钢纤维混凝土在高速公路路面施工中的应用

摘要：介绍了钢纤维混凝土材料在道路路面施工中的应用。钢纤维混凝土是一种性能优良的新型复合材料。随着现代化高速公路的发展，钢纤维混凝土作为路面施工材料，已表现出无可比拟的优点，与普通混凝土相比，其抗拉、抗弯、抗裂及耐磨、耐冲击、耐疲劳、韧性等性能都有显著提高，它不仅可使面层减薄，缩缝间距加大，改善路面的使用性能，延长路面使用寿命，而且还可节省工程造价，缩短施工工期

中图分类号： TU37文献标识码： A。

关键词：钢纤维；钢纤维混凝土；道路路面施工；应用

随着国民经济建设和公路交通事业的飞速发展，城市道路和国道干线公路上的车辆荷载及密度越来越大，行驶速度越来越快，致使路面的损坏也日趋严重起来。特别就水泥混凝土路面而言，它虽有强度高，板块性好，有一定的抗磨性及承受气象作用的耐久性好等特点，但它的 最大缺陷是脆性大、易开裂、抗温性差，路面板块容易受弯折而产生断裂，所以就要求路面面板应有足够的抗弯、抗拉强度和厚度。用钢纤维混凝土修筑路面，就是意将钢纤维均匀地分散于基体混凝土中（与混凝土一起搅拌），并通过分散的钢纤维，减小因荷载在基体混凝土引起的 细裂缝端部的应力集中，从而控制混凝土裂缝的扩展，提高整个复合材料的抗裂性。同时由于混凝土与钢纤维接触界面之间有很大的界面粘结力，因而可将外力传到抗拉强度大、延伸率高的纤维上面，使钢纤维混 凝土作为一个均匀的整体抵抗外力的作用，显著提高了混凝土原有的抗 拉、抗弯强度和断裂延伸率。特别是提高了混凝土的韧性和抗冲击性。实践证明，采用钢纤维混凝土这一新型高强复合材料进行路面施工，既可 提高路面的抗裂性、抗弯曲、耐冲击和耐疲劳性，而且可改善路面的使 用性能，延长使用寿命，防止路面损坏，对节省工程造价等具有重要 的经济效益和社会效益；为提高道路补强提供了良好的途径。

1基本要求

1.1 钢纤维混凝土材料

钢纤维混凝土就是在一般普通混凝土中掺配一定数量的短而细的钢纤维所组成的一种新型高强复合材料。由于钢纤维阻滞基体混凝土裂缝的产生，不但具有普通混凝土的优良性能，而且具有良好的抗折、抗冲击、抗疲劳以及收缩率孝韧性好、耐磨耗能力强等特性。可使路面厚度减薄50％以上，缩缝间距可增至15m～30m，不用设胀缝和纵缝。钢纤维混凝土用钢纤维类型有圆直型、熔抽型和剪切型钢纤维。其长度分为各种不同规格，最佳长径比为40～70，截面直径在0．4mm～0．7mm范围内，抗拉强度不低于380MPa。在施工时钢纤维在混凝土中的掺入量为1．0％～2．0％（体积比），但最大掺量不宜超过2．0％。水泥采用425＃～525＃普通硅酸盐水泥，以保证混合料具有较高的强度和耐磨性能。钢纤维混凝土用的粗骨料最大粒径为钢纤维长度的2～3倍。不宜大于20mm。细集料采用中粗砂，平均粒径0．35mm～0．45mm，松装密度1．37g/cm3。砂率采用45％～50％。

1.2钢纤维混凝土结构对钢纤维几何参数和体积率的选用范围

钢纤维的增强效果与钢纤维长度、直径（等效直径）及长径比有关。钢纤维增强作用随长径比增大而提高。钢纤维长度太短不起增强作用，太长施工较困难，影响拌合物的质量，直径过细在拌合过程中被弯折，过粗则在同样体积率时，其增强效果较差。试验研究和工程实践表明，钢纤维的长度为15~60mm，直径或等效直径为0.3~1.2mm，长径比在30~100的范围选用，其增强效果和施工性能满足要求。如超出上述范围，经试验在其增强效果和施工性能方面能满足要求时，也可根据需要采用。根据国内外工程应用经验，对不同类别钢纤维混凝土结构，提出常用的钢纤维几何参数选用范围，列于表1-1。

