简述现代钢纤维砼在路桥施工中的应用

　　摘要:本文主要根据国内外有关试验和施工资料,分析了钢纤维及钢纤维砼(SFRC)的基本性质.也针对钢纤维砼在路桥工程中的一些应用进行了全面介绍.最后对钢纤维砼在路桥工程设计和施工中的有关事项作了较为详细地论述.
　　关键词:钢纤维砼;路桥工程;性能;强度;设计;施工
　　1钢纤维和钢纤维砼的性能
　　1.1钢纤维基本性能
　　钢纤维按其制造方式分为切断钢纤维、剪切钢纤维、切削钢纤维和熔抽钢纤维4种.
　　切断钢纤维抗拉强度高,但与水泥沙浆的界面粘结性较差.对钢纤维表面进行变形处理,制成表面有刻痕的、末端带钩的、波纹形的钢纤维,或者圆截面与扁平截面交替的呈规律性变化的钢纤维可以改善其力学性能.当用废钢丝绳切断而成时,必须进行除油污和除锈处理.
　　剪切钢纤维由剪切冷轧薄板制得,厚0.2—0.5mm,宽0.25—0.9mm,抗拉强度为450—800MPa,与水泥砂浆的粘结性比切断钢纤维好.切削钢纤维由旋转的铣刀切削软钢锭或厚钢板制得,强度比原材料有较大提高,截面呈三角形,与水泥砼的粘结较好.熔抽钢纤维由熔融的钢水甩制而成,纤维强度因熔钢成分与热处理条件而异,表面不规则且有一层强度很低的氧化层.氧化层的存在降低了钢纤维与砼的粘结强度.钢纤维的弹性模量与抗拉强度都比较高,大约为水泥基材的5倍以上.同时钢纤维也可以制成各种变截面形状,以增加与水泥基材之间的握裹力.
　　1.2钢纤维增强砼强度机理
　　钢纤维在砼中的主要作用,在于限制外力作用下基体中裂缝的扩展.在受荷(拉、弯)初期,水泥基料与钢纤维共同承受外力,而前者是外力的主要承受者:当基料发生开裂后,横跨裂缝的钢纤维成为外力的主要承受者.若钢纤维体积掺量超过某一临界值,整个复合材料可继续承受较高的荷载,并产生较大的变形,直到钢纤维被拉断或钢纤维从基料中被拨出,以至复合材料破坏.
　　1.3钢纤维砼的基本性能
　　钢纤维砼是在普通砼中,均匀地乱向分布一定量的钢纤维,经硬化而得,与普通砼相比,具有一系列优越的物理力学性质:
　　(1)强度与重量比值增大;
　　(2)较高的抗拉、抗压和抗弯的极限强度.在砼中掺入适量钢纤维,其极限抗压强度可以提高,单轴抗拉极强度可提高40%—50%,抗弯极限强度可提高50%—150%;
　　(3)良好的抗冲击性能.钢纤维砼在纤维掺量为0.8%—2.0%时,其冲击韧性指标可提高50—100倍,甚至更高;
　　(4)变形性能明显改善.钢纤维对砼抗压弹性模量影响不显著,但对抗拉弹性模量提高较多,钢纤维对砼长期收缩变形的影响也较明显,钢纤维可使砼的收缩率降低10%—30%;
　　(5)抗裂和抗疲劳性能显著提高;
　　(6)优越的抗剪性能;
　　(7)良好的阻止和抑制因温度应力引起裂缝产生与扩展的能力;
　　(8)良好的抗冻性与耐磨性能.
　　1.4影响钢纤维砼性能的主要因素
　　钢纤维砼性能受钢纤维类型、钢纤维掺量、钢纤维长径比、砂率、粗骨料最大粒径、减水剂、掺和料等因素的影响.其中钢纤维类型、钢纤维掺量和钢纤维长径比是影响钢纤维砼性能的主要因素.当钢纤维砼用于路面材料时,由于面层板较薄,因而受地下排水状况的影响较大.
