钢纤维砼路面的力学性能与施工应用.pdf

总第 1 2 0期 公 路 与 汽 运 hi g h wa y s& au t o mo t i v e app l i c a t i o n s 8 7 钢纤维砼路面 的力学性 能与施 工应用 孥槭云 ( 长 沙理 工大学，湖南 长 沙4 1 0 0 7 6 ) 摘 要 ： 钢纤维砼 是一种新型的复合 材料 ， 具有优 越 的力学性 能， 已在 公路 、 水利 工程和 防护 工程等领域得到应 用。从 目前的 国内工程 实践情 况来看， 钢 纤维砼 的应 用具有 良好 的经济效 益和 社会效益 。文 中介绍 了钢纤维砼的力学特征 ， 阐述 了该种砼 的施 工工艺及质量控制 方法。 关键词 ：公路 ；钢纤维砼 ；力学性 能；试验研 究；施工控制 中图分类号 ： u4 1 6 2 1 6 文献标识码 ： b 文章编号 ： 1 6 7 1 2 6 6 8 ( 2 0 0 7 ) 0 3 0 0 8 7 0 3 钢纤维砼是将钢纤维掺到普通砼 中制成的一种 复合材料。因钢纤维能有效阻止砼裂缝的发生和扩 展 ， 故显著提高了砼 的抗拉强度、 抗 弯强度 、 阻裂缩 能力和抗冲击性能 ， 并大幅度增进了砼的韧性 ， 使具 有脆性特征的砼基材成为具有 良好韧性 的复合材 料 ， 而且抗冻与耐磨性能 良好。钢纤维砼对减小路 面厚度 、 延长路面的使用年限具有重要意义 ， 具有很 高的路用性能， 是一种性能优 良的新型材料 。 1 原材料选择 一 般采用普通硅酸盐水泥。因为钢纤维砼路面 厚度小 ， 一般为 1 2 1 4 a m， 故路面砼应尽可能采用 强度高、 干缩性小 、 抗磨及抗冻性好的水泥 ； 粗骨料 ( 粒径大于 4 7 5 mm) 宜采用岩浆岩碎 石， 不宜采用 石灰 岩碎 石 ， 最大粒 径 不宜 大于 2 0 mm 或 钢纤 维 长 度的 1 2 ， 极 限值不超 过钢纤维长度 的 2 3 ； 细集料 ( 粒径小于 4 7 5 mm) 可用天然砂 ， 要求 颗粒坚硬耐 磨 、 级配良好 ， 表面粗糙且 有棱角 ； 水和外掺合剂的 要求 与 普通砼 一 样 。砼 用 水 量 为 1 3 0 1 8 0 k g m。 ， 为保证砼具有足够的强度和密实度 ， 水灰 比宜为0 4 0 5 5 。水灰比低时 ， 砼和易性差 ， 此时可增加减水 剂。为使路面提早开通 ， 可在砼 中掺加适量早强剂 。 为提高砼 的和易性和抗冻性， 可掺入适量 的引气剂 。 采用的钢纤维为碳钢纤维 ， 路面用钢纤维宜用熔抽 型和剪切型 ， 其抗拉强度应不低于 5 5 0 mp a 。纤维 直径一般为 0 4 0 7 mm， 长度一般为直径的 5 0 7 0倍。 2 配合 比设计及试验研 究 钢纤维砼混合料配合 比设计 中， 首先要满足路 格栅与整平层和加铺层之间的不完全粘结 ， 影响材 料的粘结强度和路面结构的整体强度 。建议防水卷 材和土工格栅的铺设都由熟练工人进行 ， 以保证 施 工质量 。保持施工现场的清洁也不容忽视 。 4 结 语 旧砼板块之间接缝或裂缝引起的加铺层反射裂 缝仍是 目前路面工程 中的一个难题 ， 本文重点从 防 裂材料的选择 、 材料性能实验和施工工艺的角度 出 发 ， 对 防治反射裂缝 的技术进行研究 。本 文研究成 果应用于上海 a3 0东南郊环高速公路 中的水泥砼 路面加罩沥青 面层工程。该路通车一年多后 ， 2 0 0 5 年 1 2月有关单位采用先进 的车载全 自动检测设备 对试验段与相邻路 段进行 全面和系统的测量 和检 验 ， 调查结果表明， 路面总体使用状况 良好 ， 没有出 现反射裂缝。 参 考 文献 ： 1 3 陈城仕 玻纤格栅加筋沥青混凝土路面钓 施工技术 j 华东公路 ， 2 0 0 2 ( 5 ) 2 3 马庆雷 ， 杨斌 ， 周 然 ， 等 水 泥混凝 土路面沥 青加铺 层温度应力分析 j 山东大学学报( 工学版) ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 2 ) 3 马文彬， 张志宏 防水卷材在白加黑路面中的应用 j 中国建筑防水， 2 0 0 3 ( 1 1 ) 4 周 富杰 ， 孙立军 复合路面沥青面层 最佳厚度 j 同济 大学 学报( 自然科学版 ) ， 2 0 0 1 ( 1 0 ) 收稿 日期 ： 2 0 0 6 1 1 2 1 维普资讯 8 8 公 路 与 汽 运 hi g h wa y s& au t o mo t i v e ap p l i c a t i o n s 第 3期 2 0 0 7年 5月 面厚度减薄的要求 ， 其次是保证钢纤维砼有较大的 抗弯强度 ， 以满足结构设计对抗压强度 、 抗折强度以 及施工和易性的要求。