钢纤维混凝土在公路工程中的应用研究

盖腾

（石家庄市交投津石高速公路建设管理有限公司深正分公司，石家庄 050000）

1 引言

钢纤维混凝土由于在混凝土中掺入钢纤维材料，使其相对于普通混凝土来说，更具有抗裂、耐磨、抗冻融以及抗疲劳等优势。在公路路面中若采用钢纤维混凝土，充分利用钢纤维混凝土的优势，可使路面厚度以及路面钢筋用量得到优化。综合来说，公路路面采用钢纤维混凝土，不仅节约钢材，还可以保证公路工程质量。因此，在公路路面中采用钢纤维混凝土，具有显著优势。

2 路面采用钢纤维混凝土的优势

混凝土中由于掺入了钢纤维，当混凝土出现开裂后，横跨裂缝的钢纤维成为主要抵抗外力作用的承受者，抑制混凝土内部裂缝的继续发展。钢纤维混凝土与普通钢筋混凝土相比，在力学和物理性能方面具有较大优势。相关试验结果比较详见表1。

表1 钢纤维混凝土和普通钢筋混凝土性能比较汇总表

1）混凝土各项强度增大。混凝土中掺入钢纤维，有效提高了混凝土强度，同时提高了抵抗外力的能力，如混凝土抗压强度、抗剪强度和抗拉强度的提高，尤其是混凝土抗拉强度提高较为明显，加入钢纤维后的混凝土抗拉强度约提高25%～50%，这是钢纤维混凝土在公路工程中得到应用的重要原因之一。

2）混凝土抗冲击性能和抗裂性能得到提高。混凝土中掺入钢纤维，由于钢纤维自身优势的抗裂性和韧性，提高了混凝土抗冲击性能和抗裂性能。掺入钢纤维后的混凝土，其抗冲击性能可提高2～7 倍。另外，钢纤维有利于限制混凝土内部裂缝的发展，钢纤维混凝因此而具有较好的抗裂性能。

3）混凝土耐久性能得到提高。混凝土中掺入了钢纤维，使得钢纤维混凝土具有良好的耐久性能，如钢纤维混凝土的耐冻融性、耐磨性以及耐腐蚀性。根据相关试验结果表明，普通混凝土经过150 次冻融循环后，其抗压强度会下降60%以上，而掺入钢纤维后的混凝土，其抗压强度仅下降20%。另外，钢纤维混凝土具有较好的耐腐蚀性。普通混凝土在腐蚀性海水中，混凝土中的钢筋会容易锈蚀，导致锈蚀层体积膨胀而胀裂混凝土。钢纤维混凝土则只有表层钢纤维出现锈斑，内部钢纤维则未受腐蚀，充分表明了钢纤维混凝土相比普通混凝土，具有更优的耐腐蚀性。

3 钢纤维混凝土在公路工程中的应用

3.1 项目概况

某高速公路全长约100 km，道路设计为双向4 车道，路面设计宽度为24 m，道路设计时速为100 km/h，路面设计荷载为汽车-超20，挂-120。结合该高速公路重要性，经研究决定，对该公路采用钢纤维混凝土路面，抗拉强度要求达到5.5 MPa，抗压强度≥40 MPa。

3.2 钢纤维混凝土配合比设计

钢纤维混凝土配合比设计应结合钢纤维使用要求而选用合理的配合设计方案。

1）钢纤维选取。综合考虑各种类型钢纤维性能，本项目最终选取剪切异形直纹钢纤维，该类型钢纤维规格为0.5 mm（长）×0.5 mm（宽）×25 mm（高），形状为指纹形，密度为6.8 g/cm3，长径比为50，抗拉强度要求达到600 MPa 以上。

2）水泥作为钢纤维混凝土中重要的胶结材料，其质量选取尤为重要。通过综合比较，结合强度要求，本项目水泥选取P·O42.5R。

3）粗集料作为构成钢纤维混凝土的骨架材料，本项目所采用粗集料为碎石。结合相关试验研究，钢纤维混凝土所用粗集料粒径适宜小于钢纤维长度的2/3，由于本项目钢纤维长度为25 mm，因此，粗集料粒径尺寸宜选择5～20 mm。结合相关研究成果，本项目碎石粒径掺配比为：粒径在9.5～19 mm 范围的碎石占比约为60%，粒径在2.36～4.75 mm 范围的碎石占比约为40%。

