层布式钢纤维混凝土路面施工问题探讨.pdf

总654期2023年第24期（8月 下）0 引言钢纤维混凝土是一种高抗弯拉强度、高耐磨耐热、高耐冲击及高疲劳强度的混凝土材料。由于温度应力和荷载应力的综合作用，混凝土路面最大弯拉应力主要发生在路面上表面和下表面，并沿路面板横截面快速衰减。基于以上研究，相关学者提出了层布式钢纤维混凝土路面这一新型路面形式，即将少量钢纤维均匀撒布于路面板表层及下表层，在上下表层形成钢纤维混凝土层，而中间仍为素混凝土层。当前，该技术已从最初的实验室研究、小规模应用发展到大规模工程应用阶段，因此将该技术应用于病害水泥混凝土路面处治，施工质量有保证。1 层布式钢纤维混凝土增强机理当前有关混凝土材料中均匀分布钢纤维后混凝土的增强机理存在两种代表性观点，一是美国学者 Romualdi 提出的纤维间距机理，二是英国学者 Swamy 和Mangat所提出的复合材料机理1。1.1 纤维间距机理该理论主要基于线弹性断裂力学原理展开钢纤维约束裂缝发生和发展机理的分析，其认为，混凝土结构内部存在固有缺陷，为提升混凝土结构强度，必须采取有效措施减少缺陷程度，降低内部裂缝端应力集中系数，提升材料韧性。假设在钢纤维拉力方向以棋盘形式分布着 4 根纤维，同时在钢纤维相邻近的裂缝端部附近还存在因拉应力而引起的黏结应力，对裂缝起到约束作用。如无拉伸应力所引起内部裂缝端部应力集中系数K，且与裂缝端部相邻近的黏结应力分布产生起约束作用的应力集中系数为Kf，由于Kt=K-Kf，故总应力系数Kt必将减小，初裂缝强度提高。所以，混凝土结构中单位面积内钢纤维分布数量越多，纤维间距越小，则强度提升越明显。1.2 复合材料机理该理论基于复合材料构成的混合原理展开钢纤维混凝土材料抗拉强度和抗弯强度推定，其认为在钢纤维和基体完全黏结的情况下，向复合体上施加拉伸力时，复合体强度由钢纤维和基体应力及体积比决定，可表示如式（1）：RX1=Rj1Vj1v+xv（1）式中：RX1为钢纤维混凝土抗拉强度；Rj1为基体抗拉强度；x为钢纤维混凝土达到设计抗拉强度时的钢纤维拉应力；Vj1为钢纤维和基体所构成的复合体单位体积内基体体积；v为复合体单位体积。式（1）主要基于基体与钢纤维黏结破坏原理，并提出混凝土强度和钢纤维掺量以及钢纤维细长比与黏结力之间的关系。以上两个理论对钢纤维混凝土初裂强度及比例极限的估算较为适用，而钢纤维混凝土极限强度还受到纤维体积百分率、纤维半径、纤维与混凝土基体界面黏结力等的影响2。因此对具体公路工程层布式钢纤维混凝土路面施工方案设计及施工过程仅具有一定的借鉴参考价值。2 施工方案设计某干线一级公路为连接地区之间的主干公路，公路段自2004年建成运行以来，交通量日益增大，超载超限运行较为普遍，混凝土路面板先后出现断板、胀缝处剥落及碎裂，碎裂深度最大达到面板厚度的50%，纵向延伸宽度在340 cm；此外，在行车荷载作用下，基础中细粒料浆液从接缝及裂缝处喷出，造成面板板收稿日期：2022-10-14作者简介：冷桂生（1972），男，工程师，从事公路桥梁施工管理工作。层布式钢纤维混凝土路面施工问题探讨冷桂生（宜春市公路事业发展中心上高分中心，江西 宜春 336400）摘要：在概述层布式钢纤维混凝土增强机理的基础上，以某干线一级公路为例，针对其病害现状提出了多锤头破碎病害面板并层布钢纤维混凝土的治理方案；从原材料选用、施工参数设计、旧水泥路面治理、层布式钢纤维混凝土路面施工技术要点等方面进行了分析探讨。分析结果表明，层布式钢纤维混凝土路面抗折强度和劈裂强度均明显优于普通混凝土路面，属于性价比较高的旧水泥混凝土路面处置技术。关键词：层布式；钢纤维混凝土；路面病害；碎石化施工中图分类号：U416.2文献标识码：B26交通世界TRANSPOWORLD体和基础逐步脱空。为彻底处治病害，公路管理当局提出了多锤头破碎病害面板并层布钢纤维混凝土的治理方案。分别对K40+020K41+020试验段和K41+020K42+020试验段展开层布式钢纤维混凝土施工和普通混凝土施工，以进行效果比较。2.1 原材料层布式钢纤维混凝土路面施工主要用到钢纤维和混凝土两种材料。钢纤维：钢纤维混凝土性能受钢纤维和基体黏结程度的影响较大，结合工程实践，由冷延薄钢带剪切而成的矩形截面钢纤维黏结性较好；单层钢纤维最佳体积率应控制在1.5%，对应的掺量为2.355 kg/m2；为避免长径比过大而增大均布难度，钢纤维长径比应取80。