钢纤维混凝土在路面维修中的应用

摘　要:通过试验研究了掺加不同钢纤维时混凝土的力学性能,得出了常规混凝土路面材料中合理的钢纤维掺入率. 结合工程实践,总结出钢纤维混凝土具有抗弯折、抗裂以及耐磨、耐冲击、韧性等优良性能,在道路工程新建、改扩建和维修时,是一种值得优先推广的新型路面结构材料.

关键词:钢纤维混凝土;路面工程;强度试验;应用

中图分类号: TU755. 9 文献标识码:A 文章编号: 1673 - 162X (2006) 04 - 0066 - 04

钢纤维混凝土是一种性能优良的新型路面复合材料,近年来在道路工程、水利和港口工程、铁路工程以及工业与民用建筑工程等领域得到了广泛应用和发展. 我国自20世纪80年代初开始陆续把钢纤维混凝土从实验室研究和小规模推广应用,逐步应用于许多大规模的工程领域. 特别是钢纤维混凝土用于道桥面层结构,可以充分发挥其弯拉强度高、抗裂、抗疲劳、耐磨、抗冲击性能好的特点,可减少厚度,加大缩缝间距,缩短施工周期,提高工程质量,降低工程维修费用,延长工程使用寿命.合肥市从20世纪80年代中期以来,新建、改扩建的城市主次干道85%以上均采用混凝土路面结构,近年来随着城市化进程的不断加快和交通事业的飞速发展,行驶在城市道路上的车辆荷载和密度越来越大,致使路面损坏程度日趋严重. 对于水泥混凝土路面板而言,由于其脆性大、易开裂、抗温性能差、板块容易受弯折而产生断裂,因此这就要求路面面板应有足够的抗弯拉强度和厚度. 文章参照中国工程建设标准化协会颁布的CECS38 - 2004[ 1 ]和CECS13 - 89[ 2 ]要求,通过钢纤维混凝土在合肥市政道路混凝土路面结构层维修中的应用性研究,旨在探究钢纤维混凝土在修补破损路面上的实用技术和效果.

1　钢纤维混凝土配合比设计

路面钢纤维混凝土配合比设计,主要是依据其28d龄期抗压、抗折强度值要求进行的. 配置钢纤维混凝土的原材料和混合材料应符合现行国家标准混凝土工程施工及验收规范中的要求.

1. 1　原材料质量要求

水泥采用425#普通硅酸盐水泥,以保证混合料具有较高的强度和耐磨性能.

粗骨料粒径不宜大于20 mm和钢纤维长度的2 /3. 本试验碎石粒径为10mm～20mm.

细集料采用中粗砂,平均粒径为0. 25mm～0. 45mm. 由于钢纤维混凝土比普通混凝土的表面积大,当砂率低于40%时,与钢纤维的粘结不佳. 本试验砂率采用55%.

1. 2　钢纤维类型及掺入率

目前市场上钢纤维品种类型较多,如高强度钢丝切断型、钢板剪切型、钢锭铣削型、低合金熔抽异型等. 本试验选用嘉兴市经纬钢纤维有限公司生产的“经纬牌”铣削型钢纤维,规格为0. 25mm ×0. 25mm ×10mm,抗拉强度≥380MPa.

在粗骨料最大粒径和含砂率一定的前提下,钢纤维混凝土的抗折强度基本上由钢纤维掺入率和混凝土的水灰比决定. 钢纤维掺入率高低不仅影响钢纤维混凝土的抗折强度,而且还影响其韧性、抗裂等良好特性,同时对施工难易度也有一定影响. 日本的钢纤维混凝土设计规程[ 3 ]指出,当钢纤维掺入率不足0. 5%时,难以发挥钢纤维混凝土的特性,而大于2%时则易产生纤维团. 本试验为探索理想的钢纤维掺入率,对比钢纤维掺入率与钢纤维混凝土抗压、抗折强度之间的关系,分别采用了4种掺入率: 1%、1. 5%、2%、2. 5%.

