公路桥梁施工中钢纤维混凝土技术的应用

刘 强

（甘肃第七建设集团股份有限公司，甘肃 兰州 730030）

传统公路桥梁都是以钢筋混凝土为主要材料，虽然建造成效显著，比较坚固耐用，但这类材料存在一定局限性，一旦使用不当，不仅容易影响生态环境，还极易引起裂缝等相关质量问题。钢纤维混凝土技术作为一种新型施工材料，不仅成本投入低廉，制作过程简单，对生态环境友好，还同时拥有良好的稳定性及强度，合理应用在路桥施工过程中，强化工程荷载与抗压能力，再加上钢纤维混凝土本身质量较轻，更有利于降低作业难度，提升作业效率。从目前关于路桥施工应用的研究现状来看，整体成果较为丰富，基本总结出了一些应用策略，但时间相对久远，且受到篇幅限制以及其他因素影响，研究并不深入。对此，重点以钢纤维混凝土为核心，特别探究其在路桥施工中的应用策略具有一定现实意义。

1 钢纤维混凝土施工技术简析

1.1 主要类型

当前市场上的钢纤维类型较多，按照制造方式的差异性，可以将其分为这几种：①切断型。重点是对表面实施变形处理，以优化力学性能，提升钢纤维与砂浆之间的黏性。②剪切型。重点利用冷轧薄板根据相应的宽度与厚度进行剪切，使其与砂浆之间的黏性更为突出，效果要优于切断型。③切削型。重点利用管钢锭或者较厚的钢板进行加工制作，不仅强度大，和浆料之间的黏性也更好。④熔抽型。其强度通常不确定，主要受熔钢成分以及热处理条件影响，并且氧化层的存在也降低了和浆料之间的黏性。

1.2 原料选用

在钢纤维混凝土中，水泥是主要原料。对于公路桥梁工程而言，水泥应该优先选择强度较高、惰性较小，抗冻能力和抗磨能力突出，一般以硅酸盐水泥作为原料。水的使用以可饮用为标准，并通过水量与外掺剂控制强化材料强度和密实度。如果水灰比较低，需应用减水剂、塑化剂等进行调节；倘若完工日期紧迫，需利用早强剂进行控制；如果需要达到抗冷目的，需使用加气剂调节。

1.3 作用机理

在工程建设过程中，钢纤维主要是利用外力作用进行基体裂缝扩展限制。具体过程为：在材料承受荷载初期，水泥基料与钢纤维共同承受一定外力，且水泥是外部力量的主要承担者。但在基料产生裂缝之后，处于裂缝中的钢纤维就开始成为外力的承担者，如果钢纤维体积掺量大于临界值，材料继续承受荷载的能力就会提升，并发生变形，整个过程依然会慢慢发生变化，一直到钢纤维被完全拔出，材料整体被破坏。所以对钢纤维混凝土而言，其性能主要受钢纤维的种类、掺量，以及复合材料中的砂率、减水剂、掺合料等因素影响。其中钢纤维的实际长径与掺量是最核心的两大影响因素。

1.4 性能特点

钢纤维混凝土具有良好的强度和重量比值，抗压和抗弯极限强度也比较突出。其中和常规混凝土相比，单轴抗拉极强度能提升40%～50%，抗弯极强度能提升50%～150%。另外，抗冲击性能也比较高，当钢纤维掺入量为0.8%～2.0%时，冲击韧性指标能有效提升50～100倍，有时候甚至还能达到更高。这类材料变形性能改善也比较可观，特别是能提升抗拉弹性模量，降低收缩率。除此之外，抗裂、抗疲劳、抗剪、抗冻、耐磨等性能都十分突出。

