鋼纖維混凝土材料在舊混凝土路面修補(bǔ)工程中的應(yīng)用

摘要：介紹了鋼纖維混凝土材料在舊混凝土路面修補(bǔ)的情況，并在分析配比試驗(yàn)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，通過(guò)某工程實(shí)例，證實(shí)鋼纖維混凝土實(shí)際應(yīng)用于舊混凝土路面修補(bǔ)工程的可行性。鋼纖維混凝土是一種性能優(yōu)良的新型復(fù)合材料。與普通混凝土相比，其抗拉、抗彎、抗裂及耐磨、耐沖擊、耐疲勞、韌性等性能都有顯著提高，它不僅可使面層減薄，縮縫間距加大，改善路面的使用性能，延長(zhǎng)路面使用壽命，而且還可節(jié)省工程造價(jià)，縮短施工工期。
關(guān)鍵詞：鋼纖維混凝土；普通混凝土；舊混凝土路面；修補(bǔ)工程；應(yīng)用

　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和公路交通事業(yè)的飛速發(fā)展，城市道路和國(guó)道干線公路上的車輛荷載及密度越來(lái)越大，行駛速度越來(lái)越快，致使路面的損壞也日趨嚴(yán)重起來(lái)。特別是對(duì)損壞的水泥混凝土路面而言，它不僅翻修投資大，且施工周期較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響交通暢通及行車安全。如用普通水泥混凝土修復(fù)路面雖有強(qiáng)度高，板塊性好，有一定的抗磨性及承受氣象作用的耐久性好等特點(diǎn)，但它的最大缺陷是脆性大、易開裂、抗溫性差，路面板塊容易受彎折而產(chǎn)生斷裂，所以就要求路面面板應(yīng)有足夠的抗彎、抗拉強(qiáng)度和厚度。用鋼纖維混凝土修筑路面，就是意將鋼纖維均勻地分散于基體混凝土中（與混凝土一起攪拌），并通過(guò)分散的鋼纖維，減小因荷載在基體混凝土引起的細(xì)裂縫端部的應(yīng)力集中，從而控制混凝土裂縫的擴(kuò)展，提高整個(gè)復(fù)合材料的抗裂性。同時(shí)由于混凝土與鋼纖維接觸界面之間有很大的界面粘結(jié)力，因而可將外力傳到抗拉強(qiáng)度大、延伸率高的纖維上面，使鋼纖維混凝土作為一個(gè)均勻的整體抵抗外力的作用，顯著提高了混凝土原有的抗拉、抗彎強(qiáng)度和斷裂延伸率。特別是提高了混凝土的韌性和抗沖擊性。實(shí)踐證明，采用鋼纖維混凝土這一新型高強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)路面修理，既可提高路面的抗裂性、抗彎曲、耐沖擊和耐疲勞性，而且可改善路面的使用性能，延長(zhǎng)使用壽命從而減少老路開挖，對(duì)節(jié)省工程造價(jià)等具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益；為提高道路補(bǔ)強(qiáng)與改造提供了良好的途徑。
1　基本要求
1．1　鋼纖維混凝土材料
鋼纖維混凝土就是在一般普通混凝土中摻配一定數(shù)量的短而細(xì)的鋼纖維所組成的一種新型高強(qiáng)復(fù)合材料。由于鋼纖維阻滯基體混凝土裂縫的產(chǎn)生，不但具有普通混凝土的優(yōu)良性能，而且具有良好的抗折、抗沖擊、抗疲勞以及收縮率小、韌性好、耐磨耗能力強(qiáng)等特性?？墒孤访婧穸葴p薄50％以上，縮縫間距可增至15m～30m，不用設(shè)脹縫和縱縫。鋼纖維混凝土用鋼纖維類型有圓直型、熔抽型和剪切型鋼纖維。其長(zhǎng)度分為各種不同規(guī)格，最佳長(zhǎng)徑比為40～70，截面直徑在0．4mm～0．7mm范圍內(nèi)，抗拉強(qiáng)度不低于380MPa。在施工時(shí)鋼纖維在混凝土中的摻入量為1．0％～2．0％（體積比），但最大摻量不宜超過(guò)2．0％。水泥采用425＃～525＃普通硅酸鹽水泥，以保證混合料具有較高的強(qiáng)度和耐磨性能。鋼纖維混凝土用的粗骨料最大粒徑為鋼纖維長(zhǎng)度的2?3。不宜大于20mm。細(xì)集料采用中粗砂，平均粒徑0．35mm～0．45mm，松裝密度1．37g/cm3。砂率采用45％～50％。
1．2　鋼纖維混凝土配合比
鋼纖維混凝土混合料配合比的要求首先應(yīng)使路面厚度減薄，其次是保證鋼纖維混凝土有較高的抗彎強(qiáng)度，以滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)強(qiáng)度等級(jí)的要求即抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度，以及施工的和易性。鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)基本按以下步驟進(jìn)行。

