鋼纖維混凝土在路面維修中的應(yīng)用

摘　要:通過試驗(yàn)研究了摻加不同鋼纖維時(shí)混凝土的力學(xué)性能,得出了常規(guī)混凝土路面材料中合理的鋼纖維摻入率. 結(jié)合工程實(shí)踐,總結(jié)出鋼纖維混凝土具有抗彎折、抗裂以及耐磨、耐沖擊、韌性等優(yōu)良性能,在道路工程新建、改擴(kuò)建和維修時(shí),是一種值得優(yōu)先推廣的新型路面結(jié)構(gòu)材料.

關(guān)鍵詞:鋼纖維混凝土;路面工程;強(qiáng)度試驗(yàn);應(yīng)用

中圖分類號(hào): TU755. 9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào): 1673 - 162X (2006) 04 - 0066 - 04

　　鋼纖維混凝土是一種性能優(yōu)良的新型路面復(fù)合材料,近年來在道路工程、水利和港口工程、鐵路工程以及工業(yè)與民用建筑工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展. 我國(guó)自20世紀(jì)80年代初開始陸續(xù)把鋼纖維混凝土從實(shí)驗(yàn)室研究和小規(guī)模推廣應(yīng)用,逐步應(yīng)用于許多大規(guī)模的工程領(lǐng)域. 特別是鋼纖維混凝土用于道橋面層結(jié)構(gòu),可以充分發(fā)揮其彎拉強(qiáng)度高、抗裂、抗疲勞、耐磨、抗沖擊性能好的特點(diǎn),可減少厚度,加大縮縫間距,縮短施工周期,提高工程質(zhì)量,降低工程維修費(fèi)用,延長(zhǎng)工程使用壽命.合肥市從20世紀(jì)80年代中期以來,新建、改擴(kuò)建的城市主次干道85%以上均采用混凝土路面結(jié)構(gòu),近年來隨著城市化進(jìn)程的不斷加快和交通事業(yè)的飛速發(fā)展,行駛在城市道路上的車輛荷載和密度越來越大,致使路面損壞程度日趨嚴(yán)重. 對(duì)于水泥混凝土路面板而言,由于其脆性大、易開裂、抗溫性能差、板塊容易受彎折而產(chǎn)生斷裂,因此這就要求路面面板應(yīng)有足夠的抗彎拉強(qiáng)度和厚度. 文章參照中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)頒布的CECS38 - 2004[ 1 ]和CECS13 - 89[ 2 ]要求,通過鋼纖維混凝土在合肥市政道路混凝土路面結(jié)構(gòu)層維修中的應(yīng)用性研究,旨在探究鋼纖維混凝土在修補(bǔ)破損路面上的實(shí)用技術(shù)和效果.

1　鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)

　　路面鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì),主要是依據(jù)其28d齡期抗壓、抗折強(qiáng)度值要求進(jìn)行的. 配置鋼纖維混凝土的原材料和混合材料應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)混凝土工程施工及驗(yàn)收規(guī)范中的要求.

1. 1　原材料質(zhì)量要求

　　水泥采用425#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.

　　粗骨料粒徑不宜大于20 mm和鋼纖維長(zhǎng)度的2 /3. 本試驗(yàn)碎石粒徑為10mm～20mm.

　　細(xì)集料采用中粗砂,平均粒徑為0. 25mm～0. 45mm. 由于鋼纖維混凝土比普通混凝土的表面積大,當(dāng)砂率低于40%時(shí),與鋼纖維的粘結(jié)不佳. 本試驗(yàn)砂率采用55%.

1. 2　鋼纖維類型及摻入率

　　目前市場(chǎng)上鋼纖維品種類型較多,如高強(qiáng)度鋼絲切斷型、鋼板剪切型、鋼錠銑削型、低合金熔抽異型等. 本試驗(yàn)選用嘉興市經(jīng)緯鋼纖維有限公司生產(chǎn)的“經(jīng)緯牌”銑削型鋼纖維,規(guī)格為0. 25mm ×0. 25mm ×10mm,抗拉強(qiáng)度≥380MPa.

　　在粗骨料最大粒徑和含砂率一定的前提下,鋼纖維混凝土的抗折強(qiáng)度基本上由鋼纖維摻入率和混凝土的水灰比決定. 鋼纖維摻入率高低不僅影響鋼纖維混凝土的抗折強(qiáng)度,而且還影響其韌性、抗裂等良好特性,同時(shí)對(duì)施工難易度也有一定影響. 日本的鋼纖維混凝土設(shè)計(jì)規(guī)程[ 3 ]指出,當(dāng)鋼纖維摻入率不足0. 5%時(shí),難以發(fā)揮鋼纖維混凝土的特性,而大于2%時(shí)則易產(chǎn)生纖維團(tuán). 本試驗(yàn)為探索理想的鋼纖維摻入率,對(duì)比鋼纖維摻入率與鋼纖維混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度之間的關(guān)系,分別采用了4種摻入率: 1%、1. 5%、2%、2. 5%.