2 钢纤维混凝土技术在路桥施工中的应用范围

2.1 公路方面

2.1.1 路面铺装

将钢纤维混凝土应用在路面铺装中，能有效减少铺装厚度，可以不设或者少设纵缝，横向伸缩缝也会比较少，因此融冻性与耐磨性优势突出，有利于提升路面使用寿命。目前主要被应用在这几种情况中：①全截面路面。对于这种路面，其钢纤维混凝土的使用厚度基本是传统混凝土厚度的50%～60%，钢纤维掺入量基本在0.8%～1.2%。如果是双车道路面，通常不会设置纵缝。②复合式路面。这类路面可以设计成双层或三层，前者是将路面结构分成底层与顶层，底层使用常规混凝土进行铺装，顶层则使用钢纤维混凝土铺装，铺装量是常规混凝土铺装量的2/5～3/5。后者是指在路面铺设过程中，将路面结构分为底层、中间层与顶层，底层与顶层都使用钢纤维混凝土进行铺装，中间层使用传统混凝土进行铺装。双层结构路面整体成本投入较低，操作流程简单；三层结构路面能更好地提升结构稳定性，减少路面裂缝问题产生，具体应根据施工特点和要求等进行合理选择。

2.1.2 路面修复

公路在投入应用后，难免会因为各项因素影响，导致路面产生不规则凹陷或者裂缝等问题。为保证工程质量，还需及时进行问题修复，而钢纤维混凝土正好是最佳的修复材料，能起到良好的加固作用。目前最常见的修复方式就是在破损路面上罩上一层钢纤维混凝土，依路面破损程度从高到低可以分别采取三种方式：①结合式罩面。具体是将罩面层和路面旧的混凝土结合在一起，两者形成新的路面结构。②直接式罩面。具体是指不将罩面和旧的混凝土结合起来，而是给两者之间设置一道隔离层，相互独立发挥作用。③分离式罩面。具体是直接在旧的混凝土路面上铺筑一层罩面。实际应用时可以根据路面的破损程度合理选择。

2.2 桥梁方面

钢纤维混凝土在桥梁工程中的应用主要集中在桥面铺装、桩结构建设、桥梁墩台加固以及边坡与隧道的防护工作中，特别在桥面铺装中应用最为广泛。

2.2.1 桥面铺装

在桥面铺装时通常可以采用较为常规的施工方式，并基于材料特点和要求进行。①拌和与运输。钢纤维通常体积密实，在进行拌和前，需要先进行分散，以避免产生结团问题，影响施工质量。一般钢纤维混凝土搅拌工艺与所用机械息息相关，主要分为卧轴式搅拌机械拌和、自落式搅拌机械拌和、涡桨式搅拌机械拌和三种，各自入料顺序等有所差异。实际运输时要先对生产与浇筑进度进行协调，保障道路通畅，确保从拌和完成到压送时间不超出60 min。②浇筑与养护。砂浆在到达浇筑点后需要马上进行摊铺，具体顺序先板边，再边角，最后板中，摊铺厚度也要加强控制，预留出约20%的沉降量，便于后续整平。振捣过程要坚持慢拨快插，避免发生空穴。养护时间通常要在7 d以上，如果浆料中加入了粉煤灰、缓凝剂等，必须确保养护14 d以上。当整体强度超过1.2 MPa时，才可以上人，如果是加入了外加剂，还需达到2.5 MPa。倘若在冬季施工，还需使用草垫保温。③整平与切缝。振捣工作结束后，还需利用条夯将表面振平，再使用钢滚筒整平。切缝工作必须及时展开，具体可以基于施工时的气温状况以及钢纤维混凝土强度确定，避免切缝过早。

2.2.2 局部加固

桥梁墩台与桥面因长期载重，容易产生裂缝或表层疏松剥落现象，对此还需利用喷射机把钢纤维混凝土均匀喷洒到病害位置。一般喷洒厚度可根据工程实际状况控制在50～200 mm，以更好地提升结构抗震性。此外，还可以在混凝土中使用短钢纤维，即剪切钢纤维，比重大约是1∶100，同时再给材料中加入硫氯酸盐快硬水泥和TS型快速凝结剂，最后再将材料均匀喷洒在病害位置，以达到提升抗裂性能的目的。在这一过程中，对病害位置先进行凿毛或喷砂，可以使新旧混凝土得到更好的黏合，保证结构整体性。

2.2.3 上部承重

在施工过程中直接给桥梁上部承受荷载的位置使用钢纤维混凝土，可以有效降低桥梁重量，改善桥梁受力状况，有效控制变形问题。和常规混凝土技术相比较，钢纤维混凝土的运用还能有效减少上部材料的使用量，使桥梁造型变得更为美观，在降低成本投入的同时，保证工程经济效益。

