钢纤维水泥混凝土道路施工技术研究

摘 要:钢纤维混凝土是一种新型的复合材料。与普通混凝土相比，其抗弯、抗拉、抗裂、抗疲劳性能都有明显提高。本文主要简述钢纤维水泥混凝土的特性以及在工程中的应用。

关键词:钢纤维 复合材料 工程应用

1 纤维水泥混凝土性能

钢纤维水泥混凝土简称（SFRC-Steel-fiberRein-forced Concrete)是一种由水泥、粗细集料和随机分布的短钢纤维合成的复合材料。由于钢纤维的掺入，使得原有混凝土的抗弯、抗拉、抗裂、抗疲劳性能，抗冲击强度和耐磨性能、疲劳寿命都有显著提高，并具有良好的阻止和抑制因温度应力引起裂缝产生与扩展的能力。在修筑桥面，加铺混凝土路面等方面取得了很好的效果。

2 钢纤维混凝土的增强机理

钢纤维在混凝土中的主要作用,在于限制外力作用下基体中裂缝的扩展。在受荷(拉、弯)初期，水泥基料与钢纤维共同承受外力，而前者是外力的主要承受者；当基料发生开裂后,横跨裂缝的钢纤维成为外力的主要承受者。若钢纤维体积掺量超过某一临界值，整个复合材料可继续承受较高的荷载，并产生较大的变形，直到钢纤维被拉断或钢纤维从基料中被拔出，以至复合材料破坏。

3 纤维水泥混凝土性特性研究

已有的研究表明钢纤维混凝土是一种新型路面材料，由于钢纤维的掺入,提高了混凝土的抗拉强度和抗弯强度，也提高了抗冲击性、抗耐磨性和抗疲劳性。图1和图2显示了在实验室通过掺入不同量的钢纤维 (掺入量为30～45kg/m3)混凝土的抗压强度可高（5.8%～12.6%，有的提高约20%；抗弯强度可提高2.4%～20%，可减小厚度10%左右。

试验表明钢纤维混凝土的收缩值较普通混凝土小,其收缩值随钢纤维掺量的增加而减小(图3),所以混凝土面板的横向伸缩缝间距可加大。我国试验研究表明,伸缩缝间距在30m以下未发现有裂缝产生,一般可为15～20m。因此,钢纤维混凝土路面不仅减少了因行车荷载作用导致的损坏,还减少了路面结构中薄弱点处的伸缩缝数量,而且在伸缩缝处因集料的啮合与钢纤维的作用,提高了接缝传荷能力。同时,钢纤维混凝土减少了收缩裂缝,比普通混凝土具有更好的抗渗性。通过试验还可发现钢纤维混凝土不像普通混凝土那样开裂后不久就破坏,它仍有一定的剩余承载力，具有韧性,能吸收部分冲击力,有较好的抗冲击性能(图4)。该图还表明：混凝土表面受冲击开裂时的受冲击次数随钢纤维掺量的增加而增加，平均抗冲击性能提高2～3倍。

4 钢纤维水泥混凝土原材料和配合比

钢纤维混凝土混合料配合比的要求首先应使路面厚度减薄,其次是保证钢纤维混凝土有较高的抗弯强度,以满足结构设计对强度等级的要求即抗压强度与抗折强度,以及施工的和易性。

4.1 原材料

水泥：425#普通硅酸盐水泥；

细集料：用中粗砂,平均粒径0.35mm ～0.48mm,含泥量

粗集料：碎石5mm～20mm,含泥量

钢纤维：选用长度30mm、当量直径0.60mm由浙江某厂生产的低碳结构钢剪切扭曲型,型号DN-30,其强度380MPa以上。

4.2 配合比

钢纤维混凝土配合比设计基本按以下步骤进行。

(1)根据强度设计值以及施工配制强度提高系数,确定试配抗压强度与抗折强度；钢纤维混凝土抗折强度设计值的确定：

式中―钢纤维混凝土抗折强度设计值；

―与钢纤维混凝土具有相同的配合材料、水灰比和相近稠度的素混凝土的抗折强度设计值；

―钢纤维对抗折强度的影响系数；

―钢纤维体积率，%；

―钢纤维长径比；

(2)根据试配抗压强度计算水灰比；

(3)根据试配抗压强度，确定钢纤维体积率，一般浇筑成型的结构范围在0.5%～2.0%之间；

(4)按照施工要求的稠度确定单位体积用水量；

(5)确定砂率；

(6)计算混合材料用量,确定试配配合比；

(7)按照试配配合比进行拌合物性能试验，调整单位体积用水量和砂率,确定强度试验用基准配合比；

(8)根据强度试验结果调整水灰比和钢纤维体积率,确定施工配合比试验结果表明,在经验和计算的基础上确定水泥用量、砂率及水灰比,并根据不同配比时的钢纤维混凝土强度进行试验,试配出符合规范和施工要求的配合比。