1. 3　配合比設(shè)計(jì)[ 4 ]

　　(1)根據(jù)混凝土道路設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)和施工配置強(qiáng)度提高系數(shù),初步確定鋼纖維混凝土試配抗壓和抗彎拉強(qiáng)度.

　　鋼纖維混凝土的設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度按下式計(jì)算:

ff tm = ftm (1 + atmλf ) , λf =ρf lf / df.

　　式中: ff tm —鋼纖維混凝土的設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度; atm —鋼纖維對(duì)抗折強(qiáng)度的影響系數(shù),宜通過試驗(yàn)確定;λf —鋼纖維含量特征值;ρf —鋼纖維體積率, %; lf —鋼纖維長(zhǎng)度; df —鋼纖維直徑或等效直徑.

　　(2)按試配抗壓強(qiáng)度計(jì)算水灰比,一般不大于0. 50.

　　(3)按道路工程施工要求的稠度確定單位體積用水量.

　　(4)通過計(jì)算混合料用量,確定試配配合比.

　　(5)據(jù)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果最后確定工程施工配合比. 不同摻入率的鋼纖維混凝土配合比計(jì)算結(jié)果見表1.

2　強(qiáng)度試驗(yàn)

　　混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是以抗壓和抗折強(qiáng)度為主要控制性指標(biāo)的,因此,參照CECS13 - 9[ 2 ] ,本試驗(yàn)僅做抗壓和抗折強(qiáng)度試驗(yàn),以此作為確定實(shí)際工程施工鋼纖維混凝土配合比的設(shè)計(jì)依據(jù).

2. 1　試件制作

　　根據(jù)表1鋼纖維摻入率不同,每組澆注抗壓和抗折標(biāo)準(zhǔn)試塊各3個(gè),同時(shí)澆注不含鋼纖維的普通混凝土試塊各一組,以便對(duì)比. 試件以正常養(yǎng)護(hù)28d齡期的抗壓和抗折強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn).

2. 2　試驗(yàn)結(jié)果

　　鋼纖維混凝土試件強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表2.

　　試驗(yàn)表明,與普通混凝土相比,銑削型鋼纖維混凝土具有良好的力學(xué)性能,其抗壓強(qiáng)度提高了5% ～20% ,抗折強(qiáng)度提高了20%左右. 當(dāng)鋼纖維與混凝土體積比超過2%時(shí),不但不經(jīng)濟(jì),而且在拌制混凝土過程中,容易產(chǎn)生纖維團(tuán),使鋼纖維在混凝土中分布難以均勻,在缺少鋼纖維部分或鋼纖維成團(tuán)處起不到增強(qiáng)作用,抗壓強(qiáng)度反而下降. 因此,對(duì)于鋼纖維混凝土路面結(jié)構(gòu)而言,鋼纖維摻入率以1. 0%～2. 0%為佳.

2. 3　鋼纖維作用機(jī)理分析

　　從已破壞的試塊斷裂面情況看,斷裂面形狀極不規(guī)則,沿各種方向分布有幾十根被拉斷的鋼纖維. 從試驗(yàn)過程和鋼纖維作用機(jī)理分析可知,由于摻入的鋼纖維是銑削工藝制作的,表面較粗糙,隨著裂縫不斷發(fā)展,纖維- 基體界面間的粘結(jié)力和摩擦力起主要阻抗作用,阻止鋼纖維從混凝土基體中拔出.摻入鋼纖維對(duì)強(qiáng)度的影響,不僅體現(xiàn)在鋼纖維摻入率方面,而且不同類型鋼纖維增強(qiáng)形式也不盡相同. 如何對(duì)鋼纖維- 基體界面之間的作用機(jī)理作進(jìn)一步詳細(xì)、定量分析,這將是作者研究工作的后續(xù).

3　工程應(yīng)用[ 5, 6 ]

　　合肥市某路段混凝土路面因大量超載車輛行駛,致使板塊斷裂、下沉嚴(yán)重,經(jīng)與市政管養(yǎng)部門進(jìn)行多種維修方案分析比較后,最后決定對(duì)裂縫兩側(cè)混凝土路面板局部翻挖后,采用澆注鋼纖維混凝土方法進(jìn)行修補(bǔ)處理.

3. 1　施工材料與配合比

　　水泥: 425#巢湖牌普通硅酸鹽水泥;

　　細(xì)集料:舒城中粗砂,平均粒徑0. 35mm～0. 45mm,含泥量< 2%;

　　粗集料:碎石粒徑5mm～20mm,質(zhì)地堅(jiān)硬;

　　鋼纖維:嘉興市經(jīng)緯鋼纖維有限公司生產(chǎn)的“經(jīng)緯牌”銑削型鋼纖維,規(guī)格為0. 25mm ×0. 25mm ×10mm,抗拉強(qiáng)度≥380MPa. 該產(chǎn)品性能穩(wěn)定,使用效果良好.

