上下層布式鋼纖維混凝土路面施工技術(shù)的應(yīng)用

苑子卿

（黔東南公路建設(shè)養(yǎng)護(hù)有限公司，貴州 凱里 556000）

1 上下層布式鋼纖維混凝土路面設(shè)計(jì)

1.1 鋼纖維混凝土路面強(qiáng)度

層布式鋼纖維混凝土面層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要以28d 齡期彎拉強(qiáng)度為準(zhǔn)，根據(jù)《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 38：2004）及《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2019）規(guī)定，該公路工程層布式鋼纖維混凝土路面面層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必須嚴(yán)格按照表1要求控制，如果層布式鋼纖維混凝土澆筑施工結(jié)束90d后才開(kāi)放交通[1]，則可以按照90d 齡期強(qiáng)度進(jìn)行控制，具體取值為28d 齡期強(qiáng)度的1.1 倍。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，不同交通等級(jí)下層布式鋼纖維混凝土路面面層厚度均應(yīng)當(dāng)根據(jù)規(guī)范所規(guī)定的水泥混凝土面層初步估計(jì)厚度的65～75%取值[2]。必須結(jié)合施工環(huán)境溫度、氣候條件、設(shè)計(jì)要求及既有經(jīng)驗(yàn)等在5～15cm之間進(jìn)行層布式鋼纖維混凝土面層橫向接縫間距（即板長(zhǎng)）的確定。

表1 層布式鋼纖維混凝土路面面層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

臨界荷載位置由標(biāo)準(zhǔn)軸載所引發(fā)的荷載疲勞效應(yīng)值σpr主要取決于基準(zhǔn)設(shè)計(jì)期內(nèi)因受到累計(jì)荷載應(yīng)力作用后的疲勞應(yīng)力系數(shù)值等參數(shù)，對(duì)于層布式鋼纖維混凝土路面結(jié)構(gòu)其疲勞應(yīng)力系數(shù)應(yīng)按照下式確定：

式（1）中：Kff為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)期內(nèi)因受到累計(jì)荷載應(yīng)力作用后的疲勞應(yīng)力系數(shù)：ρf為層布式鋼纖維材料的體積率（%），其值取決于單層混凝土中所撒布的鋼纖維重量；lf為鋼纖維長(zhǎng)度（m）；df為鋼纖維等效直徑（mm）。

1.2 鋼纖維混凝土路面厚度

層布式鋼纖維混凝土面層結(jié)構(gòu)厚度必須根據(jù)行車(chē)荷載以及溫度梯度的綜合影響而引發(fā)的疲勞斷裂進(jìn)行確定，所對(duì)應(yīng)的極限狀態(tài)可用式（2）表示：

式（2）中：γr為層布式鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)可靠度系數(shù)；σtr為在受到溫度梯度的作用下層布式鋼纖維混凝土面層臨界荷載位置所發(fā)生的溫度疲勞應(yīng)力（MPa），應(yīng)根據(jù)規(guī)范確定；fftm為鋼纖維混凝土標(biāo)準(zhǔn)彎拉強(qiáng)度（MPa）；其余參數(shù)含義同前。

如果層布式鋼纖維混凝土溫度疲勞應(yīng)力、荷載疲勞應(yīng)力與可靠度乘積并未超出彎拉強(qiáng)度，即式（2）成立，則層布式鋼纖維混凝土面層厚度即為初選面層厚度，相反，應(yīng)當(dāng)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，直至符合式（2）相關(guān)要求。經(jīng)過(guò)分析，該混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚度取10mm。該混凝土路面上下層布式鋼纖維混凝土面層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)詳見(jiàn)圖1，其中A 表示鋼纖維混凝土層，B 表示素混凝土層。

圖1 上下層布式鋼纖維混凝土路面結(jié)構(gòu)

