隧道路面鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)及性能研究

蔣奇志

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550000）

隨著高等級(jí)公路的不斷發(fā)展，鋼釬維混凝土在路面工程上，特別是橋、隧上應(yīng)用越來越廣泛，如何合理地選用混凝土配合比及鋼釬維摻量，是工程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 、鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)及要求

1.1 原材料性質(zhì)和要求

（1）水泥。采用適合于道路工程使用的水泥，主要包括：硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、道路硅酸鹽水泥等。必須符合如下幾點(diǎn)基本要求：

①應(yīng)采用強(qiáng)度高、收縮性小、耐磨性強(qiáng)、抗凍性好的水泥。②應(yīng)采用標(biāo)號(hào)不低于425號(hào)的水泥。③水泥進(jìn)場(chǎng)時(shí)，應(yīng)有產(chǎn)品合格證和化驗(yàn)單，并應(yīng)對(duì)水泥品種、標(biāo)號(hào)、包裝、數(shù)量、出廠日期等進(jìn)行檢查驗(yàn)收。④不同標(biāo)號(hào)、廠牌、品種、出廠日期的水泥，不得混和堆放，嚴(yán)禁混和使用。出廠期超過三個(gè)月或受潮的水泥，必須經(jīng)過試驗(yàn)，按照試驗(yàn)結(jié)果決定正常使用或降級(jí)使用，已經(jīng)結(jié)塊變質(zhì)的水泥不得使用。

（2）粗集料。集料粒徑大于5mm的稱為粗集料。粗集料可以采用軋制碎石和礫石兩種，要求粗集料質(zhì)地堅(jiān)硬、耐久、潔凈、有良好的級(jí)配。粗集料顆粒應(yīng)接近立方體，最大粒徑不應(yīng)超過25mm。

（3）細(xì)集料。細(xì)集料應(yīng)該采用天然砂、人工砂或石屑，要求質(zhì)地堅(jiān)硬、耐久、潔凈，并具有良好的級(jí)配。混凝土用砂的級(jí)配根據(jù)《普通混凝土用砂質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)方法（JGJ 52－92）》的規(guī)定，是以細(xì)度模數(shù)Mx＝1.6～3.7的砂，按0.63mm篩孔的累計(jì)篩余劃分為3個(gè)級(jí)配分區(qū)。本施工規(guī)范要求砂的級(jí)配滿足其中II區(qū)的級(jí)配要求，如表1所示。

表1 隧道路面鋼纖維混凝土用砂的級(jí)配范圍

（4）鋼纖維

鋼纖維的化學(xué)成分應(yīng)滿足表2的要求。

表2 鋼纖維化學(xué)成分技術(shù)要求

鋼纖維長(zhǎng)度偏差不應(yīng)超過長(zhǎng)度公稱值的±5%，每3t產(chǎn)品隨機(jī)取樣100根，長(zhǎng)度偏差按照下式計(jì)算：

式中：δi--鋼纖維長(zhǎng)度偏差值；

li--每根受檢鋼纖維的實(shí)測(cè)長(zhǎng)度；

lf--鋼纖維長(zhǎng)度公稱值。

鋼纖維的重量偏差不應(yīng)超過按尺寸公稱值計(jì)算重的±15%，每3t產(chǎn)品隨機(jī)取樣100根，重量偏差按照下式計(jì)算：

式中：δw--鋼纖維重量偏差值；

W0--為100根鋼纖維實(shí)測(cè)重量；

Wc--按鋼纖維形狀公稱值計(jì)算的100根鋼纖維理論重量。

鋼纖維的徑向扭曲角度應(yīng)不小于20°。鋼纖維的抗拉強(qiáng)度不應(yīng)低于600N/mm2。鋼纖維表面不得粘混有油污和其它妨礙其與水泥砂漿粘結(jié)的雜質(zhì)。鋼纖維內(nèi)含有的因加工不良造成的粘連片、鐵屑及雜質(zhì)的總重量不應(yīng)超過鋼纖維重的1%。

（5）減水劑。為了提高鋼纖維混凝土的和易性，應(yīng)摻加適量的減水劑，其技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《混凝土外加劑應(yīng)用規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定要求。合適的摻量需要通過試驗(yàn)確定，推薦一般摻量為水泥重量的0.5～2.0%。

（6）水。拌和用水應(yīng)滿足我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《混凝土拌和用水標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ63－89）的規(guī)定。經(jīng)檢驗(yàn)，攪拌及養(yǎng)護(hù)用水中的有害雜質(zhì)含量應(yīng)符合下述規(guī)定：

（1）硫酸鹽含量（按SO4-2計(jì)）小于2.7mg/cm3；（2）含鹽量不得超過 5mg/cm3；（3）PH 值不得小于4；（4）不得含有油污;（5）拌制鋼纖維混凝土不得采用海水、海砂，嚴(yán)禁摻加氯鹽。

1.2 鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)

道路用鋼纖維砼配合比設(shè)計(jì)按照抗彎拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行雙控。采用以抗彎拉強(qiáng)度為主控指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，抗折斷件的抗壓強(qiáng)度作為砼強(qiáng)度等級(jí)的參考。

