摘要:钢纤维混凝土可提高路面的抗裂、抗折、抗疲劳等各项强度,改善路面的使用性能,延长路面的使用寿命。介绍了钢纤维混凝土在路面翻修中的应用实例,详细分析了钢纤维混凝土配合比的设计过程,并通过试验获得最佳配合比。钢纤维混凝土在道路翻修项目中具有显著的经济效益和社会效益,值得广泛推广。
关键词:钢纤维混凝土;混凝土配合比;路面翻修;立交桥
中图分类号:U418. 6 文献标识码:A 文章编号: 1672- 0032 (2007) 04- 0034- 04
河南省平顶山市西环路(也称西斜路)与平顶山矿区铁路有一座下穿式立交桥,西环路既是平顶山市的城市主干道,又是平顶山矿区煤炭运输的主要通道,因此该路的行车荷载和行车密度越来越大,并且立交桥又位于矿区的塌陷区,桥下道路在行车和塌陷的双重影响下,水泥混凝土路面的损坏情况日趋严重。在进行翻修前,选择4个方案进行比较。方案1:把原水泥混凝土路面挖掉,重新铺设水泥混凝土路面;方案2:在原路面上加铺沥青混凝土路面;方案3:在原路面上加铺钢纤维混凝土路面;方案4:把原水泥混凝土路面挖掉,重新铺设钢纤维混凝土路面。方案1的投资较高、施工时间长,并且改变不了原来路面受损坏的状况;方案2的投资较少、施工时间较短,但沥青路面强度较低,并且桥下容易积水,积水会破坏沥青路面,因此沥青路面的使用效果不会比原来好,并且桥下净空受到限制;方案3的投资高、施工时间较长,但钢纤维混凝土可提高路面的抗裂性、抗弯曲、耐冲击和耐疲劳性,又可改善路面的使用性能,但桥下净空受到限制;方案4的投资高、施工时间长,但可彻底改变原路面的隐患。通过以上4种方案的比较,确定方案4为本次翻修方案。
1 施工材料与配合比设计
钢纤维混凝土( Steel Fiber Rein - Forced Concrete, SFRC)是在普通水泥混凝土中随机掺入乱向分布的短钢纤维形成的一种新型多相复合材料。这些乱向分布的短纤维的主要作用是阻碍混凝土内部微观裂缝和宏观裂缝的发生与发展,显著提高了混凝土的抗裂、抗折、抗疲劳等各项强度,弥补了普通水泥混凝土的不足,成为普通混凝土良好的改性材料。我国从20世纪70年代初期开始进行钢纤维混凝土路面的研究工作,室内试验结果证明:钢纤维混凝土对减小路面厚度、延长路面的使用年限有着重要的意义,具有很高的路用性能[ 1 ] 。
1. 1 材料
材料包括: 525号普通硅酸盐水泥;河南省叶县沙河中的河砂,其细度模数为2. 50,属中粗砂,含泥量< 2%;质地坚硬的石子,最大粒径不大于20 mm,含泥量< 1%;天然无污染水或饮用水;剪切异型钢纤维,长度为25～30 mm,直径为0. 4～0. 7 mm,抗裂强度不低于400MPa,长径比为50～70。
1. 2 配合比设计
钢纤维混凝土虽已在各种工程领域得到应用,但尚未有合理而成熟的钢纤维混凝土拌合料的配合设计方法,在应用中大多仍按普通水泥混凝土的配合比设计法,根据使用要求,确定拌合料的水灰比、钢纤维体积率、单位用水量和砂率等4个基本参数,由此,即可计算出各组成材料的用量[ 2 - 3 ] 。在确定基本参数时,既要满足路面的抗压强度要求,又要符合抗折强度要求,以及和易性、经济性等要求。
1)水灰比m (W) /m (C)的确定
计算水灰比的公式为
ffcu =ARc (m (C) /m (W) - B ) , (1)
式中 ffcu为钢纤维混凝土试配抗压强度,MPa,可由钢纤维混凝土设计抗压强度(35MPa) 、保证率系数和抗压强度的标准差来确定,取44. 84MPa; Rc 为实测525水泥28 d的抗压强度,取57. 3MPa; A, B 为经验系数,当粗骨料为碎石时,A = 0. 46,B = 0. 52。将以上数据代入式(1) ,得水灰比m (W) /m (C) = 0. 45 < 0. 5,满足要求。
2)钢纤维体积率(ρf )的确定
计算钢纤维体积率的公式为
fftm = Rtm (0. 12m (C) /m (W) + 0. 31 +βtmρf lf / df ) , (2)
式中 fftm为钢纤维混凝土试配抗折强度,可由钢纤维混凝土设计抗折强度( 6. 5 MPa) 、保证率系数和钢纤维混凝土抗折强度标准差来确定,取7. 5MPa; Rtm为实测水泥28 d的抗折强度,取7. 9 MPa;βtm为不同品种钢纤维混凝土对抗折强度的影响系数,取0. 62; lf / df为钢纤维长细比,取60;将以上数据带入式(2) ,得钢纤维体积率ρf =0. 01,则钢纤维单位体积用量F0 =0. 01 ×7 800 =78 kg/m3。
3)钢纤维混凝土单位体积用水量m (W0 )和水泥用量m (C0 )的确定
根据参考文献[ 3 ] ,本工程维勃稠度为15 s,则单位体积用水量应为182 kg;考虑碎石最大粒径为20 mm,应减少用水量5 kg;钢纤维体积率1. 0%,用水量不增减;合计单位体积用水量应为182 - 5 =177 kg/m3。根据已确定的水灰比m (W) /m (C) = 0. 45和单位体积用水量m (W0 ) = 177 kg/m3 ,可求得单位体积水泥用量为: m (C0 ) =m (W0 ) / (m (W) /m (C) ) = 177 /0. 45 = 393 kg/m3。
