鋼纖維混凝土在路面工程中的應(yīng)用

/鋼纖維混凝土在路面工程中的應(yīng)用摘要針對鋼纖維混凝土具有韌性高、耐久性好等諸多優(yōu)點,被廣泛探討和應(yīng)用于工程的各個領(lǐng)域。本文對鋼纖維混凝土作了簡潔的介紹,并對目前鋼纖維混凝土在路面工程中的應(yīng)用進行了分析和總結(jié),并提出現(xiàn)狀中存在的問題和今后展望，對鋼纖維混凝土施工具有很強的指導(dǎo)作用。關(guān)鍵詞:纖維混凝土；路用性能；應(yīng)用目錄TOC\o"1-4"\h\z\u1引言 12鋼纖維混凝土的簡潔介紹 23鋼纖維材料組成（結(jié)構(gòu)）特點及制備（施工）工藝 33.1攪拌 33.2運輸 33.3鋪筑 43.4振搗 43.5整平和飾面 43.6抗滑構(gòu)造 53.7養(yǎng)護 54鋼纖維混凝土性能 54.1鋼纖維混凝土協(xié)作比 54.2新拌鋼纖維混凝土性能 64.3硬化后鋼纖維混凝土性能 65鋼纖維混凝土的應(yīng)用 86總結(jié) 97結(jié)束語 9參考文獻 101引言目前各個省市一般混凝土路面運營狀況都不盡人意,有部分路面通車沒幾年就出現(xiàn)嚴峻病害,如路面露石、剝落、開裂、斷板等,即一般混凝土路面耐久性問題受到了嚴峻的挑戰(zhàn)，這無疑給后期維護造成了巨大的開支。此外,許多地方在修筑水泥混凝土路面時,為保證混凝土彎拉強度,往往提高水泥用量來實現(xiàn),而水泥用量的增加必定帶來更大的水化放熱,加劇混凝土的升溫而導(dǎo)致混凝土的脆性開裂。然而，事實上路面混凝土應(yīng)具有高抗折強度、良好的抗沖擊性和抗裂性、高耐磨性等。因此,提高混凝土的抗折強度和耐久性是當前路面混凝土發(fā)展的趨勢。為了變更目前一般混凝土路面耐久性不足的問題,以及適應(yīng)重載交通運輸發(fā)展須要,本文主要探討鋼纖維混凝土在路面工程中的應(yīng)用。2鋼纖維混凝土的簡潔介紹鋼纖維混凝土是在一般混凝土中摻入亂向分布的短鋼纖維所形成的一種新型的多相復(fù)合材料。這些亂向分布的鋼纖維能夠有效地阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴展及宏觀裂縫的形成，顯著地改善了混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊及抗乏累性能，具有較好的延性。一般鋼纖維混凝土的纖維體積率在1%—2%之間，較之一般混凝土，抗拉強度提高40%—80%，抗彎強度提高60%—120%，抗剪強度提高50%一100%，抗壓強度提高幅度較小，一般在0—25%之間，但抗壓韌性卻大幅度提高。鋼纖維混凝土的影響因素：依據(jù)纖維增加機理的各種理論，諸如纖維間距理論、復(fù)合材料理論和微觀斷裂理論，以及大量的試驗數(shù)據(jù)的分析，可以確定纖維的增加效果主要取決于基體強度(fm)，纖維的長徑比(鋼纖維長度l和直徑d的比值，即I/d)，纖維的體積率(鋼纖維混凝土中鋼纖維所占體積百分數(shù))，纖維和基體間的粘結(jié)強度(τ)，以及纖維在基體中的分布和取向(η)的影響。當鋼纖維混凝土破壞時，大都是纖維被拔出而不是被拉斷，因此改善纖維和基體間的粘結(jié)強度是改善纖維增加效果的主要限制因素之一。改善的鋼纖維混凝土主要方法：增加纖維的粘結(jié)長度(即增加長徑比)改善基體對鋼纖維的粘結(jié)性能改善纖維的形態(tài)、增加纖維和基體間的摩阻和咬合力[1]鋼纖維是當今世界各國普遍接受的混凝土增加材料。它具有抗裂、抗沖擊性能強、耐磨強度高、和水泥親合性好,可增加構(gòu)件強度,延長運用壽命等優(yōu)點。鋼纖維因其不同的加工生產(chǎn)方法而區(qū)分為熔抽型、拉絲切斷型、剪切型和切削型等。