3 钢纤维混凝土技术在公路桥梁中的应用要点

3.1 科学配比

在进行浆料配比时，应该先确定砂率，通常需要控制在38%～50%以内。此外，还需根据搅拌物的实际状况确定卵石以及大直径碎石的最大砂率。然后明确水灰比用量，具体先对常规混凝土抗弯曲以及抗拉伸强度进行计算，再结合路桥应用寿命设计最小水泥用量以及最大水灰比，从而计算出水量。同时，也需基于搅拌物坍落度进行水量计算。

3.2 材料拌和

因为钢纤维直接投入搅拌机械内时会发生结团问题，为保证搅拌均匀，还要先进入分散设备进行内容物分散。投料顺序与搅拌时间也需进行充分控制，即要先投入干料再投入湿料，先投入砂，再投入钢纤维，然后投入碎石，最后投入水泥。材料投入后先干拌1 min左右，再根据实际情况注水和外加剂进行搅拌。搅拌机械通常以强制式和双锥反转出料式为主，一般要基于钢纤维掺量和坍落度进行利用率调节，避免发生超负荷运载。

3.3 浆料运输

在浆料运输时，主要采务自卸车辆。由于在运输过程中浆料受到震动，导致钢纤维下沉，从而损失含气量以及坍落度，给浆料均匀性带来不良影响。所以还需尽可能缩短运输时间与距离，并避免运输过程污染浆料。通常运输最大时长要以试验所提供的水泥初凝时间和施工操作时间作为最大限度。

3.4 浆料浇筑

在浆料到达施工现场之前，需提前安装好模板，后续倒入浆料后还应人工找平，避免浆料大范围堆积。浇筑过程也要保持连续性，防止产生裂缝。

3.5 振捣摊铺

振捣作业需要使用专项设备，摊铺过程也要以具体厚度为准，倘若厚度在0.2 m之内，只需要摊铺一次，振捣工作则在浆料不再下沉时停止。

3.6 抗折强度

通常每铺筑400 m3钢纤维混凝土后，需要制作两组抗折试件，后续每增铺1 000～2 000 m3浆料，则增做1组抗折试件。试件需要在现场以工程相同条件进行湿法养护，并测定7 d龄期试件强度，检查其是否能够超过28 d龄期强度的70%，倘若没有达到要求，还需及时采取措施进行强度强化。

3.7 表层平整

对于路桥表面而言，受运营安全要求影响，整平后的面板表层1～3 cm深度内还需确保钢纤维处在平面分布状态中，坚决不出现翘头、直立现象，避免后续磨损后刺扎车辆轮胎。其表层功能与传统混凝土表层要求基本相同，即要耐磨损、抗滑等等。

3.8 表面处理

为避免钢纤维外露问题产生，在整平前还需使用金属滚轮或者其他设备，将已经直立外露的纤维压入，在抹面与压纹操作时也坚决不能将钢纤维带出。通常抹平需要在初凝前进行，主要使用压辊、刷子等进行压纹、拉毛。割槽时间也要进行合理控制，不能过早更不能过迟，通常在抹面后的12～48 h以内进行。

3.9 工程养护

与传统混凝土参与的工程一样，钢纤维混凝土在施工结束后也要进行养护。开始养护时间一般是在抹面2 h之后，表层已经有一定硬度时。具体可以应用麻袋、草垫等覆盖在表层，每日洒水多次，使其始终保持潮湿，具体养护时间必须超过7 d。或者可以应用不透水的薄膜覆盖在表层，避免浆料中的水分过快蒸发，保证水化作用正常开展。

4 结束语

作为一种重要的水泥基复合料，钢纤维混凝土目前在道路桥梁建设中已经得到了大量实践应用，对于路桥使用性能、施工质量强化、工程造价完善等方面都具有十分极大优势。从目前得到的实践经验来看，主要被应用在路面铺筑、路面修复、桥面铺筑、桥梁局部加固、桥梁上部承重等方面。具体开展时，应先掌握科学的材料配比，然后正确拌合，合理控制运输时间与距离，并完善浇筑和振捣工作，测量抗折强度，加强表面修整和日常养护，以使该材料性能优势得到最大限度发挥，促进路桥事业建设。