钢纤维混凝土在桥梁伸缩缝中应用的研究

王应良

(安徽省交通航务工程有限公司 安徽 合肥 230000)

一、前言

在公路和城市道路路桥中，桥梁伸缩缝用于调节由车辆荷载和桥梁建筑材料所引起的结构间位移，是桥梁设计的重点。温度变化、混凝土的徐变与收缩和各种荷载作用下所产生的桥梁挠度，使桥梁伸缩缝承受垂直、水平及旋转变位，在拉力、剪力和扭矩作用下容易发生破坏。因此，防止桥梁伸缩缝混凝土破坏是一项重要研究课题。钢纤维的表面具有干净而粗糙的特点，这就使得粗纤维能够牢固的结合混凝土中的水泥浆体。施工中，首先使短钢纤维呈现乱向分布，继而投放到普通混凝土当中，这样做起到了有效控制混凝土内部微裂缝的扩展、预防宏观裂缝的形成的作用，同时使得混凝土的抗疲劳性、抗弯性等性能得到了显著提升，使混凝土具有较好的延性。如果将这种混凝土用在桥梁的伸缩缝方面，可以大幅延长桥梁伸缩缝的使用寿命。本文结合实际工程，对钢纤维混凝土在桥梁伸缩缝的应用进行了探讨，分析了其配合比设计，物理力学性能和施工工艺，为工程应用提供了设计参考。

二、钢纤维混凝土的配合比设计计算

(一)钢纤维掺量与单位体积用量确定

为了研究钢纤维掺量对本批次试验混凝土力学性能的影响，分别设置了钢纤维体积率ρf为0.73%和1.0%情况下的钢纤维混凝土配合比，以找到经济高效的钢纤维体积率参数。

各钢纤维体积率参数对应的单位体积用量为：

F1=0.73%×7800kg/m3=57kg/m3

F2=1.0%×7800kg/m3=78kg/m3

(二)水灰比和单位体积水与水泥用量的确定

根据强度等级要求，本批次试验水灰比W/C设置为0.4。综合材料性能、ρf、W/C和坍落度等因素，确定本批次试验的单位体积水用量W=220kg。单位体积水泥用量根据已知水灰比确定，所以水泥用量C=550kg。

(三)砂率与单位体积砂石用量的确定

砂率决定了骨料的总表面积大小，对混凝土的和易性有很大影响。本批次试验采用碎石为粗骨料，为保证其流动性满足要求，采用砂率βS为37%。

按钢纤维体积率ρf大小分为三组，第一组不掺加钢纤维，作为对照组，以探究钢纤维混凝土与普通混凝土的力学性能差异。

由公式(1)、(2)、(3)确定砂石用量：

VS+G=1000-[W/ρW+C/ρC+Fi/ρF]

(1)

S=VS+G×βS×ρS

(2)

G=VS+G×(1-βS)×ρS

(3)

试中：VS+G表示砂石的总体积、S表示砂的质量、G表示石的质量，ρW、ρC、ρF和ρS分别表示水、水泥、钢纤维和砂石的密度。

得到每立方米混凝土材料用量如表1所示：

表1 每立方米混凝土材料用量表/kg

三、钢纤维混凝土力学性能研究

(一)抗压性能研究

本批次试验制备了100mm×100mm×100mm的非标准混凝土试件，将测得的抗压强度乘换算系数0.9得到其标准抗压强度。

立方体试件的标准抗压强度计算公式为：

(4)

其中fc为标准抗压强度，F为试件的破坏荷载，A为试件的受压面积。

(二)抗拉性能研究

本批次试验采用劈裂试验测其抗拉强度，计算公式为：

(5)

其中ft为劈裂抗拉强度，P为试件的破坏荷载，A为试件的受压面积。

(三)抗折性能研究

试件的抗折强度计算公式为：

(6)

其中ff为抗折强度，F为试件破坏荷载，l为两端支座的距离，b为混凝土试件截面宽度，h为混凝土试件截面高度。

得到的混凝土力学性能如表2所示：

表2 不同钢纤维掺量下的混凝土力学性能

根据实验可以得出结论：钢纤维混凝土与相同配合比的普通混凝土相比，其抗压强度提高了2～20%，抗折强度提高了20～50%，劈裂抗拉强度提高了20～40%。钢纤维掺量为0.7%的钢纤维混凝土的物理力学性能完全可以满足城市及道路工程技术指标。

四、钢纤维混凝土应用于桥梁伸缩缝的施工工艺设计

(一)施工工艺流程设计

图1 施工工艺流程

(二)混凝土浇注方案设计

混凝土浇筑之前的准备工作一定要做好，首先要有专人负责检查模板是否牢固，确保无漏洞，而且检查工作要细致，并且多做几次，这样就能有效避免因作业而产生漏浆等现象。

保证钢纤维分布的均匀性以及结构的连续性是钢纤维混凝土浇筑工作开展的一个重要前提，浇筑开始后，连续浇筑区域内施工时，不得有停顿或中止，浇筑过程需要一气呵成，切忌中途加水。

将适量的水喷洒在缝区部分，浇筑宜按照以下顺序开展，首先是浇筑异型钢下面的混凝土，然后用振捣棒按照操作要求进行振捣，待振捣密实之后，刮平整混凝土的上表面即可。

(三)混凝土质量控制措施设计

要想把控好混凝土的质量，浇筑过程必须要严格把控。首先，振捣的时候要能够做到振捣密实，异型钢的底部要保证是实的。其次，对于两侧的混凝的的浇灌，务必做到及时、连续，杜绝出现混凝土分层现象。另外，要注意在施工中不要把混凝土撒的到处都是。

浇筑完成后，要对初凝的混凝土做覆膜和洒水处理，要做好混凝土覆盖物的保湿工作，杜绝干燥。在混凝土养护期间，对周围的交通要适当进行管控，防止行人踩踏或是车辆碾压混凝土。

五、总结

钢纤维混凝土与相同配合比的普通混凝土相比，其抗压强度提高了2～20%，抗折强度提高了20～50%，劈裂抗拉强度提高了20～40%。钢纤维掺量为0.7%的混凝土的物理力学性能完全可以满足城市及道路工程技术指标，相比较钢纤维掺量为1%的混凝土，其力学性能提升的幅度不是很大。因此，0.7%的掺量更符合经济和便捷的要求。采用钢纤维混凝土施工时特别要注意拌和时间，以保证钢纤维分布的均匀性和连续性。