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钢纤维混凝土在桥梁伸缩缝锚固端中的应用
李 康
（江苏省丰县公路管理站 丰县221700）
摘 要 本文以济徐高速丰县北互通连接线南大沟桥桥面铺装施工为例，对钢纤维混凝土在桥面伸缩缝锚固端中的应用，从机理性能、原材料的选用及施工工艺等方面进行阐述。
关键词 钢纤维混凝土 桥梁 伸缩缝 应用
1、概述
      钢纤维混凝土就是在普通混凝土中掺入适量钢纤维而成的一种新型复合材料,近年来在国内外得到迅速发展 ，它是一种新型高强度的复合材料，具有良好的材料性能，我国70年代开始对该课题进行研究与应用，用钢纤维混凝土修筑桥面，可显著提高混凝土原有的抗弯、抗拉强度和断裂延伸率，及混凝土的抗冲击性和耐久性，改善桥面使用性能，延长桥面使用寿命，近年来已在我国建筑、路桥、水工等工程领域得到广泛的应用。
       济徐高速丰县北互通连接线南大沟桥修建于2008年，为空心板结构，桥梁全长65.58m，桥面宽31m，应用钢纤维混凝土在桥梁伸缩缝锚固端，以增强混凝土的抗冲击性和耐久性，防止桥梁伸缩缝的冲击破坏和保持结构的耐用性，本文对钢纤维混凝土在该桥伸缩缝锚固端的应用加以分析总结。
2、钢纤维的基本性质
1．钢纤维的类型及特征参数
钢纤维按材质分，有普通碳钢钢纤维和不锈钢钢纤维，其中以普通碳钢钢纤维用量居多；按外形分有长直形、压痕形、波浪形、弯钩形、大头形、扭曲形；按截面形状分有圆形、矩形、月牙形及不规则形；按生产工艺分有切断型、剪切型、铣削型及熔抽型；按施工用途分有浇筑用钢纤维和喷射用钢纤维；钢纤维按不同的加工生产方法可分为：切断钢纤维、剪切钢纤维和熔断钢纤维三种。纤维长度又分为不同规格，长度宜为20~50mm，等效直径为0.3~0.8mm，长径比在40~100范围内，抗拉强度不低于600MPa。在我国路面工程应用上钢纤维混凝土中钢纤维的体积率多为0.8%~1.0%，水泥采用32.5～42.5#普通硅酸盐水泥，粗骨料最大粒径为钢纤维长度的2/3，最大粒径不宜大于20mm，细集料采用中粗砂，平均粒径0.35~0.45mm。
为满足钢纤维的增强效果与施工性能,通常采用钢纤维长度为15～60mm,直径或等效直径为0.3～1.2mm,长径比为30～100,纤维的体积掺量为0.5%～2%。
 3、钢纤维混凝土的基本性能
有关试验机构对钢纤维的作用机理和钢纤维混凝土的基本性能做了大量的研究,经查阅资料现归纳如下：
钢纤维混凝土中乱向分布的短纤维主要作用是阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展。在受荷(拉、弯)初期,水泥基料与纤维共同承受外力,当混凝土开裂后,横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者。因此钢纤维混凝土与普通混凝土相比具有一系列优越的物理和力学性能。
３.１强度和重量比值增大
 这是钢纤维混凝土具有优越经济性的重要标志。
３.２具有较高的抗拉、抗弯、抗剪和抗扭强度
  在混凝土中掺入适量钢纤维,其抗拉强度提高25%～50%,抗弯强度提高40%～80%,抗剪强度提高50%～100%。