1. 3　配合比设计[ 4 ]

　　(1)根据混凝土道路设计强度等级和施工配置强度提高系数,初步确定钢纤维混凝土试配抗压和抗弯拉强度.

　　钢纤维混凝土的设计弯拉强度按下式计算:

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

　　式中: ff tm —钢纤维混凝土的设计弯拉强度; atm —钢纤维对抗折强度的影响系数,宜通过试验确定;λf —钢纤维含量特征值;ρf —钢纤维体积率, %; lf —钢纤维长度; df —钢纤维直径或等效直径.

　　(2)按试配抗压强度计算水灰比,一般不大于0. 50.

　　(3)按道路工程施工要求的稠度确定单位体积用水量.

　　(4)通过计算混合料用量,确定试配配合比.

　　(5)据强度试验结果最后确定工程施工配合比. 不同掺入率的钢纤维混凝土配合比计算结果见表1.

2　强度试验

　　混凝土路面结构设计是以抗压和抗折强度为主要控制性指标的,因此,参照CECS13 - 9[ 2 ] ,本试验仅做抗压和抗折强度试验,以此作为确定实际工程施工钢纤维混凝土配合比的设计依据.

2. 1　试件制作

　　根据表1钢纤维掺入率不同,每组浇注抗压和抗折标准试块各3个,同时浇注不含钢纤维的普通混凝土试块各一组,以便对比. 试件以正常养护28d龄期的抗压和抗折强度为标准.

2. 2　试验结果

　　钢纤维混凝土试件强度试验结果见表2.

　　试验表明,与普通混凝土相比,铣削型钢纤维混凝土具有良好的力学性能,其抗压强度提高了5% ～20% ,抗折强度提高了20%左右. 当钢纤维与混凝土体积比超过2%时,不但不经济,而且在拌制混凝土过程中,容易产生纤维团,使钢纤维在混凝土中分布难以均匀,在缺少钢纤维部分或钢纤维成团处起不到增强作用,抗压强度反而下降. 因此,对于钢纤维混凝土路面结构而言,钢纤维掺入率以1. 0%～2. 0%为佳.

2. 3　钢纤维作用机理分析

　　从已破坏的试块断裂面情况看,断裂面形状极不规则,沿各种方向分布有几十根被拉断的钢纤维. 从试验过程和钢纤维作用机理分析可知,由于掺入的钢纤维是铣削工艺制作的,表面较粗糙,随着裂缝不断发展,纤维- 基体界面间的粘结力和摩擦力起主要阻抗作用,阻止钢纤维从混凝土基体中拔出.掺入钢纤维对强度的影响,不仅体现在钢纤维掺入率方面,而且不同类型钢纤维增强形式也不尽相同. 如何对钢纤维- 基体界面之间的作用机理作进一步详细、定量分析,这将是作者研究工作的后续.

3　工程应用[ 5, 6 ]

　　合肥市某路段混凝土路面因大量超载车辆行驶,致使板块断裂、下沉严重,经与市政管养部门进行多种维修方案分析比较后,最后决定对裂缝两侧混凝土路面板局部翻挖后,采用浇注钢纤维混凝土方法进行修补处理.

3. 1　施工材料与配合比

　　水泥: 425#巢湖牌普通硅酸盐水泥;

　　细集料:舒城中粗砂,平均粒径0. 35mm～0. 45mm,含泥量< 2%;

　　粗集料:碎石粒径5mm～20mm,质地坚硬;

　　钢纤维:嘉兴市经纬钢纤维有限公司生产的“经纬牌”铣削型钢纤维,规格为0. 25mm ×0. 25mm ×10mm,抗拉强度≥380MPa. 该产品性能稳定,使用效果良好.

　　根据合肥市城市道路设计抗压强度35Mpa、抗折强度6. 5MPa的要求,参照试验室研究结果,钢纤维混凝土施工配合比采用:水泥∶黄砂∶碎石∶水为1∶2. 32∶2. 46∶0. 5,钢纤维掺入率为1. 5%.

