橋梁工程中鋼纖維混凝土施工技術(shù)的應(yīng)用

肖耀輝

（山西路橋集團(tuán)運(yùn)寶黃河大橋建設(shè)管理有限公司，山西 太原 044600）

一、鋼纖維混凝土性能概述

鋼纖維混凝土通常均勻摻有長(zhǎng)度20mm和40mm、直徑0.3mm～0.6mm的短鋼纖維，摻加量一般控制在混凝土總體積的1%～2%，可摻鋼纖維主要包括切斷鋼纖維、切削鋼纖維、剪切鋼纖維及熔抽鋼纖維等類型。根據(jù)大量工程試驗(yàn)，纖維增強(qiáng)效果主要受到基體強(qiáng)度、纖維體積率、鋼纖維長(zhǎng)度直徑比、鋼纖維與基體黏結(jié)強(qiáng)度等要素影響。當(dāng)鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)被破壞，鋼纖維一般會(huì)被拉出而非折斷。因此，改善鋼纖維與混凝土基體黏結(jié)強(qiáng)度是增強(qiáng)鋼纖維性能質(zhì)量的主要途徑。用鋼纖維混凝土代替普通鋼筋，并通過(guò)縮小構(gòu)件截面面積、控制結(jié)構(gòu)厚度、調(diào)整接縫間距等手段提升工程質(zhì)量，可以縮短工期，降低成本。

作為優(yōu)質(zhì)的水泥復(fù)合材料，鋼纖維混凝土在影響混凝土韌性和抗裂性，提升混凝土耐久性、耐磨性及受力性能等方面具有積極作用。首先，在混凝土材料中摻加鋼纖維可顯著提升混凝土的抗裂性和韌性，當(dāng)結(jié)構(gòu)承受的外部荷載超出混凝土材料的設(shè)計(jì)荷載承載范圍時(shí)，混凝土和鋼纖維之間的黏結(jié)性能會(huì)將力傳遞至鋼纖維材料，使鋼纖維在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生約束力，防止結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生新裂縫，并避免既有裂縫進(jìn)一步發(fā)展。其次，摻加鋼纖維可顯著提升混凝土的壓縮變形能力、抗彎性、抗剪性、抗劈裂性及柔韌性等性能。此外，摻加鋼纖維可顯著提升混凝土的耐久性和抗摩性，延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。

二、工程概況

某橋梁改造工程主要包括舊橋上下部及附屬結(jié)構(gòu)的拆除和新建。該橋梁全長(zhǎng)184.16m，橋面寬55.0m，按雙向八車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，新建橋梁上部為鋼筋混凝土空心板梁，橋臺(tái)為鋼筋混凝土墻式橋臺(tái)和多柱式墩，基礎(chǔ)為鋼筋混凝土鉆孔灌注樁。在該橋梁新建過(guò)程中，橋面鋪裝和橋梁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)加固需運(yùn)用鋼纖維混凝土材料。

鋼纖維混凝土材料的應(yīng)用，既能提升橋面耐久性、抗裂性和運(yùn)行的舒適性，又能顯著提升橋梁的抗折強(qiáng)度、剛度，控制鋪裝層厚度，降低結(jié)構(gòu)自重，優(yōu)化橋梁受力狀況，也是橋梁結(jié)構(gòu)向大跨度、輕型化等方向發(fā)展的必經(jīng)之路。同時(shí)，可以改善橋梁結(jié)構(gòu)性能、優(yōu)化外觀造型、減小上部結(jié)構(gòu)用料和下部墩臺(tái)數(shù)量，并有效降低工程造價(jià)。

該橋梁工程采用轉(zhuǎn)子Ⅱ型噴射機(jī)完成鋼纖維混凝土噴射施工，以應(yīng)對(duì)橋梁墩臺(tái)及橋面表層剝落、裂縫等病害，滿足橋梁結(jié)構(gòu)抗震性和整體性的要求。具體而言，應(yīng)先將病害位置舊混凝土表面鑿毛處理，按設(shè)計(jì)要求量噴涂鋼纖維混凝土，保證加固結(jié)構(gòu)具有牢固性、密實(shí)性和早期抗裂性。

三、鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)

該橋梁工程鋼纖維混凝土以摻合料、外加劑、鋼纖維、砂卵礫石、水泥等為主要配料，并使用P.O42.5的普通硅酸鹽水泥，粒徑6mm～26mm且含泥量在1%以內(nèi)的卵礫石，含泥量在3%以內(nèi)的中砂，抗壓強(qiáng)度800N/m2～1000N/m2的泵送劑，直徑0.9mm且長(zhǎng)度60mm的鋼纖維，Ⅰ級(jí)粉煤灰摻合料。為保證鋼纖維混凝土性能質(zhì)量，其類型必須與基材強(qiáng)度相適應(yīng)，抗拉強(qiáng)度不能小于500MPa，最佳摻量應(yīng)控制在0.5%～1.2%，且鋼纖維長(zhǎng)度不能過(guò)長(zhǎng)，直徑應(yīng)控制在0.5mm～0.7mm，長(zhǎng)徑比控制在50～80。此外，還應(yīng)保證鋼纖維無(wú)雜質(zhì)、無(wú)銹蝕、無(wú)油污，并適量摻加減水劑和外加劑。拌制鋼纖維混凝土?xí)r，砂率不應(yīng)小于同標(biāo)號(hào)混凝土，主骨料直徑控制在10mm～20mm，以確保鋼纖維和基體材料牢固結(jié)合。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，材料配比與工程設(shè)計(jì)強(qiáng)度、施工配置強(qiáng)度系數(shù)等要素存在較大關(guān)系。通過(guò)綜合分析以上參數(shù)，確定該橋梁施工材料的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，并根據(jù)所得鋼纖維混凝土抗折強(qiáng)度計(jì)算其水灰比及材料試配比率。該橋梁工程鋼纖維混凝土配合比如表1所示。