　?。?）根據(jù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值以及施工配制強(qiáng)度提高系數(shù)，確定試配抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度；鋼纖維混凝土抗折強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的確定：

fftm＝ftm（1＋atmPfLf/df）
式中　fftm———鋼纖維混凝土抗折強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；
ftm———與鋼纖維混凝土具有相同的配合材料、水灰比和相近稠度
的素混凝土的抗折強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；
atm———鋼纖維對(duì)抗折強(qiáng)度的影響系數(shù)（試驗(yàn)確定）；
Pf———鋼纖維體積率，％；
Lf/df———鋼纖維長(zhǎng)徑比，當(dāng)ftm＜6．0N/mm2時(shí)，可按表1采用。
（2）根據(jù)試配抗壓強(qiáng)度計(jì)算水灰比；
（3）根據(jù)試配抗壓強(qiáng)度，確定鋼纖維體積率，一般澆筑成型的結(jié)構(gòu)范圍在0．5％～2．0％之間；
（4）按照施工要求的稠度確定單位體積用水量，參照表2；
（5）確定砂率，見表3；
（6）計(jì)算混合材料用量，確定試配配合比；
（7）按照試配配合比進(jìn)行拌合物性能試驗(yàn)，調(diào)整單位體積用水量和砂率，確定強(qiáng)度試驗(yàn)用基準(zhǔn)配合比；
（8）根據(jù)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整水灰比和鋼纖維體積率，確定施工配合比。
　　試驗(yàn)結(jié)果表明，在經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算的基礎(chǔ)上確定水泥用量、砂率及水灰比，并根據(jù)不同配比時(shí)的鋼纖維混凝土強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)（見表4），當(dāng)水泥用量在380kg?m3～400kg?m3時(shí)強(qiáng)度較高，但此時(shí)砂率較小，砂石中有分離現(xiàn)象。因此將砂率調(diào)到0．48，如此強(qiáng)度雖有降低，但其余性能卻可得到改善。為此，調(diào)整最佳配比即水泥∶黃砂∶碎石∶水＝1∶2．16∶2．34∶0．48。1．3　鋼纖維混凝土拌和。
　　為防止鋼纖維混凝土在攪拌時(shí)纖維結(jié)團(tuán)，在施工時(shí)每拌一次的攪拌量不宜大于攪拌機(jī)額定攪拌量的80％。采用滾動(dòng)式攪拌機(jī)拌和，在攪拌混凝土過(guò)程中必須保證鋼纖維均勻分布。為保證混凝土混合料的攪拌質(zhì)量，采用先干后濕的拌和工藝。投料順序及攪拌時(shí)間為：粗集料→鋼纖維（干拌1min）→細(xì)集料→水泥（干拌1min），其中鋼纖維在拌和時(shí)分三次加入拌和機(jī)中，邊拌邊加入鋼纖維，再倒入黃砂、水泥，待全部料投入后重拌2min～3min，最后加足水濕拌1min?？倲嚢钑r(shí)間不超過(guò)6min，超攪拌會(huì)引起濕纖維結(jié)團(tuán)。按此程序拌出的混合料均勻。尚若在拌和中，先加水泥和粗、細(xì)集料，后加鋼纖維則容易結(jié)成團(tuán)。而且纖維團(tuán)越滾越緊，難以分開，一旦發(fā)現(xiàn)有纖維結(jié)團(tuán)，就必須剔除掉，以防止因此而影響混凝土的質(zhì)量。
1．4　鋼纖維混凝土澆搗
鋼纖維混凝土澆搗與普通混凝土一樣，澆筑和振搗是施工中的重要環(huán)節(jié)，直接影響鋼纖維混凝土的整體性和致密性。不同之處就是其流動(dòng)性較差，在邊角處容易產(chǎn)生蜂窩，因此，邊角部分可先用搗棒搗實(shí)。板角采用插入式振動(dòng)器振搗，然后用夯梁板來(lái)回整平。在混凝土面層抹平過(guò)程中，因鋼纖維直徑較粗而易冒出路面，影響到行車安全，故在施工時(shí)需注意清除。
2　工程實(shí)例
