上下层布式钢纤维混凝土路面施工技术的应用

苑子卿

（黔东南公路建设养护有限公司，贵州 凯里 556000）

1 上下层布式钢纤维混凝土路面设计

1.1 钢纤维混凝土路面强度

层布式钢纤维混凝土面层结构强度主要以28d 龄期弯拉强度为准，根据《纤维混凝土结构技术规程》（CECS 38：2004）及《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2019）规定，该公路工程层布式钢纤维混凝土路面面层结构强度必须严格按照表1要求控制，如果层布式钢纤维混凝土浇筑施工结束90d后才开放交通[1]，则可以按照90d 龄期强度进行控制，具体取值为28d 龄期强度的1.1 倍。根据现行规范，不同交通等级下层布式钢纤维混凝土路面面层厚度均应当根据规范所规定的水泥混凝土面层初步估计厚度的65～75%取值[2]。必须结合施工环境温度、气候条件、设计要求及既有经验等在5～15cm之间进行层布式钢纤维混凝土面层横向接缝间距（即板长）的确定。

表1 层布式钢纤维混凝土路面面层结构强度

临界荷载位置由标准轴载所引发的荷载疲劳效应值σpr主要取决于基准设计期内因受到累计荷载应力作用后的疲劳应力系数值等参数，对于层布式钢纤维混凝土路面结构其疲劳应力系数应按照下式确定：

式（1）中：Kff为基准设计期内因受到累计荷载应力作用后的疲劳应力系数：ρf为层布式钢纤维材料的体积率（%），其值取决于单层混凝土中所撒布的钢纤维重量；lf为钢纤维长度（m）；df为钢纤维等效直径（mm）。

1.2 钢纤维混凝土路面厚度

层布式钢纤维混凝土面层结构厚度必须根据行车荷载以及温度梯度的综合影响而引发的疲劳断裂进行确定，所对应的极限状态可用式（2）表示：

式（2）中：γr为层布式钢纤维混凝土结构可靠度系数；σtr为在受到温度梯度的作用下层布式钢纤维混凝土面层临界荷载位置所发生的温度疲劳应力（MPa），应根据规范确定；fftm为钢纤维混凝土标准弯拉强度（MPa）；其余参数含义同前。

如果层布式钢纤维混凝土温度疲劳应力、荷载疲劳应力与可靠度乘积并未超出弯拉强度，即式（2）成立，则层布式钢纤维混凝土面层厚度即为初选面层厚度，相反，应当重新进行设计，直至符合式（2）相关要求。经过分析，该混凝土路面结构设计厚度取10mm。该混凝土路面上下层布式钢纤维混凝土面层结构设计详见图1，其中A 表示钢纤维混凝土层，B 表示素混凝土层。

图1 上下层布式钢纤维混凝土路面结构

1.3 原材料

上下层布式钢纤维混凝土材料配合比不受钢纤维材料的掺加而发生改变，该混凝土路面施工使用42.5普通硅酸盐水泥，以粒径2.36～31.5mm 连续级配的卵石材料为粗骨料，并以细度模数2.3～2.9 的中砂为细骨料，采用C35 水泥混凝土配合比，具体见表2，水泥∶水∶粗骨料∶细骨料=1∶0.42∶3.6∶1.95。

表2 层布式钢纤维混凝土配合比

钢纤维材料选用的是工程所在地某建筑材料工程有限公司所生产的钢纤维，在15℃温度环境、40%湿度环境及5mm/min 的加载速率进行钢纤维材料性能检测，所测得的材料抗拉强度均值为594MPa；任意挑选10 根钢纤维材料沿直径3mm 的钢棒圆周通过手工方式弯折90°，且10 根钢纤维均未出现断裂迹象。试验结果表明该材料性能完全符合《混凝土用钢纤维》（YB/T 151—2017）相关规定。

混凝土路面养护处治施工所用水泥为P·O 42.5 水泥；粗集料为白云石矿碎石料，集料性能参数详见表3；河砂取自工程所在地总料场，细集料性能具体见表4，本工程所使用的细集料细度模数2.6，性能完全满足混凝土路面对天然砂料的要求。

表3 粗集料级配性能

表4 细集料级配性能

此外，以KD-Z1 型早强高效减水剂为外加剂，该型号外加剂减水率为17.5%，30min 和60min 坍落度保留值分别为132mm 和125mm，泌水率比为70%，水泥净浆流动度204mm，pH 值为8.3，密度为1.15±0.02g/mL，对钢筋混凝土材料均无腐蚀性。

2 施工工艺

针对该改造路段，经过公路管理部门的多方比较论证后决定，在原水泥混凝土路面层上加铺上下层布式钢纤维混凝土以达到结构补强的工程目的。根据设计，加铺层厚12cm，钢纤维体积率0.9%，也就是在上下各层分别撒布1.4kg/m2的钢纤维材料。上下层布式钢纤维混凝土路面施工主要在混凝土路面浇筑前和浇筑过程中，将一层钢纤维均匀布设在路面底部和顶部，形成复合路面结构，整个施工过程中素混凝土设计配合比不变。钢纤维混凝土路面施工质量除必须满足普通混凝土施工要求外，还应加强钢纤维施工控制。在进行钢纤维混凝土路面施工前必须进行基层承载性能的综合评定，若根据评定结果承载力无法达到设计标准，则必须补强处理。

目前国内并无专门针对钢纤维混凝土的施工技术规范，故该旧路面改造工程主要采用的是改进的水泥混凝土路面施工工艺，即在浇筑水泥混凝土路面前和浇筑时分别在路面底部与顶部均匀撒布一层钢纤维材料，以形成复合型路面结构。

