鋼纖維混凝土在路面維修中的應(yīng)用

摘　要:通過試驗研究了摻加不同鋼纖維時混凝土的力學(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、改擴建和維修時,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;強度試驗;應(yīng)用

中圖分類號: TU755. 9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號: 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. 我國自20世紀(jì)80年代初開始陸續(xù)把鋼纖維混凝土從實驗室研究和小規(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)揮其彎拉強度高、抗裂、抗疲勞、耐磨、抗沖擊性能好的特點,可減少厚度,加大縮縫間距,縮短施工周期,提高工程質(zhì)量,降低工程維修費用,延長工程使用壽命.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)有足夠的抗彎拉強度和厚度. 文章參照中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會頒布的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破損路面上的實用技術(shù)和效果.

1　鋼纖維混凝土配合比設(shè)計

路面鋼纖維混凝土配合比設(shè)計,主要是依據(jù)其28d齡期抗壓、抗折強度值要求進行的. 配置鋼纖維混凝土的原材料和混合材料應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)混凝土工程施工及驗收規(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度和耐磨性能.

粗骨料粒徑不宜大于20 mm和鋼纖維長度的2 /3. 本試驗碎石粒徑為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,與鋼纖維的粘結(jié)不佳. 本試驗砂率采用55%.

1. 2　鋼纖維類型及摻入率

目前市場上鋼纖維品種類型較多,如高強度鋼絲切斷型、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度,而且還影響其韌性、抗裂等良好特性,同時對施工難易度也有一定影響. 日本的鋼纖維混凝土設(shè)計規(guī)程[ 3 ]指出,當(dāng)鋼纖維摻入率不足0. 5%時,難以發(fā)揮鋼纖維混凝土的特性,而大于2%時則易產(chǎn)生纖維團. 本試驗為探索理想的鋼纖維摻入率,對比鋼纖維摻入率與鋼纖維混凝土抗壓、抗折強度之間的關(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[ 4 ]

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

　　鋼纖維混凝土的設(shè)計彎拉強度按下式計算:

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

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

　　(2)按試配抗壓強度計算水灰比,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)通過計算混合料用量,確定試配配合比.

　　(5)據(jù)強度試驗結(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算結(jié)果見表1.

2　強度試驗

　　混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計是以抗壓和抗折強度為主要控制性指標(biāo)的,因此,參照CECS13 - 9[ 2 ] ,本試驗僅做抗壓和抗折強度試驗,以此作為確定實際工程施工鋼纖維混凝土配合比的設(shè)計依據(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,同時澆注不含鋼纖維的普通混凝土試塊各一組,以便對比. 試件以正常養(yǎng)護28d齡期的抗壓和抗折強度為標(biāo)準(zhǔn).

2. 2　試驗結(jié)果

　　鋼纖維混凝土試件強度試驗結(jié)果見表2.

　　試驗表明,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,其抗壓強度提高了5% ～20% ,抗折強度提高了20%左右. 當(dāng)鋼纖維與混凝土體積比超過2%時,不但不經(jīng)濟,而且在拌制混凝土過程中,容易產(chǎn)生纖維團,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處起不到增強作用,抗壓強度反而下降. 因此,對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. 從試驗過程和鋼纖維作用機理分析可知,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.摻入鋼纖維對強度的影響,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形式也不盡相同. 如何對鋼纖維- 基體界面之間的作用機理作進一步詳細(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)部門進行多種維修方案分析比較后,最后決定對裂縫兩側(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行修補處理.

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)計抗壓強度35Mpa、抗折強度6. 5MPa的要求,參照試驗室研究結(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,對板底基層進行補強處理. 先將板塊下部三渣基層松動部分全部清除,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,影響施工質(zhì)量.

　　現(xiàn)場要求施工單位采用滾筒式拌和機攪拌鋼纖維混凝土. 攪拌時應(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. 總攪拌時間應(yīng)控制在6min內(nèi),防止攪拌時間過長形成濕纖維團,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,然后用平板振動器振搗密實,振搗時間以混凝土停止下沉,不再冒氣泡并浮出漿液為準(zhǔn). 振動梁找平提漿后,用鋼滾筒依次滾壓進一步整平,待混凝土表面無泌水時再進行人工抹面、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,平板振搗時間不宜過長; (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)場抽樣試驗,鋼纖維混凝土抗折、抗壓強度與室內(nèi)試驗結(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)場觀測,采用鋼纖維混凝土修補后的路面結(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,控制裂紋進一步發(fā)展,從而達(dá)到延長使用壽命的效果. 因此說,采用上述鋼纖維混凝土修補路面裂縫取得了良好效果,具有明顯的經(jīng)濟和社會效益. 此外,用鋼纖維混凝土維修舊混凝土路面還能達(dá)到早期強度高,提前通車的目的.

4　結(jié)語

　　隨著對鋼纖維混凝土這種復(fù)合材料的不斷深入研究,相信會在更多的工程領(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大優(yōu)越性.

參考文獻(xiàn):

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

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

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

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

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

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