1.3 原材料

上下層布式鋼纖維混凝土材料配合比不受鋼纖維材料的摻加而發(fā)生改變，該混凝土路面施工使用42.5普通硅酸鹽水泥，以粒徑2.36～31.5mm 連續(xù)級(jí)配的卵石材料為粗骨料，并以細(xì)度模數(shù)2.3～2.9 的中砂為細(xì)骨料，采用C35 水泥混凝土配合比，具體見(jiàn)表2，水泥∶水∶粗骨料∶細(xì)骨料=1∶0.42∶3.6∶1.95。

表2 層布式鋼纖維混凝土配合比

鋼纖維材料選用的是工程所在地某建筑材料工程有限公司所生產(chǎn)的鋼纖維，在15℃溫度環(huán)境、40%濕度環(huán)境及5mm/min 的加載速率進(jìn)行鋼纖維材料性能檢測(cè)，所測(cè)得的材料抗拉強(qiáng)度均值為594MPa；任意挑選10 根鋼纖維材料沿直徑3mm 的鋼棒圓周通過(guò)手工方式彎折90°，且10 根鋼纖維均未出現(xiàn)斷裂跡象。試驗(yàn)結(jié)果表明該材料性能完全符合《混凝土用鋼纖維》（YB/T 151—2017）相關(guān)規(guī)定。

混凝土路面養(yǎng)護(hù)處治施工所用水泥為P·O 42.5 水泥；粗集料為白云石礦碎石料，集料性能參數(shù)詳見(jiàn)表3；河砂取自工程所在地總料場(chǎng)，細(xì)集料性能具體見(jiàn)表4，本工程所使用的細(xì)集料細(xì)度模數(shù)2.6，性能完全滿足混凝土路面對(duì)天然砂料的要求。

表3 粗集料級(jí)配性能

表4 細(xì)集料級(jí)配性能

此外，以KD-Z1 型早強(qiáng)高效減水劑為外加劑，該型號(hào)外加劑減水率為17.5%，30min 和60min 坍落度保留值分別為132mm 和125mm，泌水率比為70%，水泥凈漿流動(dòng)度204mm，pH 值為8.3，密度為1.15±0.02g/mL，對(duì)鋼筋混凝土材料均無(wú)腐蝕性。

2 施工工藝

針對(duì)該改造路段，經(jīng)過(guò)公路管理部門(mén)的多方比較論證后決定，在原水泥混凝土路面層上加鋪上下層布式鋼纖維混凝土以達(dá)到結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)的工程目的。根據(jù)設(shè)計(jì)，加鋪層厚12cm，鋼纖維體積率0.9%，也就是在上下各層分別撒布1.4kg/m2的鋼纖維材料。上下層布式鋼纖維混凝土路面施工主要在混凝土路面澆筑前和澆筑過(guò)程中，將一層鋼纖維均勻布設(shè)在路面底部和頂部，形成復(fù)合路面結(jié)構(gòu)，整個(gè)施工過(guò)程中素混凝土設(shè)計(jì)配合比不變。鋼纖維混凝土路面施工質(zhì)量除必須滿足普通混凝土施工要求外，還應(yīng)加強(qiáng)鋼纖維施工控制。在進(jìn)行鋼纖維混凝土路面施工前必須進(jìn)行基層承載性能的綜合評(píng)定，若根據(jù)評(píng)定結(jié)果承載力無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，則必須補(bǔ)強(qiáng)處理。

目前國(guó)內(nèi)并無(wú)專門(mén)針對(duì)鋼纖維混凝土的施工技術(shù)規(guī)范，故該舊路面改造工程主要采用的是改進(jìn)的水泥混凝土路面施工工藝，即在澆筑水泥混凝土路面前和澆筑時(shí)分別在路面底部與頂部均勻撒布一層鋼纖維材料，以形成復(fù)合型路面結(jié)構(gòu)。

2.1 底層鋼纖維布設(shè)

