鋼絲纖維混凝土路面的應(yīng)用研究

關(guān)鍵詞：鋼絲纖維；混凝土路面；性能及強(qiáng)度；配合比

鋼纖維混凝土路面在國(guó)外已廣泛應(yīng)用于公共汽車站、收費(fèi)站、行駛重型汽車的路面及舊路面的加鋪層. 我國(guó)從70年代開(kāi)始試驗(yàn)研究與應(yīng)用， 在現(xiàn)行的JTJ012-94《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)中，已列入鋼纖維混凝土路面的適應(yīng)場(chǎng)合、材料的基本要求、配合比設(shè)計(jì)、厚度設(shè)計(jì)及接縫設(shè)置等。

在礦區(qū)井田開(kāi)采時(shí)，需用較多的鋼絲繩，常用鋼絲繩直徑為20～30mm，繩長(zhǎng)不等。在正常使用與安全條件下，鋼絲繩使用4～5月就得更換。采用廢舊鋼絲繩剪切小段摻入混凝土中，鋪成路面或作橋面鋪裝層，這種鋼絲纖維混凝土比普通混凝土的路用性能有一定的改善和提高。

1　鋼纖維混凝土的性能

已有的研究表明鋼纖維混凝土是一種新型路面材料，由于鋼纖維的摻入，提高了混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，也提高了抗沖擊性、抗耐磨性和抗疲勞性。圖1和2顯示了在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)摻入不同量的鋼纖維(摻入量為30～45kg/m³)，混凝土的抗壓強(qiáng)度可提高5.8%～12.6%，有的提高約20%；抗彎強(qiáng)度可提高2.4%～20%，可減小厚度10%左右。

試驗(yàn)表明鋼纖維混凝土的收縮值較普通混凝土小，其收縮值隨鋼纖維摻量的增加而減小(圖3)，所以混凝土面板的橫向伸縮縫間距可加大。我國(guó)試驗(yàn)研究表明，伸縮縫間距在30m以下未發(fā)現(xiàn)有裂縫產(chǎn)生，一般可為15～20m。因此，鋼纖維混凝土路面不僅減少了因行車荷載作用導(dǎo)致的損壞， 還減少了路面結(jié)構(gòu)中薄弱點(diǎn)處的伸縮縫數(shù)量，而且在伸縮縫處因集料的嚙合與鋼纖維的作用，提高了接縫傳荷能力。同時(shí)，鋼纖維混凝土減少了收縮裂縫，比普通混凝土具有更好的抗?jié)B性。

通過(guò)試驗(yàn)還可發(fā)現(xiàn)鋼纖維混凝土不像普通混凝土那樣開(kāi)裂后不久就破壞，它仍有一定的剩余承載力，具有韌性，能吸收部分沖擊力，有較好的抗沖擊性能(圖4)。該圖還表明:混凝土表面受沖擊開(kāi)裂時(shí)的受沖擊次數(shù)隨鋼纖維摻量的增加而增加，平均抗沖擊性能提高2～3倍(試驗(yàn)采用8kg鋼球從25cm高自由下落到直徑15cm，厚5cm的混凝土試件表面，記錄開(kāi)裂時(shí)受沖擊的次數(shù))。

2　鋼纖維混凝土路面

礦山的各種鋼絲繩由繩纖維芯m股×n根組圖5常用鋼絲繩成(圖5)，每根鋼絲直徑0.4～3.3 mm。把舊鋼絲繩剪切成長(zhǎng)3～6cm，正常操作下可保證鋼纖維分散均勻。鋼纖維用量按拌和混凝土體積的1%～1.2%摻入混凝土中，骨料為1～2.0cm級(jí)配碎石、中粗砂、525普通硅酸鹽水泥，混凝土配合比為：水灰比(w/c)0.47，砂率0.46，水泥砂石比1∶2.4∶2.83。混凝土用量為：水泥358kg， 水168kg，中粗砂862kg，碎石1012kg，鋼絲纖維70kg。其施工程序同普通水泥混凝土路面。混凝土混合料采用拌和機(jī)拌制，或人工拌料，順序?yàn)樗槭?、砂、水?/SPAN>，攪拌過(guò)程中均勻加入鋼絲和水，每盤(pán)拌和時(shí)間不短于1.5min，混凝土坍落度為3～4cm。用翻斗車將混凝土運(yùn)至工點(diǎn)，攤鋪、振搗并整面抹光，濕養(yǎng)護(hù)20d后通車。經(jīng)測(cè)試，28d不摻鋼絲的普通混凝土抗彎拉強(qiáng)度為5.08MPa，鋼絲纖維混凝土為5.64MPa，提高約11%。

礦山路主要行駛載重8～15t的重型自卸汽車，設(shè)計(jì)車道初期標(biāo)準(zhǔn)軸載為1080次/d，屬重交通，設(shè)計(jì)年限30年，根據(jù)《規(guī)范》計(jì)算設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)車道的標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)，并取混凝土的設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度f_cm為5.0MPa，彎拉彈性模量E_c為3090MPa，計(jì)算基層頂面的回彈模量E_tc，考慮該混凝土面板內(nèi)最大溫度梯度值，接縫傳荷能力的應(yīng)力折減系數(shù)，疲勞應(yīng)力系數(shù)，超載及動(dòng)載等因素的綜合影響系數(shù)，最后計(jì)算確定礦山路的混凝土面板厚度為25cm，(此板厚系按普通混凝土路面設(shè)計(jì)計(jì)算)。若按《規(guī)范》，鋼纖維混凝土路面板厚度根據(jù)鋼纖維用量取普通混凝土路面厚度的0.55～0.65倍，但從試驗(yàn)路分析，圓鋼絲的表面積較小，混凝土與鋼絲間的握裹力偏低，加上施工的技術(shù)水平和設(shè)備等因素，取0.8～0.85，則鋼絲纖維礦山混凝土路面的面板厚約21cm。