３.３具有卓越的抗冲击性能
材料抵抗冲击或震动荷载作用的性能,称为冲击韧性,在通常的纤维掺量下,冲击抗压韧性可提高2～7倍,冲击抗弯、抗拉等韧性可提高几倍到几十倍。
３.４收缩性能明显改善
在通常的纤维掺量下,钢纤维混凝土较普通混凝土的收缩值降低7%～9%。
３.５抗疲劳性能显著提高
    钢纤维混凝土的抗弯和抗压疲劳性能比普通混凝土都有较大改善。当掺有1.5%钢纤维抗弯疲劳寿命为1×106次时,应力比为0.68,而普通混凝土仅为0.51;当掺有2%钢纤维混凝土抗压疲劳寿命达2×106次时,应力比为0.92,而普通混凝土仅为0.56。
３.６耐久性能显著提高
    钢纤维混凝土除抗渗性能与普通混凝土相比没有明显变化外,由于钢纤维混凝土抗裂性、整体性好,因而耐冻融性、耐热性、耐磨性、抗气蚀性和抗腐蚀性均有显著提高。掺有1.5%的钢纤维混凝土经150次冻融循环,其抗压和抗弯强度下降约20%,而其他条件相同的普通混凝土却下降60%以上,经过200次冻融循环,钢纤维混凝土试件仍保持完好。掺量为1%、强度等级为CF35的钢纤维混凝土耐磨损失比普通混凝土降低30%。掺有2%钢纤维高强混凝土抗气蚀能力较其他条件相同的高强混凝土提高1.4倍。钢纤维混凝土在空气、污水和海水中都呈现良好的耐腐蚀性,暴露在污水和海水中5年后的试件碳化深度小于5mm,只有表层的钢纤维产生锈斑,内部钢纤维未锈蚀,不像普通钢筋混凝土中钢筋锈蚀后,锈蚀层体积膨胀而将混凝土胀裂。
4、 钢纤维混凝土的特点
钢纤维混凝土是一种由水泥、粗集料、细集料和随机分布的短纤维掺配而成一种新型高强复合材料。钢纤维混凝土中随机分布的短钢纤维主要作用是阻碍混凝土内部微裂缝的扩展并阻滞宏观裂缝的发生和发展，提高整个复合材料的抗裂性。同时由于混凝土与钢纤维接触界面之间有很大的界面粘结力，因而可将外力传到抗拉强度大、延伸率高的纤维体上，使钢纤维混凝土作为一个均匀整体抵抗外力作用，显著提高了混凝土原有的抗拉、抗弯和断裂延伸率，特别是提高了混凝土的抗冲击性和耐久性。
 5、 桥面伸缩缝设计方案
 5.1 桥面伸缩缝结构设计
        南大沟桥设计双向三车道，桥面行车道宽２８m，为水泥混凝土铺装层。桥面铺装结构设计为：面层1０cm厚C40混凝土，面板尺寸１４m×4m，缩缝间距１３-２０m不等，桥头两端与沥青砼路面连接处设2条桥梁伸缩缝，采用钢纤维混凝土浇筑伸缩缝的锚固端。
5.2 钢纤维混凝土配合比设计
钢纤维混凝土配合比设计应主要满足设计抗折强度与施工的和易性，抗折强度随着钢纤维量的增大而增大，但混凝土的和易性却随之降低，为此必须适当增大含砂率。影响配合比的主要因素是钢纤维掺入量、砂率、水灰比，参照《钢纤维混凝土结构设计与施工规程》和《普通混凝土配合比设计规程》，经过试配对比试验，C40钢纤维混凝土配合比确定为：水泥:砂:碎石:水:钢纤维1:1.912:2.388:0.45:0.186，每m3混凝土水泥用量420kg，钢纤维体积率1%，即掺入量78kg，钢纤维混凝土配合比详见表1。
砼等级
水泥（kg/m3）
砂（kg/m3）
碎石（kg/m3）
水（kg/m3）
钢纤维（kg/m3）
砂率（%）
水灰比
C40
420
803
982
189
78
45
0.45
表1 钢纤维混凝土配合比