为有利于路面工程的实际应 用 ， 钢纤维砼的配合 比应直接按钢纤维砼 的性能和 使用要求进行设计 。一般以钢纤维砼的抗折强度作 为配合比的设计指标 ， 寻求制 约钢纤维砼抗折强度 的主要因素 ， 如钢纤维掺人量及长径比、 水泥标号与 水灰比之间的比例关 系等 ， 通过上述诸 因素的调整 来控制钢纤维砼 的抗折强度 。 2 1 钢 纤维 砼的 配合 比设 计步 骤 1 )根据强度设计值 以及施 工配制强度提高系 数 ， 确定试配抗压强度与抗折强度。钢纤 维砼抗折 强度设计值的确定 ： 厂 细 一 ( 1 +a p r l r d r ) 式中： 厂 为钢纤维砼抗折强度设计值 ； 厶 为与钢纤 维砼具有相同配合材料 、 水灰 比和相近稠度的素砼 的抗折强度设计值 ； n 为钢纤维对抗折强度的影响 系数 ( 试 验确定) ； p r为钢纤维体积率 ( ) ； l r d r 为钢纤 维长径 比。 2 )根据试配抗压强度计算水灰 比。 3 )根据试配抗压强度确定钢纤维体积率 ， 一般 浇筑成型的结构为 0 5 2 0 。 4 )按照施工要求 的稠度确定单位体积用水量。 5 )确 定砂 率 。 6 )计算混合材料用量， 确定试配配合 比。 7 )按试配配合比进行拌和物性能试验 ， 调整单 位体积用水量和砂率 ， 确定强度试验用基准配合 比。 8 )根据强度试验 结果 调整水灰 比和钢纤维体 积率 ， 确定施工配合比。 水泥用量 、 砂率及水灰比应根据不 同配合 比时 的钢纤维砼强度进行反复试验后确定 。 为 检验 钢 纤 维砼 的力 学 性 能 ， 需 进 行 普 通砼 和 钢纤维砼性能对比试验 ， 分砼抗压强度试验 和砼抗 折强度试验 。试样成 型按相关标准进行 ， 成型后放 人标准养护室中养护 2 2砼 抗压 强度 试验 砼抗压强度试验分 6 组进行 ， 每组 3 个试件， 每 组试件在 同一条件下制作 和养护 。试验方法按 公 路工程水泥混凝土试验规程 ( j t j 0 5 3 9 4 ) 进行， 配制砼的粗集料最大粒径为 2 0 mm， 钢纤维长度为 3 0 mm。试件为边长为 1 5 0 mm 的正方 体 ， 试验加 载速率为 0 7 0 8 mp a s 。采用 4 2 5 矿渣水泥 ， 水灰 比为 0 4 5 ， 钢纤维掺人量为 1 。试验结果如 表 1所示 。 表 1 钢纤维砼 与普通砼抗压强度试验结果 试件编号配合 比 2 8 d抗压强度 mp a 强度增加 普通砼 钢纤维砼 比例 1 1：1 8 ：2 5 34 1 2 l：1 8 ：2 5 33 2 3 1：2 0 ：2 5 31 2 4 1：2 0 ：2 5 29 4 5 1：2 2 ：2 5 30 4 6 1：2 2 ：2 5 2 9 8 3 6 3 34 8 3 4 2 3l _ 6 3 2 2 3l _ 6 6 5 4 8 9 0 7 6 6 1 5 8 注 ： 配合 比为水泥 ： 细集料 ( 砂子)： 粗集料 ( 石子) 的质 量 比 ， 表 2相同 从表 1可 以看出 ， 钢纤维砼 的抗压强度 比普通 砼略有增加 ， 平均增加 7 9 6 左右 ， 增加不 明显 。 2 3砼 抗折 强 度试 验 砼抗折强度试验的试件制作方法 、 数 量和养护 方法与 抗 压 强 度试 验 的相 同。试 验 结 果 如 表 2 所示 。 表 2钢纤维砼与普通砼抗折强度试验 结果 试件编号配合 比 2 8 d 抗 压强度 mp a 强 度增 加 普通砼 钢纤维砼 比例 29 21 25 2 o 1 8 26 从表 2可以看 出： 钢纤维砼的抗折强度 比普通 砼有明显增加 ， 平均增加量为 2 3 左右 。这 主要是 因为钢纤维砼 中掺人钢纤维后 ， 钢纤维起到加筋作 用 ， 而钢纤维具有优 良的抗拉性能 ， 故钢纤维砼的抗 折强度 明显大于普通 砼 的抗折强 度。