表1 鋼纖維混凝土配合比

四、橋梁鋼纖維混凝土施工技術(shù)要點(diǎn)

鋼纖維混凝土施工包括澆筑、噴射、灌漿等方法，為保證施工質(zhì)量，除滿足普通混凝土施工要求外，還應(yīng)加強(qiáng)鋼纖維施工過(guò)程控制，保證鋼纖維均勻分布于基體中。該橋梁工程中的鋼纖維混凝土施工技術(shù)要點(diǎn)包括以下幾方面。

（一）施工機(jī)械的選用

鋼纖維打散采用的分散裝置如圖1所示，由一級(jí)和二級(jí)打散系統(tǒng)等部分構(gòu)成，可保證鋼纖維材料充分分散，避免結(jié)團(tuán)，克服人工打散方式工效低、效果差等問(wèn)題，確保將鋼纖維材料均勻分布在混凝土混合料中，保證混合料性能質(zhì)量。

圖1 鋼纖維打散裝置

鋼纖維混凝土攪拌機(jī)使用強(qiáng)制式攪拌機(jī)，對(duì)于鋼纖維摻量較大及塌落度較小的情況，為避免攪拌機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，應(yīng)適當(dāng)降低攪拌機(jī)利用率。

（二）投料次序及投料時(shí)間

根據(jù)鋼纖維混凝土制備要求，其原材料主要包括水泥、粉煤灰、礦粉等膠凝材料，以及水、砂石、外加劑和鋼纖維等其他材料，根據(jù)混合料配合比不同所需的拌制工藝也不相同。對(duì)應(yīng)的投料次序主要包括三種：按照順序?qū)⒛z凝材料、水、砂石、外加劑和鋼纖維材投入鋼纖維分散裝置攪拌，拌和時(shí)間3min，攪拌后發(fā)現(xiàn)鋼纖維存在明顯的扎堆現(xiàn)象，且鋼纖維和其余原材料未均勻分散；投砂石和鋼纖維，再投水、外加劑和膠凝材料，并分別攪拌1min～2min后發(fā)現(xiàn)，鋼纖維和膠凝材料、骨料的分散效果雖優(yōu)于第一種方式，但仍存在少部分鋼纖維團(tuán)聚現(xiàn)象；投加砂石和鋼纖維，再投加膠凝材料，最后投加水和外加劑，并分3次攪拌，結(jié)果顯示鋼纖維及其與組分分散結(jié)果較好。因此，該橋梁工程原材料投料次序選擇第三種。

在確定該橋梁鋼纖維混凝土投料次序后，還應(yīng)進(jìn)一步分析投料時(shí)間。因全部原材料分3次投放，為節(jié)省拌和時(shí)間，保證原材料尤其是鋼纖維在混凝土中均勻分散，必須合理控制拌和時(shí)間，即先投加砂石和鋼纖維拌和1.5min，再投加膠凝材料拌和1.0min，最后投加水和外加劑拌和3.0min，生成的鋼纖維混凝土分散性較好。

（三）澆筑和振搗

澆筑鋼纖維混凝土?xí)r應(yīng)注重連續(xù)性，并避免形成明顯的澆筑接頭，每次倒料時(shí)應(yīng)與前次料重疊15cm～20cm，確保鋼纖維混凝土整體結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。采用插入式振動(dòng)棒振搗鋼纖維混凝土?xí)?dǎo)致混合料中的鋼纖維向振動(dòng)棒方向集聚，為避免集聚現(xiàn)象發(fā)生，維護(hù)鋼纖維均勻分布狀態(tài)，該工程主要使用平板振動(dòng)器振搗，抹平處理振搗完成后的混凝土表面，并將外露的鋼纖維壓入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部。

（四）成型及接縫施工

鋼纖維混凝土粗骨料較細(xì)、砂率大，且纖維分布較亂，因此鋼纖維混凝土路面必須通過(guò)真空吸水工藝成型施工，并以機(jī)械抹平方式輔助，避免鋼纖維接頭外露。該工程橋面鋪裝及橋梁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)加固施工過(guò)程中主要采用壓紋機(jī)壓紋，防止拉毛及鋼纖維外露。

鋼纖維混凝土具備較好的抗裂性和抗收縮性，故應(yīng)封閉交通施工，通過(guò)混凝土攤鋪機(jī)全幅施工，不設(shè)縱縫。鋼纖維混凝土澆筑后需養(yǎng)生至設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%后切鋸縮縫。

五、結(jié)語(yǔ)

鋼纖維混凝土復(fù)合材料當(dāng)前已在路橋工程中廣泛應(yīng)用，鋼纖維混凝土材料自身所具有的抗拉強(qiáng)度、抗沖擊性能和抗裂性能較為優(yōu)越，并能根據(jù)工程需要調(diào)整優(yōu)化鋼纖維摻量和混合料性能，應(yīng)用后能顯著提升橋梁結(jié)構(gòu)使用性能。隨著鋼纖維生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，相關(guān)理論研究的不斷推進(jìn)，鋼纖維混凝土在路橋及建筑工程中的應(yīng)用將進(jìn)一步拓寬，充分發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。