礦山路的車速、路面平整度等指標(biāo)與交通部標(biāo)準(zhǔn)相比可適當(dāng)降低，但車輛軸載大，車輛振動(dòng)引起的動(dòng)載有時(shí)會(huì)超過(guò)靜載，而鋼纖維混凝土的性能適應(yīng)了礦山路“重載、耐磨、抗沖擊”的要求。是一種路用性能優(yōu)良的新型材料。鋼絲纖維混凝土路面的礦山路，其脹縫、施工縫的設(shè)置與普通混凝土路面相同，基層采用15cm厚的二灰礫石以及15cm厚10%灰土以確保基層具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

3　鋼絲纖維混凝土配合比及強(qiáng)度

由不同的水泥用量和鋼纖維摻量所組成的配合比，其試件的抗壓強(qiáng)度與抗彎拉強(qiáng)度和普通混凝土相比均可提高(表1)。

　 從表1不同配合比的鋼纖維混凝土強(qiáng)度可知，A4和B3兩組配合比的早期強(qiáng)度較高，不同的是水泥、砂、碎石的用量差異，可視礦山路的具體情況選擇。此兩組配合比能適合礦山路的要求，可供礦山鋼纖維混凝土路面設(shè)計(jì)參考.

4　鋼絲纖維混凝土路面設(shè)計(jì)探討

目前鋼纖維混凝土還處在實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐不斷總結(jié)完善的階段，某些參數(shù)與指標(biāo)有待統(tǒng)一規(guī)定， 但作為應(yīng)用從設(shè)計(jì)角度提出以下探討意見(jiàn)。

a. 從國(guó)內(nèi)外鋼纖維混凝土路面的實(shí)踐，鋼絲纖維的參數(shù)建議采用40～50kg/m³。

b. 水泥可用425號(hào)及以上的普通硅酸鹽水泥，用量350kg/m³，配合比可采用表1的A4和B3組合。

c. 混凝土面板是以設(shè)計(jì)抗彎拉強(qiáng)度作為控制指標(biāo)，而鋼絲纖維混凝土板厚會(huì)相應(yīng)減小，所要求的抗彎拉強(qiáng)度與普通混凝土取的彎拉強(qiáng)度不同。為此，建議28d混凝土的設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度提高0.5～1.0MPa，各級(jí)交通量要求的混凝土設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度不應(yīng)低于表2中的值。

d. 鋼絲纖維混凝土路面設(shè)計(jì)是以普通混凝土板厚的計(jì)算為基礎(chǔ)，其標(biāo)準(zhǔn)軸載、軸載換算、交通量分級(jí)、設(shè)計(jì)使用年限、標(biāo)準(zhǔn)軸載的累計(jì)作用次數(shù)及基層頂面當(dāng)量回彈模量等設(shè)計(jì)參數(shù)按《規(guī)范》采用

e. 鋼絲纖維混凝土路面板厚，按其鋼絲纖維摻量將普通混凝土路面厚度乘以系數(shù)0.8～0.85。

f. 鋼絲纖維混凝土路面的最小厚度按交通量分級(jí)，建議輕交通不小于16cm，重交通不小于18cm。

g. 鋼絲纖維混凝土路面的縱縫根據(jù)路面寬度和每個(gè)車道寬而定，橫向縮縫間距可采用15～ 20m，脹縫及施工縫的設(shè)置同普通混凝土。

h. 混凝土中碎石最大粒徑宜小于纖維長(zhǎng)度的1/2，且不大于20mm。纖維應(yīng)埋入混凝土表面內(nèi)5mm。

5　鋼絲纖維混凝土路面的經(jīng)濟(jì)性

采用礦山廢舊鋼絲繩剪切而成的纖維成本很低，僅有剪切加工費(fèi)用。根據(jù)公路工程預(yù)算定額分析，將25cm厚的普通混凝土路面與21cm厚的鋼絲纖維混凝土路面相比，后者每100m²工程造價(jià)可降低約950元，降低10%左右。鋼絲纖維混凝土路面的縮縫數(shù)量較普通混凝土路面少，既方便施工及行車，又減少縮縫的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。鋼絲纖維混凝土路面的早期強(qiáng)度較高，有利于提前開(kāi)放運(yùn)營(yíng)， 且路用性能良好，能取得一定的經(jīng)濟(jì)效益，還做到了廢物利用。

參考文獻(xiàn)

[1 ]　JTJ012-94，公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S ].

[2 ]　馮平喜. 鋼纖維增強(qiáng)路面混凝土的應(yīng)用和發(fā)展[J]. 山西建筑，2003，29(4):104-105.

[3 ]　馬芹永，朱敏群. 鋼纖維混凝土在路面橋面工程中應(yīng)用[J]. 中國(guó)市政工程，2001，(6): 21-23.