其中剪切型鋼纖維現(xiàn)可生產(chǎn)平直微扭形、波浪形、端勾形、弓形和壓痕形五種形態(tài)20多個規(guī)格的產(chǎn)品。鋼纖維又因其不同的原材料而分為一般鋼纖維和特種鋼纖維。在一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中摻入鋼纖維,不但可以提高抗拉、抗剪和抗彎強度,而且在運用性能如斷裂韌性、極限應(yīng)變、裂后承載和耐磨、抗折、抗沖擊、抗乏累等方面都獲得顯著改善。而且,在同等強度下可削減混凝土厚度,節(jié)約混凝土用量40%~50%,大大降低工程造價。此外,由于早期強度高,以及較大的縮縫間距,可縮短施工周期25%,特殊適用于要求快速連續(xù)澆筑混凝土的較大工程[2]。3鋼纖維材料組成（結(jié)構(gòu)）特點及制備（施工）工藝鋼纖維材料一般由鋼纖維、水泥、集料、外加劑組成，針對不同的運用環(huán)境，各材料的比例會有所不同。鋼纖維混凝土生產(chǎn)過程中，投料、攪拌和成型，都要盡可能有利于混凝土的密實和鋼纖維的勻整分布。鋼纖維混凝土構(gòu)件的強度是由鋼纖維分布最少的那個截面所確定的?；炷敛幻軐嵒蜾摾w維的分布不勻整就意味著纖維體積率（常將纖維體積率限制在2%以內(nèi)）的降低，甚至由于混凝土中的鋼纖維結(jié)團會導(dǎo)致構(gòu)件的局部強度減弱；所以，混凝土的密實性和鋼纖維分布的勻整性是鋼纖維混凝土制備的關(guān)鍵[3]。3.1攪拌為防止鋼纖維攪拌結(jié)團,攪拌樓一次拌和量不宜大于其額定攪拌量的80%,同時也愛惜攪拌機葉片,防止鋼纖維攪斷。投料依次和方法以攪拌過程中鋼纖維不結(jié)團和保證生產(chǎn)率為原則,通過試拌或依據(jù)閱歷確定。宜接受將鋼纖維和干料干拌勻整,再加水濕拌；也可接受鋼纖維分散機在拌和過程中分散加入鋼纖維。為了保證鋼纖維在混凝土中的分散性和勻整性,鋼纖維混凝土應(yīng)比一般混凝土規(guī)定的純拌和時間延長20~30s。接受先干拌后加水的攪拌方式時,干拌時間不宜少于1min；接受小容量攪拌機拌和時,鋼纖維混凝土總拌和時間應(yīng)較攪拌樓拌和時間延長1~2min,接受先干拌后加水的攪拌方式時,干拌時間不宜少于1.5min。3.2運輸鋼纖維混凝土從拌和出料、運輸、澆筑至鋪筑完畢的時間應(yīng)符合表6規(guī)定。不滿足時應(yīng)通過試驗加大緩凝劑或保塑劑的劑量,運用緩凝劑延長凝合時間后表中數(shù)值可增加0.25~0.5h。對于已超過表6規(guī)定攤鋪允許最長時間的混凝土不得用于路面攤鋪。運輸混凝土的車輛裝料前,應(yīng)清凈廂罐,灑水潤壁,排干積水。裝料時,自卸車應(yīng)挪動車位,防止離析。攪拌樓卸料落差不應(yīng)大于2.0m。運輸過程中應(yīng)防止漏漿、漏料和污染路面,途中不得隨意耽擱?；炷烈坏┰谲噧?nèi)停留超過初凝時間,應(yīng)實行緊急措施處置,嚴禁混凝土硬化在車廂(罐)內(nèi)。3.3鋪筑鋼纖維混凝土必需盡量加快施工速度,否則,很快會凝合導(dǎo)致難以攤鋪。為保證面板中鋼纖維分布的勻整性及結(jié)構(gòu)的連續(xù)性,在一塊板內(nèi)的澆筑施工過程不得中斷。由于鋼纖維的頂托,鋼纖維混凝土布料松鋪高度宜比一般混凝土略高10mm左右。在澆筑和攤鋪過程中,嚴禁因拌合物干澀而加水,但可噴霧防止表面水分蒸發(fā)。3.4振搗鋼纖維混凝土拌合物布料長度大于10m時,可起先振搗作業(yè)。為確保鋼纖維分布的勻整性,應(yīng)接受大功率平板式振搗器振搗密實,再接受振動梁壓實整平。鋼纖維混凝土鋪筑到厚度一半后,可先接受2.2~3.0kW的平板式振搗器振搗一遍,然后加高鋪筑混凝土到頂,等初步整平后換用1.2~1.5kW的平板式振搗器再振搗一遍。平板式振搗器振搗時,振搗器沿縱向一行一行地由路邊向路中移動,每次移動平板時前后位置的搭頭重疊面為20cm左右(約為1/3平板寬度)。