在處理好的舊路面上均勻撒布一層厚度為10～20mm 且與路面同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土材料，為混凝土振搗過(guò)程中鋼纖維被砂漿握裹提供條件；再借助人工篩按照設(shè)計(jì)撒布量將鋼纖維均勻鋪設(shè)在混凝土上。鋼纖維撒布的過(guò)程中必須均勻、足量，并避免成團(tuán)或漏撒；同時(shí)，應(yīng)禁止車(chē)輛碾壓和人員走動(dòng)，以免影響鋼纖維均布，造成層布式鋼纖維混凝土成型后出現(xiàn)分層或路板斷裂。

2.2 二次混凝土澆筑

撒布好鋼纖維后便進(jìn)行其上混凝土的澆筑，在混凝土攤鋪施工過(guò)程中應(yīng)將其松浦高度控制在低于路面設(shè)計(jì)高程1～2cm 的位置。完成攤鋪后還應(yīng)通過(guò)振動(dòng)棒將混凝土振搗至密實(shí)狀態(tài)，同時(shí)借助振動(dòng)板粗平，為上層鋼纖維均布提供條件。

2.3 上層鋼纖維布設(shè)

待完成二層混凝土攤鋪及找平、振搗密實(shí)及粗平后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行上層鋼纖維材料的撒布，具體的撒布方式與撒布量與底層鋼纖維處理完全一致。

2.4 三次混凝土澆筑

按照設(shè)計(jì)要求鋪設(shè)好上層鋼纖維材料后再加鋪?lái)攲踊炷?，并按照同樣的操作方法找平處理后借助振搗器振搗密實(shí)，再通過(guò)三輥軸整平儀進(jìn)行整平，并借助磨漿機(jī)收漿處理。此后的處理工藝與普通水泥混凝土路面施工完全一致。

2.5 切縫及養(yǎng)護(hù)

切縫施工應(yīng)當(dāng)在混凝土澆筑結(jié)束12h 后進(jìn)行，且不得超出24h；切縫的距離應(yīng)控制在原路面接縫間距的兩倍左右，并保證上下縫完全對(duì)齊。就該公路工程而言，設(shè)計(jì)縮縫縫距取10m，采用兩次切縫的成縫工藝，第一次和第二次切縫寬度分別為3mm、12～20mm，切縫深度分別為80～90mm 和30mm。完成切縫后應(yīng)徹底清洗接縫，此后按照設(shè)計(jì)要求灌注填縫料。

層布式鋼纖維混凝土的養(yǎng)護(hù)過(guò)程與常規(guī)水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)完全一致，該國(guó)道工程混凝土路面嚴(yán)格按照《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTJ 073.1—2001）的要求進(jìn)行。

3 施工應(yīng)用總結(jié)

層布式鋼纖維混凝土施工技術(shù)是在纖維混凝土施工技術(shù)的基礎(chǔ)上演變而來(lái)的，該結(jié)構(gòu)形式在保持原混凝土配合比的基礎(chǔ)上，將設(shè)計(jì)用量的鋼纖維材料均勻布設(shè)在瀝青路面底層和頂層，能夠在保證混凝土材料優(yōu)勢(shì)的情況下充分發(fā)揮鋼纖維增強(qiáng)作用，最終取得普通水泥混凝土所不具備的抗裂、抗沖擊、抗疲勞、抗拉強(qiáng)度等方面的工程效果。層布式鋼纖維混凝土與整體摻入式鋼纖維混凝土相比，鋼纖維用量減少了將近75%，但性能卻能達(dá)到整體摻入式鋼纖維混凝土的90%以上[3]，力學(xué)性能和工程造價(jià)方面均十分優(yōu)異。