5 施工技术

5.1 钢纤维混凝土搅拌

(1)钢纤维的分散

由于钢纤维一般用箱装或袋装,体积较密实,在投入搅拌机拌和前,用钢叉将其中的成团钢纤维打散开,或应用机械方法加以分散。在拌和料中加入的钢纤维应分散均匀,才能在混凝土中起到增强作用,如果加入的钢纤维分散不均匀,将使混凝土缺少钢纤维或钢纤维结团,不仅没有增强作用,还会引起局部强度削弱。

(2)投料顺序

投料顺序为:碎石钢纤维干拌1min砂水泥干拌1min水、减水剂湿拌1.5min。在投入钢纤维时用网筛均匀撒入料斗中,不要成堆倒入。

(3)拌和方法

先干拌后湿拌。上料干拌,观察钢纤维是否成团,干拌时间应在1min以上,但不宜超过2min,如有成团现象时,在转盘投料时要调整钢纤维分散程度,可分次投入钢纤维,直到不成团为止,然后确定投料时间及方式；干拌之后要加水、减水剂和水溶液湿拌,湿拌时间为1.5min左右。严格控制拌和时间,拌和时间总计6min左右。搅拌好的SFRC应该是钢纤维均匀分散在整个混凝土拌和物中,无粘团和集结现象。拌合时间要比普通混凝土长1min,严格控制混凝土坍落度,钢纤维混凝土拌合均匀是控制质量的关键。

5.2 钢纤维混凝土运输

钢纤维混凝土坍落度较小,不宜采用混凝土搅拌车运输,可采用自卸汽车运输,作业时要严格控制运输时间。由于钢纤维混凝土中加入减水剂,必须尽量加快施工速度。必须符合钢纤维混凝土拌和料运输、铺筑完毕的允许最长时间。拌和料从搅拌机卸出到浇筑不宜超过30min。运输过程中应避免拌合物离析,已产生离析的,应作二次拌和后方可灌筑。

5.3 钢纤维混凝土浇筑

在安装好的伸缩缝过渡段浇筑钢纤维混凝土,不得采用人工插捣,机械振捣采用“先插后平”振捣方法,插振时为减少钢纤维向振动棒聚集的集束效应,将振动棒以线路方向插入,快插慢拔,迫使钢纤维呈纵向条状集束,使钢纤维排列有利于板面收缩应力、温度应力及荷载传递。

5.4 钢纤维混凝土养护

由于钢纤维混凝土早期强度较高,故应加强早期湿润养护,采用自来水养护,不覆盖草袋、砂等覆盖物,为防止气温过高,水分蒸发过快,采用塑料薄膜覆盖湿养。待测试强度分别达到普通混凝土相应强度(即抗折6.3MPa和抗压46.5MPa)且不小于7d时方可安排施工车辆在桥面行驶。

6 总结

钢纤维是增加水泥混凝土强度最佳材料之一,发挥钢纤维的特点优势，在配合比和施工工艺中尤为重要，从以往施工中借鉴表明：

(1)钢纤维混凝土的搅拌时间应通过现场搅拌试验确定,采用先干拌后湿拌的拌和试验时,干拌时间不宜小于1.5min。总搅拌时间不超过6min,超搅拌会引起湿纤维结团。钢纤维投料前应做好前期分散工作,搅拌的投料次序和方法应以搅拌过程中钢纤维不结团不产生弯曲或折断、不因拌和机超负荷而停止运转、出料口不堵塞为原则。

(2)钢纤维混凝土的浇筑方法应保证钢纤维分布均匀性和结构的连续性,在一个规定连续浇筑区域内,浇筑施工过程不得中断拌合料,在浇筑过程中严禁因拌合物干涩而加水。

(3)钢纤维混凝土应采用机械振捣,不得采用人工振捣,所采用的振捣机械和振捣方法除应保证混凝土密实度外,尚应保证钢纤维分布均匀。

参考文献

[1] 程庆国，高路彬，徐蕴腺，等编著.钢纤维混凝土理论及应用[M].北京：中国铁道出版社.

[2] 沈荣熹，王璋水，崔玉忠.纤维增强水泥与纤维增强混凝土[M].北京：化学工业出版社，2006.

[3] 中国工程建设标准化协会标准．钢纤维混凝土结构设计与施工规程[S]．中国建筑工业出版社．2004．