超高性能纤维混凝土在公路桥梁加固中的应用分析

周欢庆

摘要 超高性能纤维混凝土作为一种新型建筑材料，在公路桥梁加固中具有广泛的应用前景。文章分析了超高性能纤维混凝土在公路桥梁加固应用中存在的问题，并提出了相应的优化措施。通过实例进行分析得出，在保持铺设厚度不变的情况下，钢纤维混凝土在跨径10 m下加铺层最佳的应力点是加铺层长度50 cm，在跨径20 m下加铺层最佳的应力点是加铺层长度75 cm，在跨径30 m下加铺层最佳的应力点是加铺层长度100 cm，也就是说，加铺长度随着跨径的增大而不断增加；当钢纤维混凝土在跨径相同、加铺层长度相同时，加铺层对应的有效应力随着加铺层厚度的增加而逐渐减小；当钢纤维混凝土在跨径相同、加铺层厚度相同时，有效应力随着加铺层长度的增加而逐渐变平缓且减小。

关键词 纤维混凝土；桥梁加固；铺设厚度；铺设层长度；应力

中图分类号 U445.72文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）08-0137-03

0 引言

公路桥梁作为交通基础设施的重要组成部分，在长时间的使用过程中会受到各种力的作用导致结构损伤，需要进行加固维修。传统的加固方法往往存在一些问题，如耐久性差、强度不足等，传统的加固材料和方法在某些情况下已经显示出滞后和不适用的问题，因此需要寻找更高性能、更具耐久性的加固材料[1]。超高性能纤维混凝土（UHPFRC）采用了水泥、粉煤灰、硅砂、钢纤维，水胶比小于0.25，通过特殊配比和施工工艺制备而成，内部具有不连通孔结构，有很高抵抗气、液体浸入的能力，与传统混凝土和高性能混凝土（HPC）相比，耐久性可大幅提高，同时UHPFRC具有更高的抗压强度、抗拉强度、抗冻融性能和优异的自修复性能和抗裂性能，UHPFRC以其优异的力学性能和耐久性，在公路桥梁加固中被广泛研究和应用[2-3]。

1 超高性能纤维混凝土应用中的问题

1.1 裂缝及界面黏结问题

超高性能纤维混凝土具有优良的抗压性能，但由于其抗拉强度相对较低，因此在受拉区域容易出现裂缝。这些裂缝可能会在梁板受荷时扩大，从而影响结构的整体性能和加固效果。同时，超高性能纤维混凝土与原构件之间的黏结界面是加固过程中的一个关键环节，但是界面黏结不牢固，会导致应力传递不连续，从而降低加固效果。

1.2 材料质量问题

超高性能纤维混凝土的性能与原材料的质量密切相关，由于原材料质量不稳定或存在缺陷，例如纤维分布不均匀、混凝土配合比不当等，会导致混凝土强度、耐久性等方面出现问题，从而影响加固效果[4]。

1.3 施工工艺及成本问题

超高性能纤维混凝土的施工工艺比较特殊，需要采用专门的施工设备和技术要求。如果施工工艺不正确或不规范，如浇筑方式不当、养护条件不合适等，会导致混凝土内部结构不均匀、强度不足等问题。同时，超高性能纤维混凝土相对于传统的混凝土加固方法成本更高，因此会限制超高性能纤维混凝土在公路桥梁加固工程中的应用。

2 超高性能纤维混凝土在公路桥梁加固应用中的优化措施

2.1 优化受拉区裂缝及界面黏结

为了减少受拉区裂缝，必须在施工前对原构件进行详细的结构分析，确定合理的加固方案。同时，可以在受拉区添加钢丝和纤维等增强材料，提高混凝土的抗拉性能。另外，需要加强施工过程中的监控，及时发现并处理裂缝问题；针对已经产生的裂缝可以采用适当的表面处理技术，例如喷涂、贴布等，对已出现的裂缝进行修补。