钢纤维几何参数选用表1-1

钢纤维混凝土结构类别 长度（mm） 直径（等效直径）（mm） 长径比

一般浇筑成型的结构 25-60 0.3-1.2 40-100

框架抗震节点 40-60 0.4-1.2 50-100

铁路轨枕 20-30 0.3-0.6 50-70

喷射钢纤维混凝土 15-25 0.3-0.5 30-60

钢纤维混凝土中钢纤维的体积率小到一定程度时将不起增强作用，对于不同品种、不同长径比的钢纤维，其最小体积率略有不同，国内外一般以0.5%为最小体积率。钢纤维体积率超过2%时，拌合物的和易性变差，施工较困难，质量难以保证。但在特殊需要时，经试验和采取必要的施工措施，在保证质量和增强效果的情况下，可将钢纤维体积率增大。

根据国内外工程和应用经验，不同的钢纤维混凝土结构工程，常用体积率选用范围列于表1-2。选用时根据钢纤维的性能、结构对增强效果的要求，以及经济合理的原则选定。当钢纤维的性能较好或结构对增强要求较低时，可选用低值，结构对增强要求较高或钢纤维性能较差时可选高值。

钢纤维体积率选用范围表1-2

钢纤维混凝土结构类别 钢纤维体积率(%) 钢纤维混凝土结构类别 钢纤维体积率(%)

一般浇筑成型的结构 0.5-2.0 铁路轨枕刚性防水屋面 0.8-1.2

局部受压构件、桥面、预制桩、桩顶、桩尖 1.0-1.5 喷射钢纤维 0.5-1.5

1．3钢纤维混凝土配合比

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。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：

fftm＝ftm（1＋atmPfLf/df）

式中fftm―――钢纤维混凝土抗折强度设计值；

ftm―――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；

atm―――钢纤维对抗折强度的影响系数（试验确定）；

Pf―――钢纤维体积率，％；

Lf/df―――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，当水泥用量在380kg/m3～400kg/m3时强度较高，但此时砂率较小，砂石中有分离现象。因此将砂率调到0．48，如此强度虽有降低，但其余性能却可得到改善。为此，调整最佳配比即水泥∶黄砂∶碎石∶水＝ 1∶2．16∶2．34∶0．48。

1．4钢纤维混凝土拌和

为防止钢纤维混凝土在搅拌时纤维结团，在施工时每拌一次的搅拌量不宜大于搅拌机额定搅拌量的80％。采用滚动式搅拌机拌和，在搅拌 混凝土过程中必须保证钢纤维均匀分布。为保证混凝土混合料的搅拌质量，采用先干后湿的拌和工艺。投料顺序及搅拌时间为：粗集料钢纤维（干拌1min）细集料水泥（干拌1min），其中钢纤维在拌和时分三次加入拌和机中，边拌边加入钢纤维，再倒入黄砂、水泥，待全部料投入后重拌2min～3min，最后加足水湿拌1min。总搅拌时间不超过6min，超搅拌会引起湿纤维结团。按此程序拌出的混合料均匀。尚若在拌和中，先加水泥和粗、细集料，后加钢纤维则容易结成团。而且纤维团越滚越紧，难以分开，一旦发现有纤维结团，就必须剔除掉，以防止因此而影响混凝土的质量。

1.5运输与浇筑

混凝土运输采用自卸运输车或混凝土罐车，运至施工地点进行浇筑时的卸料高度不得 超过1．5m，以防混凝土离析。钢纤维混凝土采用人工摊铺，用人工将 其大致摊铺整平，摊铺后用平板振动器振捣，振捣的持续时间以混凝土 停止下沉，不再冒气泡并泛出水泥浆为准，且不宜过振。振捣时辅以人 工找平，混凝土整平采用振动梁振捣拖平，再用钢滚筒依次滚压进一步 整平，整平的表面不得钢纤维。在做面时需分两次进行，即先找平 抹平，待混凝土表面无泌水时，再做第二次抹平，抹平后沿模板方向拉 毛，拉毛深度1mm～2mm。拉毛时避免带出钢纤维，如采用滚式压纹器进 行处理则效果更佳。

1.6钢纤维混凝土振捣时注意事项

钢纤维混凝土浇捣与普通混凝土一样，浇筑和振捣是施工中的重要环节 ，直接影响钢纤维混凝土的整体性和致密性。不同之处就是其流动性较差，在边角处容易产生蜂窝，因此，边角部分可先用捣棒捣实。板角采用插入式振动器振捣，然后用夯梁板来回整平。在混凝土面层抹平过程 中，因钢纤维直径较粗而易冒出路面，影响到行车安全，故在施工时需要注意清除。

