钢纤维混凝土在混凝土路面工程中的应用

方少岩

(衡水市桃城区交通局道路桥梁工程处)

1 纤维增强材料

我国的水泥混凝土路面和桥面铺装越来越多地使用纤维增强材料，以期改善混凝土的抗拉强度、抗折强度、延性、冲击韧性及控制开裂和裂缝宽度。下面为纤维材料的简要介绍。

1.1 纤维品种

水泥混凝土路面、桥面、搭板、伸缩缝等使用的纤维补强材料的品种主要有:钢纤维、耐碱玻璃纤维、碳纤维、石棉纤维、植物纤维(竹、木、草)、有机聚合物纤维(如聚丙烯、聚乙烯、醋酸纤维)等。

1.2 公路工程用纤维的技术要求

(1)高抗拉强度:与水泥基材抗拉强度相比，至少高出二个数量级。

(2)高弹性模量:纤维与基材的弹模比愈高，结构受荷载时，纤维分担的应力越大。从限制开裂和裂缝宽度看，路面、桥面及伸缩缝处使用的纤维，与混凝土的弹模比不应小于1，否则纤维会像橡胶一样，起不到控制开裂和限制裂缝宽度的作用。低模量的聚丙烯、聚乙烯和聚脂纤维使用效果欠佳。

(3)大变形能力:与水泥基材的极限拉伸率相比，至少高一个数量级，从而达到控制开裂和限制裂缝宽度的作用。

(4)低泊松比:一般不宜大于0.40。

(5)高耐碱性:在路面设计使用寿命期内，不受水泥碱性环境侵蚀，长期耐久性可靠。

(6)高粘结强度:纤维与基材的粘结强度不应低于1 MPa。

(7)适宜的长度和长径比:长径比为短纤维长度与直径之比，混凝土中的纤维既要不被拔出，可从中间拉断，又要搅拌和浇筑时，不成团。同时满足这两项要求的长度称临界长度，对应的长径比为临界长径比。混凝土中使用的纤维长度一般在1～5 cm之间，长径比一般在50～100之间。

(8)对人体无害:有的纤维如石棉，性能很好，资源广泛，价格低廉，但研究表明它们具有对人体的致癌作用，因此在国际上禁止使用。

(9)资源丰富，价格较低。

1.3 钢纤维混凝土

在我国高等级公路水泥混凝土路面工程中使用的纤维目前主要是钢纤维。尽管钢纤维有比重大、单方用量大、直径粗、增强根数有限的缺点，但钢纤维混凝土的力学性能稳定可靠，无碱腐蚀和侵蚀之忧。使用抛法兰和不锈钢，也能有效防止锈蚀。因而钢纤维混凝土比任何其它一种纤维在混凝土结构工程的应用都更为广泛，特别是在路面和桥面工程中，有应用增大的趋势。我国已经使用滑模施工技术在路面和桥面上摊铺过钢纤维和钢筋网双钢混凝土，在路面上摊铺过聚丙烯纤维和耐碱玻璃纤维混凝土。聚丙烯纤维混凝土在混凝土未凝固前，因握裹力不足而抵抗不了塑性收缩开裂，混凝土硬化后开裂，由于模量过低，像“橡皮筋”被拉长而限制裂缝宽度的作用有限。耐碱玻璃纤维混凝土纤维密度低、抗拉强度高、弹性模量高、用量省而效果好，目前正在试验和应用研究中。

1.3.1 钢纤维的种类

钢纤维按外形可分为圆直形、波形、变截面、哑铃形、扁平形、弯钩形、凹凸形、卷曲形、三维立体形等形状。按加工方式有冷拔、压形、剪切、铣削、熔抽等多种形式。圆直钢纤维直径一般为0.25～0.75 mm，扁平钢纤维厚度为0.15～0.40 mm，宽度0.25～0.9 mm。这两种钢纤维长度在20～60 mm范围内。带弯钩的钢纤维直径0.30～0.5 mm，长度40～60 mm。目前混凝土路面中多使用性能较好的弯钩形、凹凸形及卷曲形几种形式。

1.3.2 钢纤维混凝土配制搅拌与路面滑模施工

(1)钢纤维混凝土配制要点

钢纤维的长径比不应大于100，一般在60～80之间才能达到均匀分布之目的。钢纤维不成团的体积用量一般为0.5% ～2%，密度一般在60～100 kg/m3之间。钢纤维混凝土的粗集料最大粒径不应大于20 mm，它要求加大砂率，一股应为40% ～55%，而且它的工作性不好，一般应使用高效减水剂。

(2)钢纤维混凝土的搅拌

钢纤维混凝土应使用强制式搅拌机生产，间歇式搅拌机应减少10%左右一盘搅拌量，钢纤维混凝土在间歇式搅拌楼上加入时，称量好每盘用量，用水溶性塑料包装袋，投入砂石料斗，先干拌砂石料，使钢纤维分散，再加水和水泥拌和或延长1/3～1/2每盘搅拌时间达到钢纤维均匀拌和之目的。使用连续式搅拌楼时，应在砂石料供应皮带上，加装钢纤维均匀计量的分散机，边计量边均匀加入。连续式搅拌楼的生产量也要减小10%左右。

(3)钢纤维混凝土的滑模摊铺

在滑模摊铺机施工钢纤维混凝土时，必须将振捣棒组位置提高到挤压底板以上，不得插入路面或部分插入路面振捣。防止振捣棒沟槽内局部设有钢纤维，从而引起纵向塑性收缩开裂。钢纤维混凝土的摊铺推进速度要适当减慢，保证振捣密实度。

1.3.3 钢纤维混凝土主要性能

(1)抗拉强度:钢纤维掺量1.5%，钢纤维混凝土的抗拉强度可提高30% ～50%;劈裂强度可提高一倍左右。

(2)抗折强度:钢纤维体积掺量0.4% ～0.8%，可提高抗折强度50% ～100%，弯拉延性变形大大提高。

(3)抗压强度:钢纤维混凝土抗压强度可提高15% ～25%。

(4)抗冲击韧性:钢纤维混凝土的静载弯曲韧性可提高10倍～50倍，抗冲击韧性可提高2倍～10倍。

(5)耐疲劳性:钢纤维混凝土的耐疲劳循环周次可提高2倍～6倍。

(6)抗磨性和抗冻性:钢纤维混凝土的抗磨性有所提高，抗冻性略有改善。

(7)干缩和徐变:钢纤维混凝土干缩减小10% ～30%，对徐变无影响。

目前钢纤维混凝土与钢筋混凝土相比的缺点是一次投资过大，经济比较表明，大约是钢筋混凝土路面的一倍。原因是钢纤维比重过大，根数少，每立方米钢纤维为60～100 kg，每吨钢纤维5 000元，钢纤维的投资300～500元/m3，与每立方米混凝土价格相当或略贵。分散的乱向钢纤维有相当部分不在应力迹线方向，至少有1/3的钢纤维是没有定向增强效果的。尽管如此，钢纤维混凝土路面和桥面具有比钢筋混凝土更优越的抗冲击破坏能力，在高等级公路特大、大型桥面、桥梁伸缩缝和桥台上部接缝中，作者依然推荐使用钢纤维混凝土，目的在于提高桥面桥梁接缝的抗冲击破坏能力，延长其使用年限，减少维修次数，提高其使用通行能力。