鋼纖維混凝土材料在舊混凝土路面修補工程中的應用

摘要：介紹了鋼纖維混凝土材料在舊混凝土路面修補的情況，并在分析配比試驗強度的基礎上，通過某工程實例，證實鋼纖維混凝土實際應用于舊混凝土路面修補工程的可行性。鋼纖維混凝土是一種性能優(yōu)良的新型復合材料。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，延長路面使用壽命，而且還可節(jié)省工程造價，縮短施工工期。
關鍵詞：鋼纖維混凝土；普通混凝土；舊混凝土路面；修補工程；應用

　隨著國民經濟建設和公路交通事業(yè)的飛速發(fā)展，城市道路和國道干線公路上的車輛荷載及密度越來越大，行駛速度越來越快，致使路面的損壞也日趨嚴重起來。特別是對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，嚴重影響交通暢通及行車安全。如用普通水泥混凝土修復路面雖有強度高，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，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生斷裂，所以就要求路面面板應有足夠的抗彎、抗拉強度和厚度。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），并通過分散的鋼纖維，減小因荷載在基體混凝土引起的細裂縫端部的應力集中，從而控制混凝土裂縫的擴展，提高整個復合材料的抗裂性。同時由于混凝土與鋼纖維接觸界面之間有很大的界面粘結力，因而可將外力傳到抗拉強度大、延伸率高的纖維上面，使鋼纖維混凝土作為一個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。實踐證明，采用鋼纖維混凝土這一新型高強復合材料對路面修理，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，延長使用壽命從而減少老路開挖，對節(jié)省工程造價等具有重要的經濟效益和社會效益；為提高道路補強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)量的短而細的鋼纖維所組成的一種新型高強復合材料。由于鋼纖維阻滯基體混凝土裂縫的產生，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、耐磨耗能力強等特性。可使路面厚度減薄50％以上，縮縫間距可增至15m～30m，不用設脹縫和縱縫。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。其長度分為各種不同規(guī)格，最佳長徑比為40～70，截面直徑在0．4mm～0．7mm范圍內，抗拉強度不低于380MPa。在施工時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度的2?3。不宜大于20mm。細集料采用中粗砂，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度，以滿足結構設計對強度等級的要求即抗壓強度與抗折強度，以及施工的和易性。鋼纖維混凝土配合比設計基本按以下步驟進行。