为了增强界面黏结，对原构件表面进行凿毛、清理干净，使表面平整、无油污、无松散物。同时，选用适当的界面处理剂，例如混凝土界面剂、黏结剂等，增强界面黏结力。在施工过程中，严格控制混凝土的浇筑和养护，确保混凝土与原构件之间紧密贴合，加强施工过程中的监控，及时发现和处理界面黏结问题。

2.2 把控材料质量

首先，严格控制原材料的质量，选用质量稳定、符合要求的原材料，特别是一些材料的物理特性，常见的不同种类混凝土纤维材料的物理特性见表1[5]；其次，加强配合比设计，通过试验确定最优的配合比方案；另外，加强生产过程中的质量控制，确保混凝土的质量稳定，并对进场的混凝土进行质量检查，确保质量符合要求。

2.3 优化施工工艺及成本

为确保施工工艺的正确性和规范性，需要制定详细的施工方案和技术要求，并且要加强施工人员的培训和技术交底，提高施工技能和责任心。同时，可以采用喷射施工、模板施工等专门的施工设备和技术，确保混凝土的浇筑质量。并且加强施工过程中的质量检查和验收，及时发现和处理问题。

为了降低成本，可以优化施工工艺和配方，降低原材料和生产成本；采用国产原材料代替进口材料，降低采购成本；同时，在施工过程中加强工程管理和成本控制，避免浪费和不必要的开支。

3 超高性能纤维混凝土在公路桥梁加固应用优化措施的应用

3.1 项目概况

该研究选择某高速公路上的一座公路桥梁作为案例进行超高性能纤维混凝土的应用分析和优化措施验证。该桥梁使用年限已超过30年，结构存在一定的损伤，需要进行加固和修复。根据现场实际情况及实际方案分析，选择钢纤维混凝土来加固材料，现场原材料为工厂加工的干混成品，干混料采用吨袋包装，每袋1 t，现场只需加水搅拌，其中混凝土配比中混合料∶钢纤维∶水∶减水剂=52.5 kg∶2.5 kg∶3.45 kg∶0.60 kg，其他相关技术参数如表2所示。

3.2 超高性能纤维混凝土在公路桥梁加固技术措施分析

3.2.1 加铺层长度的影响分析

为了分析超高性能纤维混凝土的应用效果和验证优化措施，通过对该项目的施工及性能数据进行详细分析。由于在主梁铺装行车荷载的作用下所产生的应力大小不清楚，因此，该工程采用有限元模拟的方法对钢纤维混凝土加铺层具体结构长度和厚度进行确定。在验证时，主要将不同钢纤维混凝土沿跨度方向长度、加铺厚度、跨径长度作为变量进行分析研究。在加铺厚度一定，跨径长度分别为10 m、20 m和30 m时，不同钢纤维铺设长度的应力分析如图1～3所示。

从图1中可以看出，钢纤维混凝土各方向的应力随着钢纤维混凝土沿跨度方向长度的增加而逐渐减小。其中当钢纤维混凝土沿跨度方向长度为50 cm时为各应力的分界点，当长度小于50 cm时，各应力降幅较快；当长度大于50 cm时，各应力降幅逐渐平缓，使得加铺层长度即使增加对各混凝土加铺层应力的影响程度相对较小，但是如果增加加铺层长度会使得成本大幅增加，从使用性能方向考虑在跨度为10 m时加铺层长度为50 cm是最理想的，并且在加铺层长度为50 cm时加铺层的有效应力为0.9 MPa，而钢纤维混凝土的极限拉应力为3 MPa，此时有效应力远小于钢纤维混凝土的极限拉应力，符合设计要求。

从图2中可以看出，钢纤维混凝土各方向的应力随着钢纤维混凝土沿跨度方向长度的增加而逐渐减小。其中当钢纤维混凝土沿跨度方向长度为75 cm时为各应力的分界点，当长度小于75 cm时，各应力降幅较快；当长度大于75 cm时，各应力降幅逐渐平缓，使得加铺层长度即使增加对各混凝土加铺层应力的影响程度相对较小，但是如果增加加铺层长度会使得成本大幅增加，从使用性能方向考虑在跨度为20 m时加铺层长度为75 cm是最理想的，并且在加铺层长度为75 cm时加铺层的有效应力为0.4 MPa，而钢纤维混凝土的极限拉应力为3 MPa，此时有效应力远小于钢纤维混凝土的极限拉应力，符合设计要求。