（1）配合比設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)的控制指標(biāo)為抗壓強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度，其強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)不低于C30。彎拉強(qiáng)度與交通量有關(guān)，可以按照表 3選取。

表3 鋼纖維混凝土設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度指標(biāo)

鋼纖維混凝土的設(shè)計(jì)步驟如下：

①根據(jù)試配的抗壓強(qiáng)度確定水灰比的大致范圍。②根據(jù)設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)確定合理的鋼纖維摻量范圍。③根據(jù)稠度的要求調(diào)整單位體積用水量或者砂率。④鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度與水灰比的關(guān)系可以參考有關(guān)普通水泥混凝土的關(guān)系。彎拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)見表 3，要求采用合適的鋼纖維摻量以使得28天后的彎拉強(qiáng)度達(dá)到表 3的要求。鋼纖維混凝土的稠度可參照同類工程對(duì)普通混凝土所要求的稠度確定，其坍落度值可比相應(yīng)的普通混凝土要求值小20mm，其維勃稠度值與相應(yīng)普通混凝土要求值相同。⑤鋼纖維混凝土試配配合比確定后，應(yīng)進(jìn)行拌和物性能試驗(yàn)，檢查其稠度、粘聚性、保水性等是否滿足施工要求，若不滿足則應(yīng)在保持水灰比和鋼纖維體積率不變的條件下，調(diào)整單位體積用水量或砂率直到滿足要求為止，并據(jù)此確定用于強(qiáng)度試驗(yàn)的基準(zhǔn)配合比。

（3）配合比

室內(nèi)試驗(yàn)采用表4所示的配合比。減水劑為SPN型高效減水劑，用量為水泥用量的1.5%，每立方米混凝土材料用量見表4。進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工配合比設(shè)計(jì)時(shí)按照表中的比例進(jìn)行試配以確定最終的用于路面鋪筑的配合比。

表4 鋼纖維混凝土配合比

鋼纖維混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表5。可以看出，其28天抗壓強(qiáng)度達(dá)到35MPa以上，28天的抗折強(qiáng)度達(dá)到7.0MPa以上，滿足表3中的設(shè)計(jì)要求。鋼纖維混凝土的早期強(qiáng)度發(fā)展較快，有利于提前開放交通。

表5 配合比設(shè)計(jì)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表6 對(duì)比配合比表

1.3 力學(xué)性能比較

鋼纖維混凝土與普通混凝土相比，力學(xué)性能有很大的提高。采用相同材料對(duì)普通混凝土和鋼纖維混凝土力學(xué)性能進(jìn)行比較。為了對(duì)比纖維的作用效果，避開其它原因的影響，配合比設(shè)計(jì)采用了保持混凝土各材料用量不變的原則，對(duì)是否加入纖維進(jìn)行比較。

混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用150mm×150mm×150mm混凝土試件，按照《公路工程水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ053－94）進(jìn)行。

混凝土抗剪切強(qiáng)度試驗(yàn)采用雙面直接剪切法，根據(jù)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)方法進(jìn)行，混凝土試件為100mm×100mm×400mm的梁式試件。

混凝土抗沖磨強(qiáng)度試驗(yàn)采用氣流挾砂法,試件為150mm×150mm ×150mm 的立方體。試驗(yàn)中，混凝土試件固定在勻速往返運(yùn)行的活動(dòng)臺(tái)架上，高壓氣、水、砂混合流均勻沖擊磨損其表面。試驗(yàn)風(fēng)壓0.3MPa，沖角30°，砂流量180kg/h，磨料砂為粒徑小于3mm的天然河砂?？箾_磨強(qiáng)度指混凝土磨損1cm深度所需時(shí)間。

試驗(yàn)結(jié)果如下表所示。

見表7 RC與SFRC力學(xué)性能比較一覽表

通過上表的數(shù)據(jù)對(duì)比，我們可以看到鋼纖維混凝土具有抗拉、抗折強(qiáng)度高，抗疲勞性好，抗裂性能好，彎曲韌性優(yōu)良，防滲性突出等特點(diǎn)。在抗彎強(qiáng)度等方面提高幅度顯著，有利于隧道路面使用。

結(jié)束語：鋼纖維砼修筑路面技術(shù)就是將鋼纖維均勻地分散于基體砼中，通過分散的鋼纖維減小動(dòng)態(tài)荷載作用在基體砼上引起的應(yīng)力集中，從而控制砼裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，提高復(fù)合材料的抗裂性。同時(shí)由于砼與鋼纖維界面間有很大的黏結(jié)力，因而可將外力傳遞到抗拉強(qiáng)度大、延伸率高的鋼纖維上，使鋼纖維砼作為一個(gè)均勻整體抵抗外力作用，顯著提高了砼的抗彎拉強(qiáng)度、抗沖擊韌性、抗疲勞性能等，使得屬于脆性材料的砼轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂辛己盟苄缘膹?fù)合材料。因此，鋼纖維砼在隧道路面中使用，可以明顯減少路結(jié)構(gòu)層龜裂、斷板等病害，顯著提高路面的使用壽命。

表7 RC與SFRC力學(xué)性能比較一覽表

[1]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程.JTJ058－2000.

[2]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路工程水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程.JTJ053－94.