　?。?）根據強度設計值以及施工配制強度提高系數(shù)，確定試配抗壓強度與抗折強度；鋼纖維混凝土抗折強度設計值的確定：

fftm＝ftm（1＋atmPfLf/df）
式中　fftm———鋼纖維混凝土抗折強度設計值；
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度設計值；
atm———鋼纖維對抗折強度的影響系數(shù)（試驗確定）；
Pf———鋼纖維體積率，％；
Lf/df———鋼纖維長徑比，當ftm＜6．0N/mm2時，可按表1采用。
（2）根據試配抗壓強度計算水灰比；
（3）根據試配抗壓強度，確定鋼纖維體積率，一般澆筑成型的結構范圍在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）計算混合材料用量，確定試配配合比；
（7）按照試配配合比進行拌合物性能試驗，調整單位體積用水量和砂率，確定強度試驗用基準配合比；
（8）根據強度試驗結果調整水灰比和鋼纖維體積率，確定施工配合比。
　　試驗結果表明，在經驗和計算的基礎上確定水泥用量、砂率及水灰比，并根據不同配比時的鋼纖維混凝土強度進行試驗（見表4），當水泥用量在380kg?m3～400kg?m3時強度較高，但此時砂率較小，砂石中有分離現(xiàn)象。因此將砂率調到0．48，如此強度雖有降低，但其余性能卻可得到改善。為此，調整最佳配比即水泥∶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纖維結團，在施工時每拌一次的攪拌量不宜大于攪拌機額定攪拌量的80％。采用滾動式攪拌機拌和，在攪拌混凝土過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量，采用先干后濕的拌和工藝。投料順序及攪拌時間為：粗集料→鋼纖維（干拌1min）→細集料→水泥（干拌1min），其中鋼纖維在拌和時分三次加入拌和機中，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間不超過6min，超攪拌會引起濕纖維結團。按此程序拌出的混合料均勻。尚若在拌和中，先加水泥和粗、細集料，后加鋼纖維則容易結成團。而且纖維團越滾越緊，難以分開，一旦發(fā)現(xiàn)有纖維結團，就必須剔除掉，以防止因此而影響混凝土的質量。
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性較差，在邊角處容易產生蜂窩，因此，邊角部分可先用搗棒搗實。板角采用插入式振動器振搗，然后用夯梁板來回整平。在混凝土面層抹平過程中，因鋼纖維直徑較粗而易冒出路面，影響到行車安全，故在施工時需注意清除。
2　工程實例
某二級公路水泥混凝土路面修補工程段全長112m，寬2×3m，修補前路面板呈破碎、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路面，基層補強采用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％，質地堅硬；鋼纖維：選用長度30mm、當量直徑0．60mm由浙江某廠生產的低碳結構鋼剪切扭曲型，型號DN－30，其強度380MPa以上。該產品性能穩(wěn)定，使用效果良好。
2．1．2　配合比
鋼纖維混凝土配合比設計按照抗折強度和抗壓強度雙控標準要求及施工的工作度采用以抗折強度為主要指標進行設計。設計抗折強度6．5MPa、抗壓強度35MPa。經試驗室進行幾種配比方案確定：水泥∶黃砂∶碎石∶鋼纖維∶水并強度試驗，結果見表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，對部分板底基層進行補強處理。鑿除舊混凝土板時，鑿除深度必須滿足原路面設計要求，再將原基層松動部分全部清除。被清除后的基坑及深度一律用C15貧混凝土進行處理。待混凝土半干狀態(tài)時即可澆筑路面。按要求先用C15普通混凝土澆筑至路面面層厚度12cm時，經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。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，總攪拌時間控制在6min內，攪拌時間過長會形成濕纖維團。且每次的攪拌量宜在攪拌機公稱容量的1/3以下。
2．2．3　運輸與澆筑
混凝土運輸采用自卸運輸車，運至施工地點進行澆筑時的卸料高度不得超過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，攤鋪后用平板振動器振搗，振搗的持續(xù)時間以混凝土停止下沉，不再冒氣泡并泛出水泥漿為準，且不宜過振。振搗時輔以人工找平，混凝土整平采用振動梁振搗拖平，再用鋼滾筒依次滾壓進一步整平，整平的表面不得裸露鋼纖維。在做面時需分兩次進行，即先找平抹平，待混凝土表面無泌水時，再做第二次抹平，抹平后沿模板方向拉毛，拉毛深度1mm～2mm。拉毛時避免帶出鋼纖維，如采用滾式壓紋器進行處理則效果更佳。
2．2．4　養(yǎng)護與切縫
鋼纖維混凝土設有多種切縫。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，縫隙內應及時澆灌填縫料，當混凝土達到強度25％～30％時，采用切縫機進行縮縫切割，切縫深度3cm，縮縫設置16m/道。施工縫位置宜與脹縫或縮縫設計位置吻合，施工縫與路中心線垂直，不設置傳力桿。對脹縫、縮縫均采用10＃石油瀝青，灌式填縫?；炷磷雒嫱戤吅?，及時采用濕法養(yǎng)護，終凝后及時覆蓋草袋，并每天均勻澆水，保持潮濕狀態(tài)，養(yǎng)護10d～15d。與此同時做好封閉交通，待強度測試達到規(guī)定要求后即可開放交通。
2．3　施工質量控制
鋼纖維混凝土的質量除對原材料、配合比以及施工過程的主要環(huán)節(jié)進行控制外，還重點對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，同時按規(guī)定對每天所澆筑混凝土的28d抗折、斷塊抗壓強度進行檢驗，均達到了設計要求，使平整度、坍落度、主要技術指標得到有效控制。
3　經濟與社會效益
從經濟和社會效益分析，鋼纖維混凝土路面與普通水泥混凝土路面相比，其特點：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的一切費用；②路面使用壽命延長因此而節(jié)省的費用；③減少縮縫帶來的材料、人工等所節(jié)省的費用；5節(jié)省養(yǎng)護、減少時間延誤及維修費用；除此以外，還有路面質量好，接縫少，延長車輛使用壽命等費用。綜合分析，對于舊混凝土路面，若采用鋼纖維混凝土進行罩面修復，則一次性投資的費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、維修費用、資金的時間價值來全面評價鋼纖維混凝路面工程的經濟效益，與新鋪瀝青混凝土路面評價綜合效益，鋼纖維混凝土路面雖一次性投資較前者高，但從其維修費用、使用年限的不同考慮，以及和資金的時間效益，用年成本法計算其等值年金，結果表明鋼纖維混凝土路面每年支出的費用比瀝青混凝土路面要低35％。采用鋼纖維混凝土修補法，不但可使鋼纖維混凝土的質量及其增強效果得到保證，而且還可提前開放交通，具有顯著的經濟效益和社會效益。
4　結語
鋼纖維混凝土自發(fā)展以來，已在公路路面、橋面、機場跑道等工程中得到廣泛應用，同時也取得了一定的經濟效益和社會效益。它除了具有良好的抗彎強度外，而且還具有優(yōu)異的抗沖擊、抗開裂性能。在對鋼纖維混凝土進行的沖擊荷載等試驗研究中表明：摻以體積率為1％～2％的鋼纖維增強混凝土與基體比較，其抗沖擊強度可提高10倍～20倍，彎曲韌性可提高20倍左右，抗彎強度可提高1倍～6倍，抗拉強度可提高2倍左右，疲勞強度提高50％，抗裂強度可提高2倍，抗壓強度可提高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到早期強度高，提前通車的目的。
參考文獻
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