不得漏振。振動器在每一位置的振動時間一般為15~25s,不得過久,應(yīng)以振至鋼纖維混凝土混合料泛漿,不明顯下降、不冒氣泡,表面勻整為度。在模板邊緣、傳力桿等平板式振搗器不易振到的地方,可用高頻率插入式振搗棒順路途方向插入,使鋼纖維成縱向條狀集束。振搗棒每次移動距離不宜超過振搗捧有效作用半徑的1.5倍,并不得大于500mm,插入式振搗棒和模板間距一般為10cm左右,振搗時間宜為15~30s。面板振實后,隨即安裝縱縫拉桿。單車道攤鋪的混凝土路面,在側(cè)模預(yù)留孔中應(yīng)按設(shè)計要求插入拉桿；一次攤鋪雙車道路面時,除應(yīng)在側(cè)?？字胁迦肜瓧U外,還應(yīng)在中間縱縫部位,運用拉桿插入機在l/2板厚處插入拉桿,插入機每次移動的距離應(yīng)和拉桿間距相同。3.5整平和飾面三輥軸整平機按作業(yè)單元分段整平,作業(yè)單元長度宜為20~30m。振搗和整平兩道工序時間間隔不宜超過15min。三輥軸滾壓振實料位高差宜高于模板頂面5~20mm,過高時應(yīng)鏟除,過低應(yīng)剛好補料。在一個作業(yè)單元長度內(nèi),三輥軸整平機應(yīng)接受前進振動、后退靜滾方式作業(yè),宜分別2~3遍。滾壓完成后,將振動輥軸抬離模板,用整平軸前后靜滾整平,直到平整度符合要求、表面砂漿厚度勻整為止。表面砂漿厚度宜限制在(4±1)mm,三輥軸整平機前方表面過厚、過稀的砂漿必需刮除丟棄。飾面的最遲時間不得遲于表6規(guī)定的鋪筑完畢允許的最長時間。用3m以上刮尺、刮板或抹刀縱橫向精平表面,每個方向不少于兩遍。精平后的表面不得袒露鋼纖維,也不應(yīng)留浮漿。3.6抗滑構(gòu)造鋼纖維混凝土路面必需運用硬刻槽方式制作抗滑構(gòu)造。硬刻槽應(yīng)在抗壓強度達到40%后起先,并宜在兩周內(nèi)完成。硬刻槽的形態(tài)宜運用上寬6mm、下窄3mm的梯形槽,槽深3~5mm,槽間距在12~24mm之間隨機調(diào)整。硬刻槽機重量宜重不宜輕,一次刻槽最小寬度不應(yīng)小于500mm,硬刻槽時不應(yīng)掉邊角,亦不得中途抬起或變更方向,并保證硬刻槽到面板邊緣。硬刻槽后應(yīng)隨即將路面沖洗干凈,并復(fù)原路面的養(yǎng)護。3.7養(yǎng)護鋼纖維混凝土路面鋪筑完成后立刻起先養(yǎng)護。宜接受噴灑養(yǎng)生劑同時保濕覆蓋的方式養(yǎng)護,也可接受覆蓋塑料薄膜、土工布等灑水濕養(yǎng)方式。日平均溫度小于等于5℃施工的鋼纖維混凝土路面應(yīng)實行保溫保濕養(yǎng)護措施。養(yǎng)護時間依據(jù)混凝土彎拉強度增長狀況而定,不宜小于設(shè)計彎拉強度的80%,應(yīng)特殊留意前7d的保濕(溫)養(yǎng)護。一般養(yǎng)護天數(shù)宜為14~21d,高溫天不宜少于14d,低溫天不宜少于2ld。養(yǎng)護初期,嚴禁人、畜、車輛通行,在達到設(shè)計強度40%后,行人方可通行。面板達到設(shè)計彎拉強度后,方可開放交通[4]。4鋼纖維混凝土性能4.1鋼纖維混凝土協(xié)作比(1)協(xié)作比設(shè)計原則鋼纖維混凝土協(xié)作比設(shè)計按一般混凝土方法進行。除了滿足設(shè)計要求的抗彎拉強度外,還要滿足路面混凝土施工要求。(2)協(xié)作比設(shè)計指標鋼纖維混凝土協(xié)作比主要限制指標[5]:最大水灰比不超過0.47,砂率限制在38%~50%,水泥用量為400~480kg/m3,坍落度限制在3~5cm。依據(jù)鋼纖維混凝土及三棍軸施工特點,選用試驗室協(xié)作比見表1。4.2新拌鋼纖維混凝土性能銑削型鋼纖維有一個像砂皮般粗糙的表面,使它和水泥漿體的黏結(jié)較為堅實,可削減塌邊現(xiàn)象。