由此 可 以看 出， 用普通水泥砼修 复路面虽具有 强度高 、 板块性 好 、 有一定的抗磨性及承受气象作用的耐久性好等 特点 ， 但脆性大 、 易开裂 、 抗温性差 、 路面板块容易受 弯折而产生断裂 。用钢纤维砼修筑路面 ， 将钢纤维 均匀地分散于砼 中( 与砼一起搅拌) ， 通过分散 的钢 纤维 ， 减小荷载在砼 中细裂缝端部的应力集 中， 从而 控制砼裂缝 的扩展 ， 提高复合 材料 的抗裂性。同时 由于砼与钢纤维接触界 面之间有很大 的界 面粘结 力 ， 因而将外力传到抗 拉强度大 、 延 伸率 高的纤维 5 5 5 5 5 5 2 2 2 2 2 2 ， 8 8 o o 2 2 l l 2 2 2 2 ， ， l l；l l 2 3 4 5 6 维普资讯 总第 1 2 0期 公 路 与 汽 运 hi g h wa y s& au t o mo t i v e ap p l i c a t i o n s 8 9 上 ， 使钢纤维砼作为一个均匀的整体抵抗外力 的作 用 ， 显著提高砼原有 的抗拉、 抗 弯强度和断裂延 伸 率 ， 特别是提高砼的韧性和抗冲击性 。 3 施工控制 1 )拌和。拌 和是保证钢纤维在砼基体 中均匀 分布的重要环节 ， 需用机械搅拌 ， 一般采用强制式或 反锥式搅拌机 。为保证钢纤维砼搅拌均匀 ， 应按顺 序投料 ： 水泥 、 粗集料、 细集料和钢纤维 。其 中钢纤 维分 3 次投入拌和机中， 于拌均匀后再加足水湿拌 ， 拌和时间一般为 2 3 rai n 。 2 )运料 。主要采用手推车、 翻斗车或 自卸汽车 运送混合料 ， 应尽量缩短运送时间和距离 ， 以免运输 中因振动使钢纤维下沉， 影响拌和料 的均匀性 。运 输中要防止钢纤维受污染。 3 )浇筑 。混 合料 运送 至 指定 地 点后 ， 一 般直 接 倒人安装好模板 的路槽 内， 并用人工找平。在规定 的施工区段 内必须连续进行 ， 不能中断， 否则会造成 钢纤维沿接缝表面排列 ， 不能产生增强作用 ， 且易产 生 裂缝 。 4 )振捣。钢纤维砼宜用平板振捣器振捣。若 板厚在 0 2 m 以内可一次摊铺成 型。振动时 间一 般以表面振 出砂 浆、 混合料 不再 下沉为度 ， 严禁漏 振 。然后用两端置于外侧模板的振动梁沿摊铺方向 振动压平 ， 振动过程中多余混合料被刮出， 低凹处应 随 时补 足 ， 最 后用 置 于 两 侧模 板 上 的无缝 钢 管 沿 纵 向滚压一遍 ， 确保路面的平整度。 5 )表面处理 。防止钢纤维外露或竖直伸 出表 面 ， 以保证车辆及行人安全。整平前 ， 可用凸棱的金 属筒压滚 ， 将竖起或外露 的钢纤维压人后再整平 ， 抹 面和压纹时也不得将钢纤维带出。抹平的表面应在 初凝前进行压纹和拉毛 ， 压纹和拉毛工具宜使用压 滚和刷子 ， 不得使用竹扫帚。应 严格控 制路面切缝 时间， 不宜过早 或过迟。在 钢纤 维抹 面后 1 2 1 8 h ， 抗 压强 度达 到 5 1 0 mp a时切 缝 。 6 )养生。当钢纤维砼表面具有一定硬度 ， 用手 指轻压不出现痕迹时 ， 开始养生。可采用草袋 、 麻袋 或湿砂 ( 2 o 3 0 ram) 覆盖于砼表面 ， 每天均匀洒水 数次 ， 使其保持潮湿状态 ， 养护 时间不得少 于 7 d 。 也可用不透水的薄膜粘附于砼表面， 阻止水分蒸发 ， 保证钢纤维砼的水化作用正常进行 。 4 钢纤维砼 路面的应用效益 1 )经济效益。普通砼路面对路面基层 的强度 和刚度要求较高 ， 因而其基层的处理费用相对较高 。 从 目前 国内工程 的设计、 施工及应用情况来看 ， 钢纤 维砼路面的造价 比普通砼 路面低 6 8元 m 。另 外 ， 采用钢纤维砼 的路 面， 路 面基层要求较低 ， 可缩 短对 路面 基层 的 的施 工 时间 ， 加快 施工 进 程 。 2 )社会效益 。钢纤维砼路面的运行年限( 2 5 3 o年) 比普通砼路面( 2 0年) 长。钢纤维砼路面投入 运行后的维护次数和维护费用 比普通砼路 面少 ， 能 创造 良好的交通环境， 具有显著的社会效益。 5 结 语 钢纤维是一种新型复合路用材料 ， 与普通砼相 比， 它的抗压强度提高不十分明显 ( 提高 7 9 6 左右) ， 但抗折强度显著提高 ( 提高 2 3 9 5 左