钢纤维选用江苏产Q235剪切型低碳钢纤维，纤维长度32mm，水泥为徐州生产的中联牌42.5#普通硅酸盐水泥。
5 施工工艺
5.1 基层处理
在桥梁伸缩缝锚固端钢纤维混凝土浇筑前，先用机械凿除半幅混凝土桥梁面层，再人工配合清除旧基层，最后用高压水枪冲洗粉渣；对桥面中轴线和人行道路缘测定路面标高点，控制基层（调平层）标高。
5.2 钢纤维混凝土搅拌及运输
钢纤维混凝土的拌和应严格控制纤维分布均匀，以不结团为原则,对钢纤维混凝土进行试拌、确定最佳拌和时间。用滚筒式搅拌机拌和，其每斗搅拌量不大于搅拌机定额量的70%，采用先干后湿的拌和工艺，按照二次投料三次拌和程序，先将碎石和钢纤维干拌60s，使钢纤维分散，其次将砂和水泥加入再干拌45s后，直接注水再湿拌90s。各种材料用量必须严格计量，保证混凝土的配比准确。控制拌和时间，总拌和时间不超过6min，否则将引起钢纤维结团。在混凝土运输过程中，通常采用手扶拖拉机，要求运距不宜过长，保证混凝土不发生离析现象。
5.3 钢纤维混凝土的浇筑、养生
针对桥面铺装半幅施工的特点，对桥面的左半幅先行浇筑，保证右半幅车辆通行，最后进行右半幅浇筑。钢纤维混凝土的摊铺和振捣是施工的重要环节，直接影响钢纤维混凝土的整体性和致密性，施工过程中采用人工摊铺、机械振捣相结合的方法，其操作步骤如下：
５.３.１ 钢纤维混凝土经人工摊铺整平，沿钢模两侧用插入式振捣器振捣，其余部位均采用平板振捣器振捣，时间不宜过长，应振至混凝土混合料泛浆，不明显下降，不冒气泡，表面均匀为度。
５.３.２ 混凝土振平采用振动梁振捣拖平，辅以人工找平，再用钢滚筒来回滚压，进一步推浆整平，其表面不得裸露钢纤维。
５.３.３ 待混凝土表面无泌水时进行抹平，拉毛时选用滚筒压纹器，可以避免带出钢纤维。
５.３.４ 当钢纤维混凝土强度达25%~30%时，进行切缝，切缝深度3cm，缩缝间距8m。
５.３.５ 钢纤维混凝土早期强度高，终凝后应及时采取湿法养护，麻袋覆盖洒水养护，养生期12~14d，待强度测试达设计要求时开放交通。
6 施工质量控制
施工前对各种原材料进行质量检验。在施工过程中，应检查钢纤维混凝土的配合比是否符合设计要求，尤其是对钢纤维混凝土搅拌时的投料顺序、拌和时间，以及钢纤维混凝土浇筑过程中摊铺和振捣质量进行有效控制，确保钢纤维在混凝土中分布均匀，达到良好的力学性能。按施工规范要求对每一工作日浇筑的混凝土制作抗压和抗折试件。与普通混凝土一样，钢纤维混凝土也应加强早期养护。
7 结束语
        济徐高速北互通连接线建设工程南大沟桥钢纤维混凝土伸缩缝加固工程于2008年10月竣工，经过１年多的跟踪观测，未发现病害现象，使用效果良好，同比质量效果良好。体现出钢纤维混凝土在桥面伸缩缝铺设和处理上的优越性能。具体表现情况如下：
７.１ 能有效控制路面裂缝，延长使用寿命，经济效果显著。
７.２ 加大缩缝间距，减少缩缝养护成本，提高行车舒适性。
７.３ 钢纤维混凝土面层厚度可比普通混凝土减少30%~50%，有效缩短施工工期。
７.４早期强度高，对桥面修复改建可提前开放交通。
参考文献
[1] 钢纤维混凝土结构设计与施工规程.北京：中国建筑出版社，1992
[2]钢纤维混凝土新型路面设计与施工.重庆大学出版社，1995