　　1.4.1钢纤维类型
　　
　　注:分子为力学强度,分母为与砼的强度比
　　钢纤维类型对钢纤维砼强度的影响如表1.从表1可以看出:剪切钢纤维的增强效果最好,标准养护28d可使抗弯强度提高44%,剪切强度提高60%,劈拉强度提高31%,抗压强度也有提高;熔抽钢纤维增强效果较差;平直圆纤维与基材结力小,增强效果不能充分发挥.
　　1.4.2钢纤维长径比
　　钢纤维长径比对钢纤维砼强度的影响如表2.从表2可以看出:当钢纤维掺量相同时,力学强度随钢纤维长径比增大而增大.长径比增大到63,其力学性能明显增加.
　　1.4.3钢纤维掺量
　　钢纤维掺量的大小直接影响钢纤维砼的力学强度.随着钢纤维掺量的增加,拌和物的坍落度显著减小.当纤维掺量低于0.5%时,增强效果不明显.当钢纤维直径为0.8mm、长度为30mm,钢纤维掺量为3%时,施工和易性仍很好.
　　
　　2钢纤维砼在路桥工程中的应用
　　2.1钢纤维砼在道路工程中的应用
　　由于钢纤维砼路面具有减薄铺装厚度、纵缝不设或少设、横向缩缝少、良好的耐磨性及冻融性等优点,延长路面使用寿命,从而在路面工程中获得广泛应用.
　　2.1.1新建全截面钢纤维砼路面
　　全截面采用钢纤维砼的路面厚度为普通砼路面厚度的50%—60%,钢纤维掺量为0.8%—1.2%.双车道路面一般不设纵逢,横缝间距20—30m,最长可取50m.
　　2.1.2碾压钢纤维砼路面
　　将钢纤维置于碾压砼中,从而使路面的强度和韧性增强,改善碾压砼的力学性能.
　　2.2钢纤维砼在桥梁工程中的应用
　　2.2.1桥面铺装
　　采用钢纤维砼桥面铺装层不仅可以增强桥面的抗裂性、耐久性和提高舒适性能,还可以增强桥梁抗折强度,增加桥梁本身刚度,减少铺装厚度,降低结构自重,改善桥梁受力状况.此外,采用钢纤维砼和橡胶沥青砼复合的双层桥面也是一种有效措施.
　　2.2.2桥梁上部承受荷载部位
　　采用钢纤维砼作为主拱圈(主梁)或在应力集中区局部加强,改善结构受力性能,有效控制结构变形,减轻自重,推动桥梁结构向大跨度、轻型化方向发展.结构性能良好,造型美观,而且可减少上部材料用量,使下部墩台数量也相应减少,从而降低造价,提高经济效益.通过修建钢纤维砼桥梁降低梁高,满足使用上的特殊要求.
　　2.2.3桥梁墩台等结构局部加固
　　对动载长期作用下造成的桥梁墩台及桥面板裂缝或表层剥落病害,采用转子Ⅱ型喷射机喷射5-20cm钢纤维砼以满足结构的整体性和抗震性要求.一般钢纤维类型采用剪切钢纤维,掺量为1.0%;采用硫铝酸盐快硬水泥和TS型速凝剂提高早期抗裂性能;对旧砼表面喷砂或凿毛,增加新旧砼的整体性.
　　2.2.4钢筋砼桩加强
　　采用钢纤维砼对桩顶或桩尖局部增强,桩的穿透力有较大提高,锤击次数减少,大大提高打击速度.一般在桩顶和桩尖部位采用钢纤维砼,增强桩顶的抗冲击韧性,避免桩顶在打入设计深度以前出现破裂,并增加桩尖入土能力,提高打击速度.桩身部分仍用预应力或非预应力钢筋砼.当然也可以全断面整体浇筑钢纤维砼,但其经济效益会有所下降.所以,应经过技术经济比较决定.