4)钢纤维混凝土砂率Sp 的确定
根据参考文献[ 3 ] ,因钢纤维的长细比为60,增加10,砂率应增加5%;钢纤维体积率为1. 0%,砂率不增减;水灰比为0. 45,减少0. 05,砂率应减少1. 0%;砂细度模数为2. 50,减少0. 5,砂率应减少5%;合计砂率为Sp = 50% + 5% - 1% - 5% = 49%。
5)钢纤维混凝土单位体积砂用量m ( S0 )和石子用量m (G0 )的确定
已知公式m (W0 ) /γw +m ( F0 ) /γf +m (C0 ) /γc +m ( S0 ) /γs +m (G0 ) /γg + 10α = 1 000, (3)式中 m (W0 ) ,m ( F0 ) ,m (C0 ) ,m ( S0 ) ,m (G0 )分别为1 m3 钢纤维混凝土中水、钢纤维、水泥、砂和石子的质量, kg/m3 ;γw ,γf ,γc ,γs ,γg 分别为水、钢纤维、水泥、砂和石子的密度,分别为: 1. 0, 7. 8, 3. 1, 2. 65, 2. 7,g/ cm3 ;α为钢纤维混凝土中气体的体积分数,可取2%。又知m ( S0 ) / (m ( S0 ) +m (G0 ) ) = 49% , (4)将已知数据代入式(3) , (4) ,可求得m ( S0 ) = 873 kg/m3 ,m (G0 ) = 909 kg/m3。
6)钢纤维混凝土配合比的确定
根据以上数据可得到, 1 m3 钢纤维混凝土的质量配合比为: m (C0 ) ∶m (W0 ) ∶m ( S0 ) ∶m (G0 ) = 1∶0145∶2122∶2131,ρf = 110%。该配合比仅是初步确定的,为了符合实际,在水灰比和钢纤维率不变的情况下,调整单位体积用水量(m (W0 ) = 180 kg/m3 )和砂率(46%) ,确定基准配合比为m (C0 ) ∶m (W0 ) ∶m ( S0 ) ∶m(G0 ) = 1∶0145∶2103∶2139,ρf = 110%。按此配合比和调整后的配合比进行抗压强度和抗折强度的试验,见表1。
通过以上试验,将4号的配合比作为最佳配合比。
2 施工
2. 1 施工程序
施工程序为:测量放样→基层检验和整修→支立模板→拌和混凝土→运输混凝土→摊铺混凝土→平板振动器振捣混凝土→振动梁振捣拖平→钢滚筒滚压整平→表面整修→养生→接缝施工→拆模→填嵌缝料。
2. 2 施工技术注意事项
在施工中,除应满足普通混凝土路面施工要求外,还应注意以下事项:
1)由于该道路为城市主干道,为不影响交通,道路横向分2次施工,每次施工半幅路。首先,凿除旧混凝土板,凿除深度必须满足原路面设计要求,原基层松动部分也应全部清除,清除后的基坑一律用C15贫混凝土进行处理, C15贫混凝土的顶面标高为原路面标高减去钢纤维混凝土厚度(12 cm) 。
2)由于钢纤维混凝土的凝结时间短、硬化快,因此必须尽量加快施工速度。
3)施工期间,随时检测砂、石的含水量,调整施工配合比,保证既不使钢纤维结团,又不能因灰比太大,振捣使钢纤维竖向排列或下沉。
4)为避免钢纤维在搅拌时出现结团现象,可采用钢纤维分布机和强制式搅拌机配套使用的拌合系统[ 4 ] ,搅拌时应先干拌后湿拌,且每次的搅拌量宜在搅拌机公称容量的1 /3以下。
5)由于钢纤维混凝土面层厚度只有12 cm,并且插入式振捣器不利于钢纤维的均匀和水平分布,故禁止使用振动棒振捣。
6)整平后的面层,宜用金属圆管滚压,使表面的钢纤维不外漏。
7)由于钢纤维混凝土早期强度较高,故应加强早期养护。
8)路面切缝时间要以混凝土强度达到8～15MPa为宜[ 5 ] ,过早会因锯片振动引起钢纤维与水泥粘结松动,形成不可愈合的早期破坏;过晚则易引起混凝土先行收缩而开裂。横缝间距取15 m。
3 结 语
该路面采用钢纤维混凝土翻修后,路面质量显著提高,至今2 a未发现明显裂缝或剥落现象。与普通水泥混凝土路面相比,采用钢纤维混凝土修复路面,虽然翻修成本较高,但可以保证路面质量、延长路面的使用寿命、节省养护维修费用和保障车行畅通,具有显著的经济效益和社会效益。
钢纤维混凝土是一种新兴的建筑材料,有关它的使用与研究也在不断地深入,随着材料科学的不断进步、施工工艺的不断完善,钢纤维混凝土以其优良的特性,在各工程领域内将有更广阔的应用。
参考文献:
[ 1 ]赵国藩,彭少民,黄成逵. 钢纤维混凝土结构[M ]. 北京:中国建筑工业出版社, 1999.
[ 2 ]CECS 13: 89,钢纤维混凝土试验方法[ S].
[ 3 ]CECS 38: 92,钢纤维混凝土结构设计与施工规程[ S].
[ 4 ]陆学元,张素云. 钢纤维混凝土路面在穿城改造中的应用研究[ J ]. 混凝土, 2006, (1) : 86- 89.
[ 5 ]秦开颜. 钢纤维混凝土路面的工程应用分析[ J ]. 土工基础, 2006, 20 (2) : 35- 37.