本公路工程使用恒基材料工程公司生产的钢纤维，该材料在15 温度、40%湿度的试验条件下，按照 5 mm/min 的速率加载，抗拉强度均值594 MPa；取10根钢纤维后每根沿直径3 mm的钢棒圆周手工弯折90，钢纤维全部未断裂。水泥及集料：使用普通硅酸盐水泥，并根据设计强度要求选用具体标号；粗集料采用粒径5.031.5 mm连续级配石料，细集料则选用细度模数2.32.8的中粗砂；水灰比严格控制在0.450.48之间。混凝土配合比按照普通C35水泥混凝土确定，具体见表1。粗细集料级配见表2和表3。外加剂：使用科达外加剂厂生产的KD-Z1型早强高效减水剂。表1 层布式钢纤维混凝土配合比原材料用量水泥/（kg/m3）362水/（kg/m3）152粗集料/（kg/m3）1 316.1细集料/（kg/m3）708.7水灰比0.42表2 粗集料级配粒径/mm4.75191931.5合成级配设计级配配合比（%）3070不同筛孔尺寸筛余累计（%）2.36 mm99.699.899.7951004.75 mm95.899.898.6901009.5 mm57.599.686.4759016 mm38.480.167.5607519 mm3.763.445.7406026.5 mm031.622.3203531.5 mm06.84.905表3 细集料级配粒径/mm河砂天然级配设计级配配合比（%）不同筛孔尺寸筛余累计（%）0.15 mm97.4901000.3 mm76.970920.6 mm52.841701.18 mm40.110482.36 mm25.60244.75 mm12.20102.2 施工参数施工参数选择直接关系到路面结构厚度及性能，考虑到层布式钢纤维混凝土路面施工涉及参数较多，且各参数变化情况不一，此处仅选择代表性强的参数。交通等级：交通等级划分主要依据标准轴载作用次数累计值，具体见表4。结合对未来交通运行规模的预测，该路面应按照重交通等级设计。路基弹性模量：为保证路基稳定密实、均质，并为路面提供可靠支撑，该公路按一级公路设计，路基弹性模量应不小于30 MPa。变异等级：变异等级影响层布式钢纤维混凝土路面可靠度系数，该公路按规范上限取值，见表2。路面板尺寸：结合当前层布式钢纤维混凝土路面建设实际，路面板长度一般有5、10、15 m三种，宽度有3.75 m和4.5 m两种；结合相关文献，层布式钢纤维混凝土路面板厚度应不小于14 cm3。根据公路水泥混凝土路面设计规范（JTG D402015），为保证层布式钢纤维混凝土路面板力学性能，板厚应不超出20 cm。层布式钢纤维混凝土路面最小板厚随横向缩缝间距、交通等级、板宽而不同，结合该一级公路实际，在施工方案设计阶段提出的建议板厚见表5。表4 交通等级划分交通等级基准期内标准轴载作用次数累计值/（104次）轻3中等3100重1002 000特重2000表5 层布式钢纤维混凝土路面板厚度建议值交通等级重公路等级一级变异水平等级低中可靠度系数1.161.23板宽/m4.53.754.53.75不同板长对应的板厚/cm5 m202010 m202015 m2020结合路段实际，经公路管理部门及所在省交通设计研究院专家论证，采取在原水泥混凝土路面加铺层布式钢纤维混凝土的方案。加铺层厚度为12 cm、单层钢纤维体积率1.5%，即分别按照2.355 kg/m2的用量在上下层撒布钢纤维。钢纤维混凝土施工主要安排在混凝土路面浇筑前和浇筑时，在路面底部及顶部均布一层钢纤维，以形成复合式路面结构。为保证施工质量，在钢纤维路面施工前必须检测、综合评定基层承载力并补强处理，使其满足设计要求。3 施工技术要点3.1 旧水泥路面处治在层布式钢纤维混凝土施工前必须对损坏严重的旧水泥路面展开碎石化处治，即通过专用设备冲击、破碎、碾压旧水泥混凝土路面，借助其冲击能作用深度大的技术优势，击裂、破碎旧路面，减小其面板有效面积，使内应力得到释放；同时控制温湿度应力、行车荷载等作用下面板位移，抑制反射裂缝对加铺层的不利影响。27总654期2023年第24期（8月 下）该公路旧水泥混凝土路面采用多锤头破碎仪与压路机配合的破碎方案，在破碎前根据现场调查及设计图，确定出埋深在1.0 m以内的地下管线、暗涵等隐藏构造物，碎石化施工时必须降低锤头高度及夯击能，避免损坏地下构造物。在破碎试验段，记录多锤头破碎仪落锤高度、落锤频率、夯击能、车速等施工参数，为正式施工提供依据。