道路桥梁施工中钢纤维混凝土技术的应用

张成进

（贵州兴黔人才资源有限责任公司，贵州贵阳550001）

0 引言

钢纤维混凝土是指将短钢纤维均匀掺入普通混凝土中，形成一种全新且特殊的多相复合材料。通过适量添加钢纤维，能起到阻碍裂缝产生及发展的作用，并能提高混凝土成型后的抗拉强度、抗弯强度、抗冲击性能与抗疲劳性，表现出良好的延性。在道路桥梁工程建设中，钢纤维混凝土被用于桥面铺装层，以某道路桥梁工程为例，对其铺装层施工中钢纤维混凝土的具体应用进行了深入分析。

1 钢纤维的改善机理

钢纤维在混凝土中均匀且无序的分布，其作用在于防止内部微裂缝的产生与扩展，进而避免产生宏观裂缝。在这种作用的支持下，无论是抗拉强度，还是由拉应力进行控制的抗扭强度、抗剪强度及抗弯强度，都能得到有效改善。即便在混凝土产生裂缝时，钢纤维依然可以在承载力上做出很大贡献，抗拉强度只有在钢纤维被取出时才会降低。另外，钢纤维的添加还能改善混凝土的疲劳性能，包括抗弯与抗压。通过试验可知，如果钢纤维混凝土遭到破坏，主要原因均为钢纤维被拔出，而并非钢纤维被拉断。所以，改善基体和钢纤维之间的黏结力，是保障钢纤维混凝土发挥良好力学性能的关键。

通过大量的理论分析可知，钢纤维受到的应力与其长径比、界面黏结强度为正比关系。基于此，要想保证增强效果，首先要增加钢纤维的长度和直径比，其次要增强其与基体的黏结强度。然而，如果钢纤维的长度和直径比过大，则会影响混凝土的性能，表现为使和易性明显降低，严重时甚至会导致钢纤维结团，对拌和物的均匀性造成很大破坏，影响施工性能。由此可见，钢纤维的长度和直径比并非越大越好，而是要在合理的范围内，并尽可能提高黏结强度，这是确保拌和物性能的关键所在。钢纤维和基体的黏结强度，主要由钢纤维的形状决定。

2 对钢纤维的要求

施工前，需明确对钢纤维的各项要求，保证所用钢纤维的性能和质量都满足施工要求。

第一，在道路桥梁工程中使用的钢纤维，以冷拉钢丝型钢纤维或铣削型钢纤维为宜。另外，为避免钢纤维结团，还应考虑钢纤维自身的结团性质。

第二，按照相关的技术规程，为了使钢纤维混凝土的各项力学性能达到最佳，例举的工程中所选的钢纤维为冷拉钢丝型，其长度在50mm 左右，长度和直径比在80 左右。有效抗拉强度可以达到1000MPa以上[1]。

第三，从每批钢纤维中随机抽取10 根进行弯折试验，若10 根样品中有不少于9 根不被折断，则认为这一批钢纤维的弯折性能合格。具体的弯折试验方法为：将样品围绕在3mm 直径的圆形钢棒上，用手将钢纤维朝相对容易弯折的方向进行弯折，直到弯折角度达到90o。

第四，长度偏差应控制在公称长度的±5%以内；直径或等效直径的偏差要控制在公称直径的±10%以内；长度和直径比的偏差则要控制在公称值的±15%以内。

第五，钢纤维的表面应保持光洁，没有缺陷、油污及水泥基，否则将对其增强效果造成很大影响。将钢纤维中由于加工导致的黏结、锈蚀、杂质等的含量，控制在其总量的±1%以内[2]。

3 配比的要求与设计

3.1 配比要求

3.1.1 根据既有工程的施工经验，当选择冷拉钢丝型进行施工时，其掺量以25～30kg/m3为宜，但具体的掺加数量还应结合相关的试验来确定。

3.1.2 采用钢纤维增强的混凝土，其粗骨料粒径不能超过25mm。

3.1.3 单位体积水量，要以设计提出的稠度要求为依据进行确定。一般情况下，每掺加总体积5%的钢纤维，需要增加7kg 左右的用水量，同时提高2%的砂率。此外还要注意，如果混凝土中掺加了外加剂，则要充分考虑其可能造成的影响。