層布式鋼纖維混凝土作為新型瀝青路面結(jié)構(gòu)形式，在施工方面仍存在一定問(wèn)題。鋼纖維材料撒布一般通過(guò)人工方式，沒(méi)有特定的施工機(jī)械和專門(mén)的撒布技術(shù)，均勻撒布的確存在一定難度，瀝青路面下層鋼纖維撒布后要在其上進(jìn)行中層混凝土攤鋪，根據(jù)對(duì)該公路施工過(guò)程的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，中間層混凝土材料在傾倒、攤鋪等過(guò)程中必然會(huì)擾動(dòng)撒布好的鋼纖維材料；瀝青路面上層鋼纖維撒布好后，頂面混凝層設(shè)計(jì)厚度有限，在其攤鋪過(guò)程中，避免對(duì)鋼纖維層的擾動(dòng)存在較大難度，同時(shí)，混凝土材料中的粗集料也會(huì)對(duì)鋼纖維層造成一定程度的擾動(dòng)，影響其整體性能。正是由于這方面的原因，使得層布式鋼纖維混凝土施工技術(shù)很難在高等級(jí)路面施工中推廣應(yīng)用。

此外，鋼纖維材料的外形結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能在國(guó)內(nèi)缺乏權(quán)威性規(guī)定。全國(guó)剛標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)于1999 年出臺(tái)了《混凝土用鋼纖維》（YB/T 151—1999）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)在混凝土用鋼纖維材料抗拉強(qiáng)度、尺寸誤差、彎曲性能、外形分類、鋼纖維生產(chǎn)中黏連片及軋屑等允許值等方面均非等效地采用了美國(guó)《增強(qiáng)纖維混凝土用鋼纖維》（ASTM A820—1990）標(biāo)準(zhǔn)[4]，但是并未對(duì)尺寸超差試樣比例作出具體規(guī)定。2017 年中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)原標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，提出《混凝土用鋼纖維》（YB/T 151—2017），該標(biāo)準(zhǔn)在沿用原標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)鋼纖維強(qiáng)度公差、尺寸進(jìn)行了分級(jí)規(guī)定，并對(duì)鋼纖維材料抗拉強(qiáng)度重新進(jìn)行了分級(jí)，提出了鋼纖維表面質(zhì)量細(xì)化要求，還補(bǔ)充了鋼纖維對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)增強(qiáng)效果的測(cè)試技術(shù)。而就當(dāng)前鋼纖維材料生產(chǎn)工藝而言，材料施工和易性差，在材料攪拌及振搗過(guò)程中出現(xiàn)成團(tuán)、折斷的現(xiàn)象也時(shí)常發(fā)生，必須在全面收集國(guó)內(nèi)混凝土路面施工中鋼纖維材料的應(yīng)用數(shù)據(jù)和性能監(jiān)測(cè)結(jié)果，并在實(shí)驗(yàn)路段進(jìn)行長(zhǎng)期試驗(yàn)及連續(xù)監(jiān)測(cè)，展開(kāi)全面分析，為完善層布式鋼纖維混凝土施工方案設(shè)計(jì)、鋼纖維材料撒布、施工質(zhì)量控制及鋼纖維材料黏結(jié)性能的改善提供依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，層布式鋼纖維混凝土技術(shù)當(dāng)前在國(guó)內(nèi)仍處于探索應(yīng)用階段，在施工方案設(shè)計(jì)及施工過(guò)程控制等方面正逐步完善。工程實(shí)踐表明，層布式鋼纖維混凝土能夠顯著提升混凝土路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，有效緩解并抑制各類裂縫的出現(xiàn)，降低路面養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，延長(zhǎng)路面使用壽命。為推進(jìn)該技術(shù)在我國(guó)高等級(jí)混凝土路面養(yǎng)護(hù)處治領(lǐng)域的應(yīng)用，必須從鋼纖維撒布設(shè)備研發(fā)生產(chǎn)、撒布質(zhì)量控制及鋼纖維材料生產(chǎn)工藝改進(jìn)等方面著手，為上下層布式鋼纖維混凝土施工質(zhì)量控制提供保證。