旧水泥混凝土路面破碎效果与破碎锤降落高度、面板强度及既有病害等有关，故施工期间必须加强破碎程度及破碎粒径检查，并结合施工效果调整施工参数，保证破碎效果。破碎化后为保证碎石层与基础层充分接触，必须通过重型压路机反复碾压密实，对于碾压期间松动的板块必须撤除后回填碎集料，保证板块均匀密实。完成旧水泥混凝土路面破碎施工后，还应进行沥青封层，避免雨水浸入引起内部水损。先按照2.5 kg/m2的用量在碎石化后的表层洒布透层乳化沥青，再按810 m3/1 000 m2的量撒布一层粒径 810 mm的碎石料，使用轻型压路机碾压1遍后再次洒布1层乳化沥青，洒布量为 1.5 kg/m2，再按照 35 m3/1 000 m2的量撒布一层粒径38 mm的碎石料，通过轻型压路机碾压1遍后按规范养护。3.2 层布式钢纤维混凝土施工待下承层养生成型且强度满足设计要求后，立模前，清洗下承层，自行风干后均匀铺筑一层厚度为2030 mm与路面等强度的混凝土，达到振捣混凝土时砂浆握裹钢纤维的效果；此后通过机械振动筛撒布钢纤维。一次撒布面积不宜过大，且应均匀撒布，不得成团或漏撒，同时避免因人员走动、车辆过度碾压而造成钢纤维堆积或漏洞。底层钢纤维材料撒布结束后摊铺中间层混凝土。松铺厚度应按照低于设计厚度23 cm控制，为上层钢纤维铺设预留空间。完成中间层混凝土摊铺后找平，并通过振动棒振捣密实，最后使用振动平板粗平。整个摊铺过程中应避免对底层钢纤维的不利扰动。待完成中间层混凝土摊铺后，按照与底层钢纤维相同的撒布方式及用量布置上层钢纤维。撒布结束并检查均匀性及撒布质量后按照设计要求加铺顶层混凝土，找平并通过平板振捣器振捣密实，再应用三辊轴整平仪整平处理。钢纤维混凝土面板施工结束后，因层布式钢纤维混凝土性能良好，按照10 m确定切缝间距，并采用两次切缝法成缝，第一次按照3 mm宽、8090 mm深切缝，第二次按照30 mm深切缝，接缝宽度为1220 mm。清缝后灌注填缝料。3.3 施工效果在完成试验段层布式钢纤维混凝土施工后，为检测施工质量及效果，在工后28 d展开了层布式钢纤维混凝土路面与普通混凝土路面性能检测，芯样抽检结果见表6。根据抽检结果，层布式钢纤维混凝土路面在抗折强度和劈裂强度方面均明显优于普通混凝土路面，表明钢纤维的掺加能明显增大路面结构强度，具有抗裂及抗车辙性能4。表6 水泥混凝土路面芯样抽检结果层布式钢纤维混凝土路面取样位置K40+220上行线K40+220下行线K40+420上行线K40+420下行线K40+620上行线K40+620下行线K40+820上行线K40+820下行线K41+020上行线K41+020下行线抗折强度/MPa7.297.287.247.317.287.307.317.297.277.31劈裂强度/MPa4.784.774.314.124.103.994.564.784.364.69通混凝土路面取样位置K41+220上行线K41+220下行线K41+420上行线K41+420下行线K41+620上行线K41+620下行线K41+820上行线K41+820下行线K42+020上行线K42+020下行线抗折强度/MPa4.585.214.964.984.995.305.165.225.094.98劈裂强度/MPa2.993.253.143.122.983.073.113.143.063.004 结束语综上所述，该病害水泥混凝土路面采用多锤头破碎设备对旧面板展开碎石化处治，与传统的破碎、挖除处理相比，省去了废料运输、处理环节，社会效益和经济效益显著。在层布式钢纤维混凝土路面施工过程中，参照我国实践经验减薄了路面厚度，并将路面伸缩缝间距增大至1015 cm，施工周期大幅缩短，所节省的施工成本完全抵补了钢纤维材料采购及使用成本。该公路段自2020年底处治结束至今，整体状况良好，未出现掉角、掉边、断板等路面病害。参考文献：1 陈超.层布式钢纤维混凝土路面施工技术研究J.黑龙江交通科技，2021，44（10）：28-29.2 岑培山，田坤云.有效纤维量和层数分布对SFRC基本力学性能影响研究J.路基工程，2021（3）：55-58.3 唐佳军，郭璨，裴长春，等.层布式钢纤维再生混凝土梁的抗弯性能J.工程建设，2021，53（2）：12-17.4 彭奥，焦楚杰.复合式、层布式钢纤维混凝土力学性能及破坏特征研究J.混凝土，2020（8）：67-71，78.28