3.1.4 以混凝土的抗压强度要求为依据，确定适宜的水灰比范围。

3.1.5 采用钢纤维增强的混凝土，其坍落度需要比一般的混凝土小，而维勃稠度则可以和一般的混凝土完全相同。

3.2 配比设计

3.2.1 设计原则

钢纤维混凝土的配比设计方法和普通混凝土基本相同，要求在保证抗弯拉强度的基础上，符合路面施工提出的各项要求[3]。

3.2.2 设计指标

钢纤维混凝土配合比的控制性指标包括：水灰比应控制在0.47 以内；砂率应保持在38%～50%的范围内；水泥剂量应保持在400～480kg/m3的范围内；坍落度应保持在3～5cm 之间。

结合钢纤维混凝土自身及施工特点，确定如下试验室配合比：

1#配合比：水灰比为0.40，水泥∶水∶（4.75～9.5mm）粗集料∶（9.5～19mm）粗集料∶砂∶外加剂∶钢纤维=440∶177∶449∶675∶778∶5.76∶0∶45，实测坍落度为45mm。

2#配合：水灰比为0.40，水泥∶水∶（4.75～9.5mm）粗集料∶（9.5～19mm）粗集料∶砂∶外加剂∶钢纤维=440∶177∶446∶671∶774∶5.76∶30，实测坍落度为42mm。

3#配合比：水灰比为0.40，水泥∶水∶（4.75～9.5mm）粗集料∶（9.5～19mm）粗集料∶砂∶外加剂∶钢纤维=440∶177∶445∶669∶771∶5.76∶40，实测坍落度为42mm。

4#配合比：水灰比为0.40，水泥∶水∶（4.75～9.5mm）粗集料∶（9.5～19mm）粗集料∶砂∶外加剂∶钢纤维=440∶177∶444∶667∶769∶5.76∶50，实测坍落度为41mm。

3.3 拌和物的性能

铣削型钢纤维的表面较为粗糙，如同砂皮。所以，它和水泥浆体之间的黏结相对牢固，能有效减少或避免塌边。通常，当采用铣削型钢纤维时，坍落度比常规混凝土低20mm 左右，且采用摊铺机完成摊铺与振动后，其具有和常规混凝土大致相同的黏聚性。

钢纤维混凝土达到硬化后的性能为：

其一，在弯拉强度方面，1#配合比28d 龄期，弯拉强度为5.56MPa；2#配合比28d 龄期，弯拉强度为6.48MPa；3#配合比28d 龄期，弯拉强度为6.94MPa；4#配合比28d 龄期，弯拉强度为7.42MPa。根据以上实测结果可知，按照30～50kg/m3的用量添加钢纤维，能使混凝土28d 龄期的弯拉强度提升15%～35%。

其二，在抗冲击性方面，将冲击次数作为冲击强度，1#配合比冲击次数为21 次；2#配合比冲击次数为69 次，与未添加钢纤维时相比，提高了3.3 倍；3#配合比冲击次数为88 次，与未添加钢纤维时相比，提高了4.2 倍；4#配合比冲击次数为106 次，与未添加钢纤维时相比，提高了5.0 倍。根据以上实测结果可知，按照30～50kg/m3的用量添加钢纤维，能使混凝土的抗冲击强度提高3～5 倍。

其三，在抗干缩开裂方面，在连续养护28d 的水稳基层表面浇筑尺寸为（30×50×5）cm 的常规混凝土板和按照50kg/m3掺量添加钢纤维的混凝土板，然后用碘弧灯照射，并用风扇使板快速失水。在这一过程中，通过观察确定开裂时间。常规混凝土板24h 裂缝数量为5 条，裂缝总长度为51cm，48h 裂缝数量为7条，裂缝总长度为82cm；钢纤维混凝土板24h 裂缝数量为1 条，其长度为7cm，48h 裂缝数量为2 条，其总长度为18cm。根据以上实测结果可知，钢纤维的添加能延缓裂缝的产生，且裂缝的数量与长度均有所减少。

其四，在耐磨性方面，主要采用水泥胶砂耐磨试验机进行试验[4]。试验开始前，应先将试件放入60oC烘箱，烘干到重量保持恒定，然后采用试验机连续磨削50 转，并对试件因磨削而损失的数量进行计算，据此对试件的耐磨性进行描述与评价。常规混凝土的单位面积磨削量为5.83g，而钢纤维混凝土的单位面积磨削量则为4.42g。可见，相较于常规混凝土，钢纤维混凝土具有更好的耐磨性。