从图3中可以看出，钢纤维混凝土各方向的应力随着钢纤维混凝土沿跨度方向长度的增加而逐渐减小。其中当钢纤维混凝土沿跨度方向长度为100 cm时为各应力的分界点，当长度小于100 cm时，各应力降幅较快；当长度大于100 cm时，各应力降幅逐渐平缓，使得加铺层长度即使增加对各混凝土加铺层应力的影响程度相对较小，但是如果增加加铺层长度会使得成本大幅增加，从使用性能方向考虑在跨度为30 m时加铺层长度为100 cm是最理想的，并且在加铺层长度为100 cm时加铺层的有效应力为0.6 MPa，而钢纤维混凝土的极限拉应力为3 MPa，此时有效应力远小于钢纤维混凝土的极限拉应力，符合设计要求。

3.2.2 加铺层厚度的影响分析

保持跨径不变，分别分析加铺层长度为50 cm、75 cm和100 cm时铺设厚度不同对加铺层应力的影响，具体分析结果如图4所示。

从图4中可以得出，当钢纤维混凝土在跨径相同、加铺层长度相同时，加铺层对应的有效应力随着加铺层厚度的增加而逐渐减小；另外，当钢纤维混凝土在跨径相同、加铺层厚度相同时，有效应力随着加铺层长度的增加而逐渐变平缓且减小。结合对加铺层长度的影响分析得出，在加铺层厚度一定、跨径小于15 m时，加铺层长度选用50 cm；在加铺层厚度一定、跨径大于15 m并小于25 m时，加铺层长度选用75 cm；在加铺层厚度一定、跨径大于25 m时，加铺层长度选用100 cm。

4 结论

超高性能纤维混凝土作为一种新型建筑材料，在公路桥梁加固中具有广泛的应用前景。该文通过实例对超高性能纤维混凝土进行了分析，具体结论如下：

（1）在保持铺设厚度不变的情况下，超高性能纤维混凝土在跨径10 m下加铺层最佳的应力点是加铺层长度50 cm，在跨径20 m下加铺层最佳的应力点是加铺层长度75 cm，在跨径30 m下加铺层最佳的应力点是加铺层长度100 cm，也就是说，加铺长度随着跨径的增大而不断增加。

（2）当超高性能纤维混凝土在跨径相同、加铺层长度相同时，加铺层对应的有效应力随着加铺层厚度的增加而逐渐减小；另外，当钢纤维混凝土在跨径相同、加铺层厚度相同时，有效应力随着加铺层长度的增加而逐渐变平缓且减小。

（3）在加铺层厚度一定、跨径小于15 m时，加铺层长度选用50 cm；在加铺层厚度一定、跨径大于15 m并小于25 m时，加铺层长度选用75 cm；在加铺层厚度一定、跨径大于25 m时，加铺层长度选用100 cm。

参考文献

[1]王龙， 池寅， 徐礼华， 等. 混杂纤维超高性能混凝土力学性能尺寸效应[J]. 建筑材料学报， 2022（8）： 781-788.

[2]卢志芳， 童路平， 刘沐宇， 等. 轻质超高性能混凝土梁抗剪性能试验研究[J]. 武汉理工大学学报， 2021（11）： 50-56.

[3]张皓， 杜文风， 张帆. 面向3D打印的纤维混凝土材料的发展现状[J]. 河南大学学报（自然科学版）， 2020（1）： 108-117.

[4]许秀颖， 贾影， 时国松. 超高性能纤维混凝土在公路桥梁加固中的应用分析[J]. 公路工程， 2020（4）： 92-95+135.

[5]陈宝春， 韦建刚， 苏家战， 等. 超高性能混凝土应用进展[J]. 建筑科学与工程学报， 2019（2）： 10-18.