钢纤维混凝土在钢筋混凝土

钢纤维增强钢筋网混凝土（SFRC）在桥面铺装改造工程中的应用李永鳞 （江苏扬子大桥股份有限公司 江苏 靖江 214500）摘要：桥面铺装层常被设计和施工所忽视，往往造成桥面铺装开裂等病害，引起桥梁使用质量下降，成为桥梁结构安全隐患，降低使用寿命。钢纤维混凝土作为桥面铺装材料及铺装层的修复材料是目前国内外纤维混凝土较为成功的领域，江阴大桥南接线引桥采用剪切异型钢纤维混凝土修复桥面铺装，成功解决了桥面铺装开裂、渗水等问题。本文介绍了剪切异型钢纤维混凝土的优点、施工要求和使用效果。关键词：钢纤维 桥面铺装 改造 应用1 钢筋混凝土桥梁桥面铺装存在的问题桥面铺装层不是桥梁的主体结构，因而常被设计和施工所忽视，所以桥面铺装经常出现混凝土强度不足，发生裂缝、表面蜂窝、麻面等病害；同时，道路超载现象屡禁不止，桥面铺装层在重车荷载作用下容易开裂、破碎，引起混凝土渗水，腐蚀主梁混凝土，锈蚀钢筋，从而使桥梁的使用质量下降，使用寿命降低，严重的甚至造成桥梁的破坏。桥面铺装层一旦损坏，修复非常麻烦，所以重视铺装结构，采用高质量的桥面铺装材料，保证桥面铺装的良好使用状态非常重要。2 钢纤维增强钢筋网混凝土的优点、作用钢纤维混凝土作为桥面铺装材料以及铺装层的修复材料也是目前国内外纤维混凝土较为成功的领域。钢纤维增强钢筋网混凝土是由钢筋、钢纤混凝土复合而成的高性能混凝土材料，简称为SFRC，研究表明，钢纤维混凝土具有比钢筋混凝土更为优良的抗拉性能、抗裂度，其耐磨性能，其韧性和疲劳性能为同等级普通混凝土的数倍，在公路、机场、桥梁、建筑等工程领域得到广泛的应用。大量工程实践证明，钢纤维增强钢筋混凝土大大提高了桥面铺装的抗裂度、耐磨耐久性，延长桥梁的使用寿命。采用钢纤维增强钢筋混凝土作为桥面铺装对于减少桥面铺装病害效果明显，有着良好的经济效益。2.1 钢纤维混凝土的力学强度2.1.1 抗压强度钢纤维混凝土虽受压强度较普通混凝土增加不明显，但受压韧性却大幅度提高了。这是由于钢纤维的存在，增大了试件的压缩变形，提高了受压破坏时的韧性。从宏观上呈现，钢纤维混凝土受压破坏时，没有明显的碎块或崩落，仍保持这整体性。2.1.2抗剪强度钢纤维混凝土具有优异的抗剪性能，对提高钢筋混凝土结构抗剪能力有重要意义。通常在钢筋混凝土的构件中，其抗剪承载力主要靠箍筋和弯起钢筋承担，这些筋多了，不仅要提高工程投资，而且施工很不方便，尤其对薄壁、抗震结构和复杂形状的特种结构，问题则尤为突出。因此采用钢纤维混凝土是提高结构抗剪能力的有效途径。2.1.3抗弯强度钢纤维混凝土的抗弯强度，随着纤维掺量的增加而提高。钢纤维混凝土等级提高，使抗弯强度提高明显。在弯曲荷载作用下，钢纤维混凝土受拉区开裂，中性轴向上移，受拉区仍有部分纤维与基材的粘结力承受拉力，增加韧性，提高了混凝土的抗弯强度。而普通混凝土则很快发生断裂，以致脆性破坏。2.2钢纤维混凝土的韧性和抗裂性韧性是在材料受压破坏前吸收能量的性质。抗裂性是指钢纤维在脆性混凝土基体中减少裂缝和阻滞裂缝进一步发展的性质。钢纤维混凝土具有很好的韧性和抗裂性。钢纤维混凝土的韧性随着钢纤维数量的增加而大幅度提高，同时与纤维和基材的粘结力有关。基材强度提高，纤维混凝土的韧性也相应提高。2.3钢纤维混凝土的抗冲击性能在动荷载作用下，钢纤维混凝土在裂缝扩展时，首先是钢纤维克服基材的粘结力而被拔出，或是钢纤维达到屈服强度而被拉断。这都需要消耗大量的能量。因此，钢纤维混凝土能提高抗冲击性能。若采用剪切钢纤维制成试件，跨度为，钢纤维混凝土等级为CF55时，采用水泥硬练重锤冲击。当纤维掺量为0.5%时，耐冲击次数为素混凝土的34倍；纤维掺量为1%时，耐冲击次数为1112倍；纤维掺量为1.5%时，耐冲击次数为2122倍。可见，钢纤维混凝土的耐冲击性能随着纤维掺量的增加而大幅度提高。