某二級(jí)公路水泥混凝土路面修補(bǔ)工程段全長(zhǎng)112m，寬2×3m，修補(bǔ)前路面板呈破碎、斷裂狀，原為一般普通混凝土澆筑，部分板底基層下沉?，F(xiàn)用鋼纖維混凝土修補(bǔ)路面，基層補(bǔ)強(qiáng)采用C15素混凝土澆筑，舊混凝土路面平均鑿除深度25cm（包括基層松動(dòng)部分），擬采用12cm厚、C30鋼纖維混凝土澆筑路面。
2．1　施工材料
2．1．1　原材料
水泥：425＃普通硅酸鹽水泥；細(xì)集料：用中粗砂，平均粒徑0．35mm～0．48mm，含泥量＜2％；粗集料：碎石5mm～20mm，含泥量＜1％，質(zhì)地堅(jiān)硬；鋼纖維：選用長(zhǎng)度30mm、當(dāng)量直徑0．60mm由浙江某廠生產(chǎn)的低碳結(jié)構(gòu)鋼剪切扭曲型，型號(hào)DN－30，其強(qiáng)度380MPa以上。該產(chǎn)品性能穩(wěn)定，使用效果良好。
2．1．2　配合比
鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)按照抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度雙控標(biāo)準(zhǔn)要求及施工的工作度采用以抗折強(qiáng)度為主要指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)抗折強(qiáng)度6．5MPa、抗壓強(qiáng)度35MPa。經(jīng)試驗(yàn)室進(jìn)行幾種配比方案確定：水泥∶黃砂∶碎石∶鋼纖維∶水并強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見表5。
2．2　施工工藝
2．2．1　基層處理及路面澆筑
在鋼纖維混凝土澆筑前，為提高水泥混凝土面層下基層和墊層的剛度，做好對(duì)舊混凝土板及板底基層的處理工作，即在破損板及板底脫空破裂的舊混凝土板塊鑿除后，對(duì)部分板底基層進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。鑿除舊混凝土板時(shí)，鑿除深度必須滿足原路面設(shè)計(jì)要求，再將原基層松動(dòng)部分全部清除。被清除后的基坑及深度一律用C15貧混凝土進(jìn)行處理。待混凝土半干狀態(tài)時(shí)即可澆筑路面。按要求先用C15普通混凝土澆筑至路面面層厚度12cm時(shí)，經(jīng)底面層整平處理后再用鋼纖維混凝土澆筑。
2．2．2　鋼纖維混凝土攪拌
鋼纖維混凝土攪拌采用滾筒式攪拌機(jī)。為使鋼纖維在混凝土中分散均勻，采用二次投料三次攪拌法，即先將石子和鋼纖維干拌1min，加入砂子、水泥再干拌1min，最后注水濕拌1．5min左右，總攪拌時(shí)間控制在6min內(nèi)，攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)形成濕纖維團(tuán)。且每次的攪拌量宜在攪拌機(jī)公稱容量的1/3以下。
2．2．3　運(yùn)輸與澆筑
混凝土運(yùn)輸采用自卸運(yùn)輸車，運(yùn)至施工地點(diǎn)進(jìn)行澆筑時(shí)的卸料高度不得超過(guò)1．5m，以防混凝土離析。鋼纖維混凝土采用人工攤鋪，用人工將其大致攤鋪整平，攤鋪后用平板振動(dòng)器振搗，振搗的持續(xù)時(shí)間以混凝土停止下沉，不再冒氣泡并泛出水泥漿為準(zhǔn)，且不宜過(guò)振。振搗時(shí)輔以人工找平，混凝土整平采用振動(dòng)梁振搗拖平，再用鋼滾筒依次滾壓進(jìn)一步整平，整平的表面不得裸露鋼纖維。在做面時(shí)需分兩次進(jìn)行，即先找平抹平，待混凝土表面無(wú)泌水時(shí)，再做第二次抹平，抹平后沿模板方向拉毛，拉毛深度1mm～2mm。拉毛時(shí)避免帶出鋼纖維，如采用滾式壓紋器進(jìn)行處理則效果更佳。
2．2．4　養(yǎng)護(hù)與切縫
鋼纖維混凝土設(shè)有多種切縫。脹縫與路中心線垂直，縫壁必須垂直，縫隙寬度必須一致，縫中不得有連漿現(xiàn)象，縫隙內(nèi)應(yīng)及時(shí)澆灌填縫料，當(dāng)混凝土達(dá)到強(qiáng)度25％～30％時(shí)，采用切縫機(jī)進(jìn)行縮縫切割，切縫深度3cm，縮縫設(shè)置16m/道。施工縫位置宜與脹縫或縮縫設(shè)計(jì)位置吻合，施工縫與路中心線垂直，不設(shè)置傳力桿。對(duì)脹縫、縮縫均采用10＃石油瀝青，灌式填縫?；炷磷雒嫱戤吅?，及時(shí)采用濕法養(yǎng)護(hù)，終凝后及時(shí)覆蓋草袋，并每天均勻澆水，保持潮濕狀態(tài)，養(yǎng)護(hù)10d～15d。與此同時(shí)做好封閉交通，待強(qiáng)度測(cè)試達(dá)到規(guī)定要求后即可開放交通。