　　2.3采用喷射钢纤维砼衬砌隧道和边坡防护加固
　　采用喷射钢纤维砼衬砌隧道是一种有效的技术措施.具有加强结构整体性和防止隧道渗漏水的作用.在边坡岩石节理裂隙发育的地质不良地段,采用普通砼支护并用喷射钢纤维砼加强或全截面采用喷射纤维砼支护加固.
　　3钢纤维砼施工
　　钢纤维砼的施工,按其施工方法来分有浇注钢纤维砼、喷射钢纤维砼和灌浆钢纤维砼.钢纤维砼道桥工程质量的优劣,在很大程度上取决于施工质量.因此,在钢纤维砼施工时,除了满足普通砼的施工要求外,还应特别重视钢纤维给施工带来的技术问题,确保钢纤维均匀分布在基体中.
　　3.1设置钢纤维分散装置
　　由于钢纤维一次性直接投入搅拌机易出现结团现象,为使钢纤维充分分散,宜将钢纤维通过分散机再进入搅拌机.分散机功率宜为0.75—1.0kW,分散力宜为20—60kg/min.钢纤维应事先与细骨料定量拌合均匀或选择直径较粗、材质较好的纤维,并在料斗入口处设置振动筛.
　　3.2搅拌投料顺序和搅拌时间
　　为防止钢纤维结团,需采取分级投料,先干后湿工艺.即按砂→钢纤维→碎石→水泥.混和料先在搅拌机内干拌1min,然后加水和外加剂湿拌2min.
　　3.3采用强制式搅拌机
　　钢纤维砼搅拌机,一般最好使用强制式搅拌机和双锥反转出料搅拌机.当纤维掺量较高和坍落度较小时,为不使搅拌机超负荷工作,搅拌机的利用率相应有所降低.
　　3.4浇注和振捣
　　钢纤维砼在浇注时,不得有明显的浇注接头.每次倒料必须相压15-20cm,使钢纤维砼保持整体续性.同时,钢纤维砼的浇注必须连续进行.因使用插入式振动棒插入钢纤维砼进行振捣,会使钢纤维朝振动着的振动棒聚集,产生集束效应,为确保钢纤维的二维分布,宜使用平板振动器振捣成型.当采用振捣棒时,为保证边角砼密实,应使钢纤维纵向条状集束排列有利于抵抗板体收缩应力、温度应力及荷载的传递.振捣好的砼表面应抹平,将外露的钢纤维压入砼中,以防止露出表面的纤维锈蚀或刺人.
　　3.5成型
　　钢纤维砼具有粗骨料细、砂率大、纤维乱向分布的特点,因此钢纤维砼路面宜采用真空吸水工艺,机械抹平以防止钢纤维外露.采用压纹机压纹工艺以避免拉毛产生纤维外露现象.拆模后对纤维外露或漏振时,应及时处理.
　　3.6接缝施工
　　钢纤维砼的收缩性小、抗裂性能好.有条件封闭交通的施工路段,采用砼摊铺机可做成整幅式,不设纵缝.钢纤维浇筑养生达设计强度50%后切锯缩缝.
　　3.7运输
　　钢纤维砼在运输过程中,坍落度和含气量都会有损失,拌和物稠度下降.由于在运输时受到振动,使钢纤维下沉,影响了钢纤维砼的均匀性.因此钢纤维砼的运输距离应尽量缩短,料斗出口尺寸要大一些.有条件时也可以采用泵送.
　　4结语
　　(1)钢纤维砼是一种新型的优质水泥基复合材料,可以实现按照使用要求设计材料的目的.随着钢纤维生产技术的不断进步和基础理论的不断完善,钢纤维砼在路桥工程的应用将进一步拓宽.
　　(2)采用复合路面结构是充分发挥钢纤维砼路用性能和降低工程造价的有效途径.
　　(3)重视钢纤维砼的施工,是保证其质量的重要环节.
　　(4)开发砂浆渗浇高含量钢纤维和采用聚合物浸渍钢纤维砼进一步提高钢纤维砼的物理力学性能.

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