2.4钢纤维混凝土的抗疲劳性能钢纤维明显改善了混凝土的弯曲疲劳性能。若CF80钢纤维混凝土与普通混凝土相比，当钢纤维掺量为1%时，200万次疲劳极限可提高10%；当钢纤维掺量为1.5%时，疲劳极限可提高15%。当疲劳应力比为0.7时，对钢纤维掺量1%的钢纤维混凝土，疲劳寿命可延长。2.4钢纤维混凝土的抗冻融性能钢纤维混凝土在冻融循环过程中，由于温度的变化，在混凝土内形成温度应力场。钢纤维混凝土的基体组成部分的热膨胀系数不同，在温度应力作用下变形不协调，导致在混凝土内部界面产生拉应力，影响了界面的黏结性状。钢纤维体积率的增大，增加了混凝土内的界面，这些界面是混凝土的薄弱环节。当冻融次数不大时，钢纤维与砂浆的黏结性状良好，钢纤维能有效地发挥阻裂增强作用，减少裂缝源的数量和裂缝的宽度。所以，在冻融次数较低时，随钢纤维体积率的增加，使混凝土强度下降的幅度降低。3 桥面铺装病害实例江阴大桥南接线引桥725m预应力连续箱梁桥在检查中发现梁体裂缝较多，箱梁底板有水渗出，进入箱室内，发现顶板底面存在较多裂缝，水迹明显，裂缝处混凝土多处有白色析出物，显然，桥面铺装已损坏，裂缝已裂穿顶板，梁体渗水腐蚀桥梁混凝土和钢筋，危害桥梁结构安全。为确保桥梁安全，在对桥梁进行整体加固的同时，对桥面铺装进行了改造，凿除原调平层，铺设8cm. 钢纤维混凝土，以阻止水对主梁钢筋混凝土的侵袭。4 桥面铺装改造方案4.1桥面改造方案的选择目前桥面改造可选择的方案有普通钢筋混凝土、聚合物混凝土、钢纤维混凝土等。普通钢筋混凝土价格虽最便宜，其使用性能却最差，江阴大桥南接线引桥725m预应力连续箱梁桥1999年通车后仅5年就发现桥面铺装破损严重；而钢纤维市场价格约4000元7000元/吨，按照1%的2%的添加量，钢纤维混凝土约比普通钢筋混凝土价格高20%上下，但使用性能却大不相同；聚合物混凝土用于混凝土薄层修补，有成功也有失败的事例，而且价格较高，仅聚合物砂浆市场价就达3000元/吨。根据以上分析结合桥梁检测情况，提出桥面铺装改造方案：清除旧桥面铺装，混凝土裂缝灌浆处理，对混凝土缺陷用环氧砂浆修复；通过顶板顶面混凝土植筋后焊接，铺设12钢筋网，刷涂混凝土界面剂，浇筑8cm钢纤维混凝土，喷涂聚合物沥青防水层后摊铺SMA-13沥青混凝土路面。5 SFRC配合比设计5.1 SFRC桥面铺装设计要求本工程采用剪切异型钢纤维混凝土，同时适当考虑早强、微膨胀。钢纤维增强钢筋网混凝土桥面铺装控制标准为：混凝土标号为C50，3d达到如下指标1.混凝土达到设计强度的70%；2.混凝土抗拉强度大于5.0 Mpa；3. 混凝土抗折强度大于4.0 Mpa，钢纤维混凝土采用商品混凝土，坍落度为15cm为宜。5.2 原材料选用（1）钢纤维剪切异型钢纤维，单丝抗拉强度不低于600 Mpa。（2）UEA-H混凝土膨胀剂UEA-H混凝土膨胀剂为多功能外加剂，兼有早强和减水功能，无须添加其他外加剂。UEA-H混凝土膨胀剂除应满足混凝土外加剂应用技术规范（GB501192003）的要求，其在混凝土水中14d限制膨胀率应大于0.015%。（3）混凝土界面剂混凝土界面剂是高分子聚合物水分散体，加入水泥后成为聚合物水泥砂浆。混凝土界面剂具有优异的粘结、防渗、防腐、防裂、耐老化等性能，适合潮湿界面的粘结，与基础混凝土温度适应性很好。5.3 原材料配合比原材料配合比设计结果参见表1 原材料配合比设计（kg/m3） 表1 水泥钢纤维中砂512mm级配碎石UEA-H混凝土膨胀剂水423.278.5700105048.93193.526 桥面铺装改造施工要点江阴大桥南接线引桥725m预应力连续箱梁桥桥面铺装改造施工顺序为：清除旧桥面铺装混凝土病害处理混凝土植筋及铺设12钢筋网刷涂混凝土界面剂浇筑8cm钢纤维混凝土喷涂聚合物沥青防水层摊铺沥青混凝土路面。