4）细集料。细集料选取干净的天然砂、机制砂或混合砂。鉴于砂的细度系数和混凝土和易性有着密切关系，而采用粗砂会较易在拌制混凝土过程中出现离析现象，而采用细砂会导致拌制混凝土时需水量较多，两者均不利，因此，宜选取中粗砂，细度模数选用为2.5。

5）最佳配合比。选取合适的组成材料后，需要合理分配各组成材料用量，从而配制出性能优越的钢纤维混凝土。本项目分别选取不同用量的水灰比、钢纤维进配制钢纤维混凝土，对其相关指标进行研究。不同用量水灰比对钢纤维混凝土坍落度和抗压强度影响见图1～图2 所示。图1～图2 表明，水灰比越大，钢纤维混凝土坍落度越大，但抗压强度随之减小。综合考虑，选取水灰比为0.43 时，钢纤维混凝土的坍落度和抗压强度较为合适。

图1 不同水灰比与混凝土坍落度关系曲线

图2 不同水灰比与混凝土抗压强度关系曲线

钢纤维体积率对钢纤维混凝土的坍落度和抗压强度影响如图3～图4 所示。图3～图4 表明，钢纤维体积率越大，混凝土坍落度越小；当钢纤维体积率在1.0%时，钢纤维混凝土抗压强度达到峰值。综合考虑成本以及混凝土各项指标，钢纤维体积率选取1.0%时较为合适。

图4 不同钢纤维体积率与混凝土抗压强度关系曲线

3.3 钢纤维混凝土施工要点

1）布料与摊铺。钢纤维在混凝土中的布料应当均匀分布而且连续掺入混凝土公路面板中，避免出现结团情况，可考虑采用分散机让钢纤维分散进搅拌机。其次，在试铺时，应结合钢纤维混凝土坍落度进行摊铺。一般情况下，钢纤维混凝土中由于掺入钢纤维，在钢纤维的顶托下，钢纤维混凝土坍落度会比普通混凝土坍落度稍低。

2）振捣和整平。钢纤维混凝土摊铺后，应对其采取振捣密实处理。本工程下料后先采用插入式振动棒对混凝土采取初振，再采用平板振动器进行面层振捣，平板振动器采用大功率振动器，最后利用刮板进行收面高程控制。

因为钢纤维混凝土流动性较差，可先采用振捣棒振捣密实边角处，避免该区域产生蜂窝。振捣时间以混凝土停止下沉，而且不再冒出气泡并泛出水泥浆为准。采用振捣棒振捣时，应当避免过振，同时禁止出现沟槽和空洞。振捣时应当按照统一方向振捣，在振捣过程中，发现有外露的钢纤维，则应把竖起的钢纤维及石子压下去，平整后的钢纤维混凝土路面以在面板表面以下10～30 mm 为宜，这样可避免后期路面磨损导致钢纤维外露而影响行车安全。

3）施工钢纤维混凝土尤其注意控制好施工速度，避免施工过慢而导致钢纤维混凝土已凝结但未平整完成。若施工速度较慢，则可考虑对混凝土采取喷雾方式处理，可有效防止钢纤维混凝土表面的水分蒸发，但禁止随意在混凝土拌和物中加水。

3.4 效益分析

1）经济效益。本工程路面采用钢纤维混凝土，路面厚度可减少1/2 以上，同时还节约了钢筋、碎石和水泥等原材料和相应人工费用，钢纤维混凝土单价比普通混凝土便宜约20%。同时由于采用钢纤维混凝土后，路面抗冲击能力和抗疲劳能力得到了提高，节省了后期公路路面养护维修费用。

2）社会效益。从工程竣工后近1 年的通车运营情况来看，采用钢纤维混凝土铺装的桥面没有出现明显病害问题，而采用普通混凝土铺装的桥面干缩裂缝发育明显，路面出现磨耗。

因此，公路采用钢纤维混凝土路面与普通混凝土路面相比，具有显著的经济和社会效益。

4 结语

在混凝土中掺入钢纤维后，其性能与普通混凝土相比得到显著提高。本文系统地介绍了公路工程中采用钢纤维混凝土的优势，结合实际工程案例应用得到了以下结论：

1）钢纤维混凝土对原材料质量要求较高，同时对混凝土配合比设计进行了研究，选取水灰比为0.43，钢纤维体积率在1.0%时，钢纤维混凝土各项指标均满足设计要求。

2）通过对本公路工程采用钢纤维混凝土后的经济以及社会效益进行分析，得出公路采用钢纤维混凝土路面具有显著的经济和社会效益，可在同类工程中推广应用。