　　根據(jù)合肥市城市道路設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度35Mpa、抗折強(qiáng)度6. 5MPa的要求,參照試驗(yàn)室研究結(jié)果,鋼纖維混凝土施工配合比采用:水泥∶黃砂∶碎石∶水為1∶2. 32∶2. 46∶0. 5,鋼纖維摻入率為1. 5%.

3. 2　基層處理

　　為確保鋼纖維混凝土面層下的基層剛度,必須在破裂的舊混凝土面板全部鑿除后,對(duì)板底基層進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理. 先將板塊下部三渣基層松動(dòng)部分全部清除,然后用C20素混凝土找平并澆注至原路面下14cm高度處,待C20混凝土半干狀態(tài)后開始澆注鋼纖維混凝土面層.

3. 3　鋼纖維混凝土攪拌

　　鋼纖維混凝土與普通混凝土拌和不同之處在于如何摻入鋼纖維,才能使鋼纖維在混凝土中均勻分散,而不致于產(chǎn)生纖維團(tuán),影響施工質(zhì)量.

　　現(xiàn)場(chǎng)要求施工單位采用滾筒式拌和機(jī)攪拌鋼纖維混凝土. 攪拌時(shí)應(yīng)按下列順序投料:先將鋼纖維與砂干拌1min,然后依次加入石料、水泥充分干拌1min,最后按量加入水拌和3～4min,使鋼纖維在混合料中充分散開. 總攪拌時(shí)間應(yīng)控制在6min內(nèi),防止攪拌時(shí)間過長(zhǎng)形成濕纖維團(tuán),無法達(dá)到鋼纖維混凝土的性能要求.

3. 4　面層澆注與質(zhì)量控制

　　鋼纖維混凝土與普通混凝土澆注方法基本相同. 用人工先將其大致攤鋪整平,然后用平板振動(dòng)器振搗密實(shí),振搗時(shí)間以混凝土停止下沉,不再冒氣泡并浮出漿液為準(zhǔn). 振動(dòng)梁找平提漿后,用鋼滾筒依次滾壓進(jìn)一步整平,待混凝土表面無泌水時(shí)再進(jìn)行人工抹面、拉毛或壓紋.

　　在鋼纖維混凝土面層澆注過程中,應(yīng)注意: (1)為了避免鋼纖維下沉,平板振搗時(shí)間不宜過長(zhǎng); (2)為了消除混凝土表面鋼纖維裸露,人工抹面應(yīng)盡可能提前.

3. 5　工程效果

　　經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)抽樣試驗(yàn),鋼纖維混凝土抗折、抗壓強(qiáng)度與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果基本一致. 鋼纖維混凝土與素混凝土相比,在原設(shè)計(jì)條件不變情況下,路面結(jié)構(gòu)層鋪設(shè)厚度減少了40%～50%,節(jié)約水泥、沙石等基礎(chǔ)材料近50%.通過一年多的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),采用鋼纖維混凝土修補(bǔ)后的路面結(jié)構(gòu)層至今未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象,而同一路段原混凝土面板仍有裂縫不斷產(chǎn)生. 鋼纖維混凝土除了具有較高的抗彎強(qiáng)度外,還具有良好的抗沖擊、抗開裂性能,而且在產(chǎn)生裂紋后,可由橫貫裂紋的大量鋼纖維繼續(xù)抵抗外力,控制裂紋進(jìn)一步發(fā)展,從而達(dá)到延長(zhǎng)使用壽命的效果. 因此說,采用上述鋼纖維混凝土修補(bǔ)路面裂縫取得了良好效果,具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益. 此外,用鋼纖維混凝土維修舊混凝土路面還能達(dá)到早期強(qiáng)度高,提前通車的目的.

4　結(jié)語

　　隨著對(duì)鋼纖維混凝土這種復(fù)合材料的不斷深入研究,相信會(huì)在更多的工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用和推廣,從而顯示出與普通混凝土相比所具有的強(qiáng)大優(yōu)越性.

參考文獻(xiàn):

　　[ 1 ] 　中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì). CECS38 - 2004 纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[ S]. 北京:中國(guó)計(jì)劃出版社, 2004: 47257.

　　[ 2 ] 　中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì). CECS13 - 89 鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法[ S]. 北京:中國(guó)計(jì)劃出版社, 1989: 28244.

　　[ 3 ] 　張世杰,姜維禮,賀業(yè)成,等. 鋼纖維混凝土路面試驗(yàn)工程報(bào)告[ J ]. 公路, 1995 (11) : 37240.

　　[ 4 ] 　中華人民共和國(guó)建設(shè)部. CJJ37 - 90 城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范[ S]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 1991: 74280.

　　[ 5 ] 　中華人民共和國(guó)建設(shè)部. CJJ36 - 2006 城市道路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范[ S]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2006: 28233.

　　[ 6 ] 　中華人民共和國(guó)建設(shè)部. CJJ1 - 90 市政道路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[ S]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 1991: 18219.