4 施工工艺

4.1 拌和

在钢纤维混凝土拌和过程中，应注意以下几个方面：

其一，在拌制、生产钢纤维混凝土的过程中，应将钢纤维连同粗细骨料一同添加至搅拌机。

其二，相较于普通混凝土，钢纤维混凝土要多拌20～30s，其目的在于保证钢纤维在混凝土中分布均匀，不会结团。

其三，安排专人对钢纤维的实际掺加量与配合比进行严格控制，以达到预期的增强效果和质量[5]。

其四，拌和时应对不同原材料进行的称量，结果偏差要符合下列要求：称量钢纤维、水泥与外加剂时，其偏差要控制在±2%以内；称量粗细骨料时，其偏差要控制在±3%以内；而称量水时，其偏差要限制在±1%以内。

4.2 摊铺、振捣与整平

钢纤维混凝土的布料及摊铺，不仅要满足一般混凝土的布料及摊铺要求，还需要满足以下特殊要求：

其一，铺装层的层厚一般取10cm，偏差要控制在-5～+10mm 的范围内。

其二，无论施工中使用何种机械或方法进行布料及摊铺，都应保证钢纤维的实际分布达到均匀和连续，在一个面板的范围内进行布料和摊铺时，不能中断。

其三，布料时，具体的松铺高度要通过试验性摊铺来确定，通常要比一般的混凝土高10mm。

其四，墩台上一般设有伸缩缝，在此处进行铺装时，要预留一定的宽度暂不浇筑，待伸缩缝安装好后，再使用强度满足要求的混凝土将预留槽浇筑饱满[6]。

其五，施工缝分为横向缝和纵向缝，这两种缝应形成一个标准的垂直面，同时要在预留槽内实施施工缝的布置。

其六，考虑钢纤维混凝土中含有钢纤维，故振捣不能用插入式振捣棒，这一点和一般的混凝土完全不同。施工中使用的机械和方法，既要使混凝土振实，又要避免破坏钢纤维的分布，在从表面向下30mm 的范围内，混凝土中的钢纤维应尽量呈平面。在振捣结束后，要用3m 直尺实施平整度的检测，一般不能超过3mm。

其七，拌和物从出料到结束摊铺的时间应达到以下要求：第一，当施工气温为5～9oC 时，从拌和物出料到运输到场，滑模与轨道所需要的时间不能超出1.25h，三辊轴机组所需要的时间不能超出1.0h；从出料到完成铺筑，滑模与轨道所需要的时间不能超过1.5h，三辊轴机组所需要的时间不能超出1.25h。第二，当施工气温为10～19oC 时，从拌和物出料到运输到场，滑模与轨道所需要的时间不能超出0.75h，三辊轴机组所需要的时间不能超出0.5h；从出料到完成铺筑，滑模与轨道所需要的时间不能超过1.0h，三辊轴机组所需要的时间不能超出0.75h。第三，当施工气温为20～29oC 时，从拌和物出料到运输到场，滑模与轨道所需要的时间不能超出0.5h，三辊轴机组所需要的时间不能超出0.35h；从出料到完成铺筑，滑模与轨道所需要的时间不能超过0.75h，三辊轴机组所需要的时间不能超出0.5h。第四，当施工气温为30～35oC时，从拌和物出料到运输到场，滑模与轨道所需要的时间不能超出0.35h，三辊轴机组所需要的时间不能超出0.25h；从出料到完成铺筑，滑模与轨道所需要的时间不能超过0.5h，三辊轴机组所需要的时间不能超出0.35h[7]。

其八，摊铺时，不可由于拌和物干涩而私自加水，必要时可使用喷雾的方法避免其表面水分的大量蒸发。

4.3 抗滑沟槽

抗滑沟槽的制作方法以硬刻槽法为宜，也可使用滚式拉槽器进行制作。控制沟槽的深度3～5mm，相邻两个沟槽之间的距离则需按照30～50mm 进行控制。在施工中，要精确掌握制槽时间，在防止表面破损的同时，使构造深度满足设计要求。

4.4 养护

与一般的混凝土相同，钢纤维混凝土也需要通过薄膜覆盖与洒水相结合的方法进行养护，养护的持续时间应达到7d 以上，但要注意不可围水养护[8]。

5 结语

综上所述，在道路桥梁施工过程中，通过对钢纤维混凝土的合理应用，能有效改善混凝土的各项性能，延长道路桥梁的使用寿命。通过对上述施工要求的执行及对施工技术的应用，该工程不仅顺利完成施工，而且取得了良好的效果，值得类似道路桥梁工程中的钢纤维混凝土施工参考借鉴。