1.7养护与切缝

钢纤维混凝土设有多种切缝。胀缝与路中心线垂直，缝壁必须垂直，缝 隙宽度必须一致，缝中不得有连浆现象，缝隙内应及时浇灌填缝料，当 混凝土达到强度25％～30％时，采用切缝机进行缩缝切割，切缝深度3 cm，缩缝设置16m/道。施工缝位置宜与胀缝或缩缝设计位置吻合，施工缝与路中心线垂直，不设置传力杆。对胀缝、缩缝均采用10＃石油沥青，灌式填缝。

凝土做面完毕后，及时采用湿法养护，终凝后及时覆盖草袋，并每天均匀浇水，保持潮湿状态，养护10d～15d。与此同时做好封闭交通，待 强度测试达到规定要求后即可开放交通。

2 施工质量控制

钢纤维混凝土的质量除对原材料、配合比以及施工过程的主要环节进行 控制外，还重点对钢纤维混凝土的搅拌、钢纤维的投入以及混凝土振捣 的控制，同时按规定对每天所浇筑混凝土的28d抗折、断块抗压强度进 行检验，均达到了设计要求，使平整度、坍 落度、主要技术指标得到有效控制。

3 经济与社会效益

从经济和社会效益分析，钢纤维混凝土路面与普通水泥混凝土路面相比，其特点：①面层厚度可减薄至1/2以上，使施工工期缩短，因此节约 原材料及减少工程量后所带来的一切费用；②路面使用寿命延长因此而节省的费用；③减少缩缝带来的材料、人工等所节省的费用；④节省养 护、减少时间延误及维修费用；除此以外，还有路面质量好，接缝少，延长车辆使用寿命等费用。综合分析，与新铺沥青混凝土路 面评价综合效益，钢纤维混凝土路面虽一次性投资较前者高，但从其维 修费用、使用年限的不同考虑，以及和资金的时间效益，用年成本法计 算其等值年金，结果表明钢纤维混凝土路面每年支出的费用比沥青混凝 土路面要低35％。采用钢纤维混凝土路面，不但可使钢纤维混凝土的 质量及其增强效果得到保证，而且还可提前开放交通，具有显著的经济 效益和社会效益。

4 结束语

钢纤维混凝土自发展以来，已在公路路面、桥面、机场跑道等工程中得 到广泛应用，同时也取得了一定的经济效益和社会效益。它除了具有良好的抗弯强度外，而且还具有优异的抗冲击、抗开裂性能。在对钢纤维 混凝土进行的冲击荷载等试验研究中表明：掺以体积率为1％～2％的钢 纤维增强混凝土与基体比较，其抗冲击强度可提高10倍～20倍，弯曲韧 性可提高20倍左右，抗弯强度可提高1倍～6倍，抗拉强度可提高2倍左右，疲劳强度提高50％，抗裂强度可提高2倍，抗压强度可提高10％～30％。由此可见，钢纤维混凝土的抗裂性与抗冲击是非常优异的。此外 ，钢纤维混凝土路面还能达到早期强度高，提前通车的目的。

通过以上论述，钢纤维混凝土在高速公路路面中的到了充分的利用，提高了路面的强度、耐磨值。是高速公路路面的首选材料。不仅如此，钢纤维混凝土还可以扩展到其他领域，如机场跑道，水电站溢流坝等耐磨混凝土部分。但是钢纤维混凝土有其缺点，主要表现为拌制工艺复杂，与其他骨料比，容易造成结块结团，所以拌制是钢纤维混凝土的施工难点，需要在施工过程中不断加强，得以解决这一问题。

参考文献

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［2］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．北京：中国建筑工业出版社，1992，6

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［4］蒙云．钢纤维混凝土新型路面设计与施工．重庆：重庆大学出版社，1995，7

［5］李启棣，吴淑华．钢纤维混凝土的特性及其应用．铁道建筑，1989.5

作者简介：蒋生旺，男、汉族，生于1977年3月13日。1998年就读青海大学建筑工程系，专业：建筑工程，学历：本科。2002年在中国水电四局参加工作。2002年7月～2003年11月，参加青海湖帐房宾馆码头工程建设。2004年3月～2004年10月于甘肃石化设计院宏泰监理公司从事工民建监理工作。2004年11月～2005年4月参与柴家峡水电站索桥工程建设工作。2005年5月～2006年3月从事青海省金沙峡水电站库区淹没道路改建工程建设工作。2006年4月～2006年11月从事青海省久治县沙柯河水电站改建工程。2007年至今水电四局第六分局工程技术办公室。现任职务工程技术办主任。