3. 2　基层处理

　　为确保钢纤维混凝土面层下的基层刚度,必须在破裂的旧混凝土面板全部凿除后,对板底基层进行补强处理. 先将板块下部三渣基层松动部分全部清除,然后用C20素混凝土找平并浇注至原路面下14cm高度处,待C20混凝土半干状态后开始浇注钢纤维混凝土面层.

3. 3　钢纤维混凝土搅拌

　　钢纤维混凝土与普通混凝土拌和不同之处在于如何掺入钢纤维,才能使钢纤维在混凝土中均匀分散,而不致于产生纤维团,影响施工质量.

　　现场要求施工单位采用滚筒式拌和机搅拌钢纤维混凝土. 搅拌时应按下列顺序投料:先将钢纤维与砂干拌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,使钢纤维在混合料中充分散开. 总搅拌时间应控制在6min内,防止搅拌时间过长形成湿纤维团,无法达到钢纤维混凝土的性能要求.

3. 4　面层浇注与质量控制

　　钢纤维混凝土与普通混凝土浇注方法基本相同. 用人工先将其大致摊铺整平,然后用平板振动器振捣密实,振捣时间以混凝土停止下沉,不再冒气泡并浮出浆液为准. 振动梁找平提浆后,用钢滚筒依次滚压进一步整平,待混凝土表面无泌水时再进行人工抹面、拉毛或压纹.

　　在钢纤维混凝土面层浇注过程中,应注意: (1)为了避免钢纤维下沉,平板振捣时间不宜过长; (2)为了消除混凝土表面钢纤维裸露,人工抹面应尽可能提前.

3. 5　工程效果

　　经现场抽样试验,钢纤维混凝土抗折、抗压强度与室内试验结果基本一致. 钢纤维混凝土与素混凝土相比,在原设计条件不变情况下,路面结构层铺设厚度减少了40%～50%,节约水泥、沙石等基础材料近50%.通过一年多的现场观测,采用钢纤维混凝土修补后的路面结构层至今未发现异常现象,而同一路段原混凝土面板仍有裂缝不断产生. 钢纤维混凝土除了具有较高的抗弯强度外,还具有良好的抗冲击、抗开裂性能,而且在产生裂纹后,可由横贯裂纹的大量钢纤维继续抵抗外力,控制裂纹进一步发展,从而达到延长使用寿命的效果. 因此说,采用上述钢纤维混凝土修补路面裂缝取得了良好效果,具有明显的经济和社会效益. 此外,用钢纤维混凝土维修旧混凝土路面还能达到早期强度高,提前通车的目的.

4　结语

　　随着对钢纤维混凝土这种复合材料的不断深入研究,相信会在更多的工程领域得到广泛应用和推广,从而显示出与普通混凝土相比所具有的强大优越性.

参考文献:

[ 1 ] 　中国工程建设标准化协会. CECS38 - 2004 纤维混凝土结构技术规程[ S]. 北京:中国计划出版社, 2004: 47257.

[ 2 ] 　中国工程建设标准化协会. CECS13 - 89 钢纤维混凝土试验方法[ S]. 北京:中国计划出版社, 1989: 28244.

[ 3 ] 　张世杰,姜维礼,贺业成,等. 钢纤维混凝土路面试验工程报告[ J ]. 公路, 1995 (11) : 37240.

[ 4 ] 　中华人民共和国建设部. CJJ37 - 90 城市道路设计规范[ S]. 北京:中国建筑工业出版社, 1991: 74280.

[ 5 ] 　中华人民共和国建设部. CJJ36 - 2006 城市道路养护技术规范[ S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2006: 28233.

[ 6 ] 　中华人民共和国建设部. CJJ1 - 90 市政道路工程质量检验评定标准[ S]. 北京:中国建筑工业出版社, 1991: 18219.