维混凝土作为一个均匀的整体抵抗外力的作用，显著提高了混凝土原有的抗拉、抗弯强度和断裂延伸率，特别是提高了混凝土的韧性和抗冲击性。实践证明，采用钢纤维混凝土这一新型高强复合材料修筑路面，具有以下优点：

1. 减薄铺装厚度 钢纤维混凝土弯曲抗折强度高，抗冲击、耐疲劳性能好，在相同荷载条件下使用，可比普通混凝土路面厚度减薄40%～50%。

2. 纵缝不设或少设 钢纤维混凝土抗拉性能、阻裂性能和抗收缩性能均较好，故钢纤维混凝土路面在施工条件许可时，一般7～9m宽路面可以采用整幅施工，勿需设置纵缝；高速公路和汽车专用公路亦是在中央分隔带两侧整板浇注，不设纵缝。

3. 横向缩缝少 钢纤维混凝土路面韧性好，抗裂性能和抗拉性能好，抵抗温度变化引起的变形能力强，结构性能好，故通常缩缝按20～30m间距设置，最大间距可达50m以上，比普通混凝土路面长5～6倍，甚至10倍。不仅可以节省缩缝处的维修费用，而且可以大大减轻车辆通过缩缝时的震动。

4. 延长路面使用寿命 钢纤维混凝土抗疲劳性能好，在车辆荷载作用下，路面底面的裂缝发展非常缓慢，因此直至裂缝发展表面，其承受荷载作用的次数比普通混凝土路面多得多；路面表面的裂缝宽度小，不连续，开裂后延性仍很好；路面板的板边和板角处的破损和剥落很少，且冻融性也好。这些特点都有利于延长钢纤维混凝土路面的使用寿命，对节省工程造价等具有重要的经济效益和社会效益。南坛高速公路是南宁市外环高速公路，地处东南湿热区，日照时间长，雨量充沛，交通荷载及运输量大，特别是桥面混凝土，由于桥梁采用预应力简支结构，为了减轻桥面荷载，增强梁板结构稳定性，设计提出使用钢纤维混凝土对桥面进行铺装。 一、原材料的选择

钢纤维混凝土施工中，钢纤维混凝土配合比的设计是至关重要的，钢纤维混凝土的和易性、保水性及流动性直接影响到混凝土的施工效果。因此，在设计配合比前，原材料特别是钢纤维类型及掺量、水泥的品种、粗细集料的级配，外加剂类型的选择及掺量尤为重要，通过配合比的试配及调整，从中选择各项性能指标最佳的配合比来控制指导施工。

（一）钢纤维 钢纤维混凝土用钢纤维类型有圆直型、熔抽型和剪切型，其长度分为各种不同规格，最佳长径比为40～70，截面直径在0.4mm～0.7mm范围内，抗拉强度不低于380MPa。各种类型的钢纤维，由

于成型的工艺及表面形状不同，在混凝土中与混凝土的粘结强度不同，在混凝土结构中应用情况也就不同，桥面铺装混凝土一般采用铣削型钢纤维。

（二）粗集料 优良的集料应该是坚固、清洁、级配良好，有足够的机械强度，具有耐磨性，无扁平状长颗粒，表面粗糙但吸水率小，不含有妨碍水泥水化或水泥反应引起膨胀的矿物质。粗集料的针片状，不仅对混凝土的工作性，单位用水量有很大的影响，而且对强度、耐动载疲劳极限、弹性模量、温度、湿度、收缩变形有很大影响，因此在选择粗集料时，应选择针片状含量小、表面形状粗糙均匀、有利于提高混凝土拌和物和易性的粗集料。同时粗集料级配的好坏，影响到混凝土的工作性、粘聚力、匀质性和可振动密实度。良好的级配，其空隙率小，在水泥用量相同的情况下，降低用水量，可提高混凝土的干缩变形性和抗冻耐久性。对粗集料最大粒径的确定，应根据工程的结构条件及混凝土强度等级要求来决定。南宁地区周边均为石灰岩地区，对石灰岩粗集料应进行碱集料试验。基于以上分析，本工程选用5-25mm连续级配的粗集料。

（三）细集料 对细集料的选择，应该是颗粒坚固、清洁，杂质含量少，级配符合规范要求的Ⅱ区中砂。级配的好坏决定了砂浆是否能够填满集料的空隙，直接影响到混凝土的和易性。砂子太粗，砂浆不易包裹碎石，拌合的混凝土拌和物干涩、泌水和离析。砂子太细，集料比表面增大，用水量增加，混凝土强度降低，同时也会引起离析。南宁邕江河砂贝壳等杂质含量大，细度模数小，砂子偏细，不适合配制高强度混凝土，因此本工程选用颗粒坚固、级配良好的钦州中砂。