一般狀況下,銑削鋼纖維混凝土坍落度值比相應(yīng)的一般混凝土小20mm,經(jīng)攤鋪機振動,即表現(xiàn)出和一般混凝土一樣的黏聚性。4.3硬化后鋼纖維混凝土性能(1)彎拉強度鋼纖維混凝土28d彎拉強度測定結(jié)果見表2。由表2發(fā)覺,鋼纖維摻量為30~50kg/m3時,銑削鋼纖維混凝土的彎拉強度比一般混凝土提高約15%~35%,且和鋼纖維的摻量成正比。(2)抗沖擊性沖擊強度反映混凝土在沖擊荷載作用下的抗裂性能。將重8kg的鋼球從25cm高度自由落下沖擊經(jīng)標準養(yǎng)護28d的尺寸為5cm×15cm×15cm的試件,當試件裂縫大于0.3mm時,記錄的沖擊次數(shù)即為沖擊強度,試驗結(jié)果見表3。表3數(shù)據(jù)表明,鋼纖維混凝土抗沖擊性能隨鋼纖維摻量增加而提高。鋼纖維摻量為30~50kg/m3時,和一般混凝土相比,其抗沖擊性能可提高3~5倍。(3)抗干縮開裂性能試驗在工地上進行,在養(yǎng)護28d水泥穩(wěn)定碎石基層上澆筑30cm×50cm×5cm的一般混凝土板和鋼纖維摻量為50kg/m3的混凝土板,用碘弧燈強光和風扇強風來加快試板失水,隨時視察裂縫產(chǎn)生的時間。裂縫數(shù)量統(tǒng)計狀況見表4。表4數(shù)據(jù)可知,比一般混凝土,鋼纖維混凝土裂縫產(chǎn)生時間遲,裂縫產(chǎn)生數(shù)量少。這表明鋼纖維混凝土用于路面可以延長混凝土面板縮縫間距。(4)耐磨性耐磨性試驗接受TNS-04水泥膠砂耐磨試驗機。試驗前將尺寸為15cm×15cm×7cm的試件在60℃烘箱中烘至恒重,然后在水泥膠砂試驗機上磨削50轉(zhuǎn),磨損面積為0.0125m2由表5可知,在混凝土中摻鋼纖維可顯著提高其耐磨性能。和一般混凝土相比,鋼纖維混凝土耐磨性能提高了24.2%[6]，[7]。5鋼纖維混凝土的應(yīng)用鋼纖維混凝土在工程中的實際應(yīng)用始于上世紀70年頭,由美國Battele公司開發(fā)的熔抽鋼纖維技術(shù)為鋼纖維混凝土的應(yīng)用供應(yīng)了條件。此后在加拿大、英國、瑞典、日本等國家也快速進行這方面的應(yīng)用探討。我國是從上世紀70年頭著手對鋼纖維混凝土進行材料力學(xué)性能的試驗探討,1989年頒布《鋼纖維混凝土試驗方法》(CECS13:89),1992年頒布《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工規(guī)程》(CECS38:92),2004年頒布《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS38:2004)。目前纖維混凝土在結(jié)構(gòu)工程、鋪面工程、地下結(jié)構(gòu)及其他特種結(jié)構(gòu)工程等領(lǐng)域得到了比較廣泛的應(yīng)用。在結(jié)構(gòu)工程方面,那些對抗拉、抗剪、抗彎拉強度和抗裂、抗沖擊、抗乏累、抗震、抗爆等性能要求較高的工程部位,若接受鋼纖維混凝土會得到較高的抗拉強度、斷裂韌性和抗乏累等性能。例如在梁柱節(jié)點中,已有試驗證明[8],[9]鋼纖維混凝土梁柱節(jié)點和一般混凝土梁柱節(jié)點相比,在強度、剛度、耗能實力和梁鋼筋粘結(jié)錨固方面有較大的改善,接受鋼纖維混凝土梁柱節(jié)點的框架和一般鋼筋混凝土框架相比,結(jié)構(gòu)的延性提高57%,耗能實力提高130%,循環(huán)次數(shù)提高15%,在框架梁柱節(jié)點接受鋼纖維混凝土可替代部分箍筋,既改善了節(jié)點區(qū)的抗震性能,又解決了節(jié)點區(qū)鋼筋過密、施工困難等問題。一般來說,鋪面工程包括公路路面、機場道面、橋面、工業(yè)地面及屋面等。