2．3　施工質(zhì)量控制
鋼纖維混凝土的質(zhì)量除對(duì)原材料、配合比以及施工過(guò)程的主要環(huán)節(jié)進(jìn)行控制外，還重點(diǎn)對(duì)鋼纖維混凝土的攪拌、鋼纖維的投入以及混凝土振搗的控制，同時(shí)按規(guī)定對(duì)每天所澆筑混凝土的28d抗折、斷塊抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)，均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，使平整度、坍落度、主要技術(shù)指標(biāo)得到有效控制。
3　經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益
從經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益分析，鋼纖維混凝土路面與普通水泥混凝土路面相比，其特點(diǎn)：①面層厚度可減薄至1/2以上，使施工工期縮短，因此節(jié)約原材料及減少工程量后所帶來(lái)的一切費(fèi)用；②路面使用壽命延長(zhǎng)因此而節(jié)省的費(fèi)用；③減少縮縫帶來(lái)的材料、人工等所節(jié)省的費(fèi)用；5節(jié)省養(yǎng)護(hù)、減少時(shí)間延誤及維修費(fèi)用；除此以外，還有路面質(zhì)量好，接縫少，延長(zhǎng)車輛使用壽命等費(fèi)用。綜合分析，對(duì)于舊混凝土路面，若采用鋼纖維混凝土進(jìn)行罩面修復(fù)，則一次性投資的費(fèi)用比挖掉重建混凝土路面要節(jié)省許多。同樣，從一次性投資、使用年限、維修費(fèi)用、資金的時(shí)間價(jià)值來(lái)全面評(píng)價(jià)鋼纖維混凝路面工程的經(jīng)濟(jì)效益，與新鋪瀝青混凝土路面評(píng)價(jià)綜合效益，鋼纖維混凝土路面雖一次性投資較前者高，但從其維修費(fèi)用、使用年限的不同考慮，以及和資金的時(shí)間效益，用年成本法計(jì)算其等值年金，結(jié)果表明鋼纖維混凝土路面每年支出的費(fèi)用比瀝青混凝土路面要低35％。采用鋼纖維混凝土修補(bǔ)法，不但可使鋼纖維混凝土的質(zhì)量及其增強(qiáng)效果得到保證，而且還可提前開放交通，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
4　結(jié)語(yǔ)
鋼纖維混凝土自發(fā)展以來(lái)，已在公路路面、橋面、機(jī)場(chǎng)跑道等工程中得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)也取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。它除了具有良好的抗彎強(qiáng)度外，而且還具有優(yōu)異的抗沖擊、抗開裂性能。在對(duì)鋼纖維混凝土進(jìn)行的沖擊荷載等試驗(yàn)研究中表明：摻以體積率為1％～2％的鋼纖維增強(qiáng)混凝土與基體比較，其抗沖擊強(qiáng)度可提高10倍～20倍，彎曲韌性可提高20倍左右，抗彎強(qiáng)度可提高1倍～6倍，抗拉強(qiáng)度可提高2倍左右，疲勞強(qiáng)度提高50％，抗裂強(qiáng)度可提高2倍，抗壓強(qiáng)度可提高10％～30％。由此可見，鋼纖維混凝土的抗裂性與抗沖擊是非常優(yōu)異的。此外，用鋼纖維混凝土修筑舊混凝土路面還能達(dá)到早期強(qiáng)度高，提前通車的目的。
參考文獻(xiàn)
［1］盧亦焱．鋼纖維混凝土材料及其在路面工程中的應(yīng)用．公路，1999，4
［2］中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)．鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1992，6
［3］中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)．鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1989，12
［4］蒙云．鋼纖維混凝土新型路面設(shè)計(jì)與施工．重慶：重慶大學(xué)出版社，1995，7
［5］李啟棣，吳淑華．鋼纖維混凝土的特性及其應(yīng)用．鐵道建筑，1989（1）