（四）外加剂 外加剂能够有效地改善混凝土的和易性，降低用水量，显著提高混凝土强度，延缓混凝土的凝结时间，提高早期强度，改善混凝土的表面性质。在施工中，应根据混凝土的结构条件、结构部位、施工工艺、运输条件等选用外加剂。由于桥面铺装混凝土要求表面致密、泛浆，整形工艺较多，因此选用了缓凝高效引气型减水剂。

（五）水泥 使用普通硅酸盐水泥拌制的砼，相比之下流动性及保水性好，尤其对于长距离运输及温度较高情况下浇筑砼，保水性对混凝土过程损失尤为重要。同时应选择强度标号较高的水泥，拌和时减少水泥用量，提高混凝土的耐久性，降低水化热。试配时使用红水河牌425#优质普通硅酸盐水泥。 二、钢纤维混凝土配合比试配

钢纤维混凝土混合料配合比要求首先应有较高的抗弯强度，以满足结构设计对强度等级的要求即抗压强度与抗折强度，以及施工的和易性、耐久性及经济性。钢纤维混凝土配合比设计使用原材料如下： 水泥：425＃普通硅酸盐水泥；

细集料：用中粗砂，细度模数2.7，含泥量＜2％；

粗集料：碎石5～25mm连续级配，含泥量＜1％，质地坚硬；

钢纤维：选用长径比为50，由浙江某厂生产的低碳结构钢剪切扭曲型，型号DN－30，强度在380MPa以上。该产品性能稳定，使用效果良好；

外加剂：江西某厂生产的UEA缓凝高效引气型减水剂，掺量1.3%，设计抗折强度6.5MPa、抗压强度35MPa。 试配按以下步骤进行：

1. 根据强度设计值以及施工配制强度提高系数，确定试配抗压强度与抗折强度，钢纤维混凝土抗折强度设计值的确定：

fc=fr/（1-1.04Cv）+ts 式中：

fc—配制28d弯拉强度的均值（MPa） fr—设计弯拉强度标准值 S—弯拉强度试验样本的标准差 t—保证率系数 Cv—弯拉强度变异系数 通过上式计算fc=7.3MPa

2.根据我国规范规程的通行做法，计算及确定水灰比，通过未掺钢纤维普通混凝土弯拉强度来计算 W/C=1.5684/（fc+1.0097-0.3595fs）=0.42

式中：fc为普通混凝土设计弯拉试配强度5.8Mpa，fs为水泥抗折强度8.5MPa。

3. 确定钢纤维体积率，按设计面板折减系数和实际使用的钢纤维经验取值，一般浇筑成型的结构范围在0.5～2.0％之间，具体施工中的使用量，由试配配合比试验来确定。 4. 按照施工要求的稠度确定单位体积用水量。

5. 按照施工要求的稠度确定单位体积用水量，参照表1。 6.钢纤维混凝土砂率宜在38~50%之间。 Spf=Sp+10pf 式中：

Spf—钢纤维混凝土砂率（%） Pf—钢纤维掺量体积率（%） 亦可按表2确定砂率。

7. 根据钢纤维掺量不同，计算基准水灰比条件下每立方混合材料用量，确定试配配合比；根据试配配合比进行拌合物性能试验，确定符合施工工艺要求的配合比，确定的配合比及试验结果见表3。表3：的试验结果表明，28天抗弯拉强度及抗压强度大大超出设计要求的试配强度，钢纤维体积率大于1.0%以上时，强度增长不明显。同时在试配拌和过程中发现，钢纤维体积率较大时，有结团现象，钢纤维未充分分散在基体混凝土中，导致混凝土强度并未随着钢纤维体积率的增加而线性增长。为此，在确定钢纤维体积率掺量为1.0%时，调整水灰比，设计不同水灰比条件的配合比，通过试配来确定施工配合比，见表4。

8. 根据强度试验结果，确定施工配合比。表4：试验结果表明，四组配合比试配的拌和物性能及强度均满足施工工艺及结构强度要求，结合规范要求，钢纤维混凝土耐久性的最大水灰比不能大于0.47，最后确定的施工配合比为水∶水泥∶砂∶碎石∶外加剂∶钢纤维（体积掺量）=193∶415∶906∶981∶5.4∶1.0%。 三、钢纤维混凝土的拌合 钢纤维混凝土的搅拌是保证钢纤维混凝土施工质量的重要环节。搅拌工艺控制到位，可以使钢纤维充分分散，显著提高混凝土强度、韧性及抗冲击性，否则，不但浪费材料，而且不能