因鋼纖維混凝土有著優(yōu)良的抗拉,抗彎、抗裂、抗乏累、抗沖擊、抗收縮、韌性好等一系列物理力學(xué)性能,因此,在鋪面工程領(lǐng)域中得到較廣泛應(yīng)用。文獻[10]通過恩施州318國道某路段的路面設(shè)計對比,接受素混凝土路面,路面板厚度為25cm；接受層布式混雜纖維混凝土路面,路面板厚度為僅為16cm。地下結(jié)構(gòu)所用的鋼纖維混凝土一般為鋼纖維增加噴射混凝土,它具有諸多特點,強度高(抗拉、抗彎、抗剪)；抗拒沖擊、爆炸和振動的性能高；韌性(變形性能)好；抗凍、耐熱和耐乏累性能好；抗裂性能強；即使構(gòu)件已產(chǎn)生微小裂縫,也會因鋼纖維接著抗拔而使韌性大為提高；噴射后的纖維方向接近二維分布；施工速度快、適應(yīng)性廣；鋼噴集料回彈率比素噴低；鋼噴的綜合單價低；鋼噴可代替新奧法中傳統(tǒng)的噴網(wǎng)支護。目前廣泛應(yīng)用于水利電力、鐵道、公路、冶金、煤炭、軍工及其它工業(yè)和民用的洞室的臨時和永久支護、代替新奧法、洞室施工中的噴網(wǎng)支護、地下工程塌方的約束和搶修、隧道加固和病害處理等工程。6總結(jié)鋼纖維混凝土具有優(yōu)異的特性,使其廣泛應(yīng)用于各個工程領(lǐng)域,但其本身存在的問題,也抑制了它的應(yīng)用。(1)鋼纖維造價普遍較高,國產(chǎn)的性能相對較低,難以大規(guī)模運用,例如在建筑結(jié)構(gòu)上一般只用鋼纖維混凝土于梁柱節(jié)點。若能開發(fā)出更好的鋼纖維制造工藝,必能再進一步推廣鋼纖維混凝土的應(yīng)用。(2)鋼纖維混凝土的增加機理至今也還不是很清楚,現(xiàn)行的幾種理論都并不完善,復(fù)合理論忽視了纖維復(fù)合帶來的耦合效應(yīng),纖維間距理論忽視了纖維自身的耦合作用,都有應(yīng)用局限性,需待進一步的探討和探討。(3)目前對鋼纖維混凝土的探討多集中在物理性能方面,對于化學(xué)性能方面(比如耐久性)的探討相對較少。隨著鋼纖維混凝土應(yīng)用的擴展,問題將會越來越多地暴露出來,我們要早著手探討其化學(xué)性能,指導(dǎo)解決將要出現(xiàn)的問題和改善新設(shè)計的鋼纖維混凝土化學(xué)性能問題[11]。(4)鋼纖維混凝土和一般混凝土相比,在相對較低的水泥用量狀況下,鋼纖維混凝土具有較高的抗折強度和耐磨性能、良好的抗沖擊性能和抗裂性能,特殊適合在重載交通路面工程中應(yīng)用[12][13]。7結(jié)束語從目前來看,我國的鋼纖維混凝土的探討和開發(fā)方面和國外相比,還有確定的差距。有許多問題有待進一步的探討。例如:鋼纖維在水泥堿性環(huán)境中的腐蝕:復(fù)合材料和混凝土之間的粘結(jié)耐久性和緊密性:理論探討和實際條件下(環(huán)境、氣候)的差別:研制具有實際意義的工藝路途。成本高始終是困擾鋼纖維混凝土大規(guī)模應(yīng)用的一個難題。發(fā)展高效節(jié)能的工藝路途成為當前重中之重。鋼纖維混凝土是一種新型建筑材料,它將合成化學(xué)纖維和傳統(tǒng)的混凝土相結(jié)合,可有效防止混凝土因早期干縮,塌沉所引起的內(nèi)蘊裂縫。鋼纖維混凝土的應(yīng)用范圍很廣,在高層、大跨建筑工程,高速公路路面,荷載較大的倉庫地面、機場等結(jié)構(gòu)中已得到廣泛應(yīng)用。隨著國家建設(shè)的不斷發(fā)展和人們對工程質(zhì)量要求的日益提高,我們有理由信任,鋼纖維混凝土將展示出它超群的優(yōu)勢。參考文獻[1]T.Y.Lim,P.Paramasivam,andS.L.Lee,AnalyticalModelforTensileBehaviorofSteel-FiberConcrete,MaterialsJournal,1987