6.1 原桥面铺装清除原桥面铺装清除时应注意保护梁体，原支撑桥面钢筋片网支撑钢筋，予以保留，以备后用；施工不可避免切断桥面泄水管，后期予以恢复。6.2钢筋网施工6.2.1 植筋植筋位置与原结构钢筋位置重合，应将植筋位置适当移动，避免钻孔时破坏原结构钢筋。植筋深度不大于设计深度0.5cm，不得随意增大孔径，防止超钻、偏钻现象的发生。6.2.2 钢筋网布设为确保钢筋网定位准确，保证钢筋刚度，钢筋布置间距为纵横15cm，钢筋网按梅花状布置。钢筋网焊接时应满足钢筋焊接长度要求。6.3混凝土界面剂6.3.1混凝土界面剂净浆配比混凝土界面剂要求使用32.5以上硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，混凝土界面剂净浆配比为界面剂：水泥=1：2（重量比），搅拌成浆，净浆硬化前铺筑钢纤维混凝土。6.3.2施工环境、使用要求混凝土界面剂施工环境温度要求大于5，；混凝土界面剂施工前须清除基底表面杂物，并对基面人工凿毛12mm，然后用清水冲洗干净（但不应有积水），在修补区边缘凿一道32 cm深的齿槽，以增加新旧混凝土的粘结。混凝土界面剂要求即伴即用，每次要求在3045min内使用完毕。6.4 UEA-H混凝土膨胀剂UEA-H混凝土膨胀剂与水泥、砂石等同时搅拌，搅拌时间比普通混凝土延长1min。6.5钢纤维为确保钢纤维在混凝土中分布均匀，应采用合适的钢纤维分散机和强制式搅拌机配套使用的拌合系统，以保证拌合料质量和效率。钢纤维混凝土搅拌应均匀，如发现混凝土内有钢纤维“结团”现象，应废弃不用。6.6 钢纤维混凝土浇筑6.6.1振捣滚压钢纤维混凝土浇筑时间先用平板振捣器振捣密实，再用振动梁振捣整平；用表面带凸棱的金属圆滚将石子和竖起的钢纤维压下，再用金属圆滚滚压平整，待钢纤维混凝土无泌水时用抹刀抹平，经修整后的混凝土表面不得裸露钢纤维，不应留有浮浆。6.6.2钢纤维混凝土表面拉毛抹平的表面在初凝前拉毛处理，拉毛时不得带出钢纤维，拉毛工具使用刷子和压辊，不得使用木刮板、粗布路刷和竹扫帚。6.6.3钢纤维混凝土平整度控制及养生钢纤维混凝土平整度控制在5mm以内。膨胀混凝土务必充分养生，新浇混凝土不能受阳光直接照射，确保混凝土早期潮湿状态是发挥膨胀混凝土效应的关键，采用塑胶薄膜覆盖进行保温、保水养生，养生时间不少于7d。7 桥面铺装改造效果江阴大桥南接线引桥725m预应力连续箱梁桥桥面铺装改造与整体加固于2005年5月至9月同时实施。桥面铺装改造完成后的5年内，经多次桥梁检查，未发现梁体渗水现象，且钢纤维混凝土与SMA-13沥青混凝土路面结合也很良好，桥面铺装改造取得了预期的效果。8 钢纤维增强钢筋网混凝土桥面铺装应用评价江阴大桥主线收费站车道混凝土路面与南接线引桥725m预应力连续箱梁桥桥面铺装改造差不多同时进行，主线收费站车道混凝土路面修补采用了普通钢筋混凝土，使用期限不超过半年就重新维修，而南接线引桥725m预应力连续箱梁桥桥面铺装至今完好。工程实践证明了钢纤维混凝土的抗剪、抗弯、抗裂、抗冲击、耐疲劳等性能的优越性。9结语混凝土桥梁桥面铺装层破损现象在已建钢筋混凝土桥梁中比较常见，因桥面铺装损坏而且引发主梁病害，形成桥梁结构安全隐患的也不鲜见。桥面铺装破损的修复工作较复杂，且对交通有一定影响，因此在桥梁建设期，设计、施工均应对桥面铺装加以重视，以减少桥梁运营后维护成本和对交通的影响。钢纤维混凝土抗拉、抗裂、耐磨、韧性和耐疲劳等性能优越，在桥面铺装中的应用非常成功，价格也相对不高，具有一定的经济、技术优势。本工程和大量工程实例的成功应用表明，采用钢纤维混凝土作为混凝土桥梁桥面铺装层，严格按规范、设计要求施工，可大大减少桥面铺装病害，提高桥梁耐久性。参 考 文 献1.CECS3892，钢纤维混凝土结构设计与施工规程.S2.GB501192003，混凝土外加剂应用技术规范.S3蒋应军，刘海鹏，王琪等.钢纤维混凝土