2.1 底层钢纤维布设

在处理好的旧路面上均匀撒布一层厚度为10～20mm 且与路面同强度等级的混凝土材料，为混凝土振捣过程中钢纤维被砂浆握裹提供条件；再借助人工筛按照设计撒布量将钢纤维均匀铺设在混凝土上。钢纤维撒布的过程中必须均匀、足量，并避免成团或漏撒；同时，应禁止车辆碾压和人员走动，以免影响钢纤维均布，造成层布式钢纤维混凝土成型后出现分层或路板断裂。

2.2 二次混凝土浇筑

撒布好钢纤维后便进行其上混凝土的浇筑，在混凝土摊铺施工过程中应将其松浦高度控制在低于路面设计高程1～2cm 的位置。完成摊铺后还应通过振动棒将混凝土振捣至密实状态，同时借助振动板粗平，为上层钢纤维均布提供条件。

2.3 上层钢纤维布设

待完成二层混凝土摊铺及找平、振捣密实及粗平后应及时进行上层钢纤维材料的撒布，具体的撒布方式与撒布量与底层钢纤维处理完全一致。

2.4 三次混凝土浇筑

按照设计要求铺设好上层钢纤维材料后再加铺顶层混凝土，并按照同样的操作方法找平处理后借助振捣器振捣密实，再通过三辊轴整平仪进行整平，并借助磨浆机收浆处理。此后的处理工艺与普通水泥混凝土路面施工完全一致。

2.5 切缝及养护

切缝施工应当在混凝土浇筑结束12h 后进行，且不得超出24h；切缝的距离应控制在原路面接缝间距的两倍左右，并保证上下缝完全对齐。就该公路工程而言，设计缩缝缝距取10m，采用两次切缝的成缝工艺，第一次和第二次切缝宽度分别为3mm、12～20mm，切缝深度分别为80～90mm 和30mm。完成切缝后应彻底清洗接缝，此后按照设计要求灌注填缝料。

层布式钢纤维混凝土的养护过程与常规水泥混凝土路面养护完全一致，该国道工程混凝土路面严格按照《公路水泥混凝土路面养护技术规范》（JTJ 073.1—2001）的要求进行。

3 施工应用总结

层布式钢纤维混凝土施工技术是在纤维混凝土施工技术的基础上演变而来的，该结构形式在保持原混凝土配合比的基础上，将设计用量的钢纤维材料均匀布设在沥青路面底层和顶层，能够在保证混凝土材料优势的情况下充分发挥钢纤维增强作用，最终取得普通水泥混凝土所不具备的抗裂、抗冲击、抗疲劳、抗拉强度等方面的工程效果。层布式钢纤维混凝土与整体掺入式钢纤维混凝土相比，钢纤维用量减少了将近75%，但性能却能达到整体掺入式钢纤维混凝土的90%以上[3]，力学性能和工程造价方面均十分优异。

层布式钢纤维混凝土作为新型沥青路面结构形式，在施工方面仍存在一定问题。钢纤维材料撒布一般通过人工方式，没有特定的施工机械和专门的撒布技术，均匀撒布的确存在一定难度，沥青路面下层钢纤维撒布后要在其上进行中层混凝土摊铺，根据对该公路施工过程的调查发现，中间层混凝土材料在倾倒、摊铺等过程中必然会扰动撒布好的钢纤维材料；沥青路面上层钢纤维撒布好后，顶面混凝层设计厚度有限，在其摊铺过程中，避免对钢纤维层的扰动存在较大难度，同时，混凝土材料中的粗集料也会对钢纤维层造成一定程度的扰动，影响其整体性能。正是由于这方面的原因，使得层布式钢纤维混凝土施工技术很难在高等级路面施工中推广应用。

此外，钢纤维材料的外形结构、力学性能在国内缺乏权威性规定。全国刚标准化技术委员会于1999 年出台了《混凝土用钢纤维》（YB/T 151—1999）行业标准，该标准在混凝土用钢纤维材料抗拉强度、尺寸误差、弯曲性能、外形分类、钢纤维生产中黏连片及轧屑等允许值等方面均非等效地采用了美国《增强纤维混凝土用钢纤维》（ASTM A820—1990）标准[4]，但是并未对尺寸超差试样比例作出具体规定。2017 年中国钢铁工业协会对原标准进行了修订，提出《混凝土用钢纤维》（YB/T 151—2017），该标准在沿用原标准的基础上，对钢纤维强度公差、尺寸进行了分级规定，并对钢纤维材料抗拉强度重新进行了分级，提出了钢纤维表面质量细化要求，还补充了钢纤维对混凝土结构增强效果的测试技术。而就当前钢纤维材料生产工艺而言，材料施工和易性差，在材料搅拌及振捣过程中出现成团、折断的现象也时常发生，必须在全面收集国内混凝土路面施工中钢纤维材料的应用数据和性能监测结果，并在实验路段进行长期试验及连续监测，展开全面分析，为完善层布式钢纤维混凝土施工方案设计、钢纤维材料撒布、施工质量控制及钢纤维材料黏结性能的改善提供依据。

4 结语

综上所述，层布式钢纤维混凝土技术当前在国内仍处于探索应用阶段，在施工方案设计及施工过程控制等方面正逐步完善。工程实践表明，层布式钢纤维混凝土能够显著提升混凝土路面结构强度，有效缓解并抑制各类裂缝的出现，降低路面养护费用，延长路面使用寿命。为推进该技术在我国高等级混凝土路面养护处治领域的应用，必须从钢纤维撒布设备研发生产、撒布质量控制及钢纤维材料生产工艺改进等方面着手，为上下层布式钢纤维混凝土施工质量控制提供保证。