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道路橋梁施工中鋼纖維混凝土技術(shù)的應(yīng)用

2021-06-22 14:21張成進
運輸經(jīng)理世界 2021年28期
關(guān)鍵詞:鋼纖維滑模集料

張成進

(貴州興黔人才資源有限責任公司,貴州貴陽550001)

0 引言

鋼纖維混凝土是指將短鋼纖維均勻摻入普通混凝土中,形成一種全新且特殊的多相復合材料。通過適量添加鋼纖維,能起到阻礙裂縫產(chǎn)生及發(fā)展的作用,并能提高混凝土成型后的抗拉強度、抗彎強度、抗沖擊性能與抗疲勞性,表現(xiàn)出良好的延性。在道路橋梁工程建設(shè)中,鋼纖維混凝土被用于橋面鋪裝層,以某道路橋梁工程為例,對其鋪裝層施工中鋼纖維混凝土的具體應(yīng)用進行了深入分析。

1 鋼纖維的改善機理

鋼纖維在混凝土中均勻且無序的分布,其作用在于防止內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生與擴展,進而避免產(chǎn)生宏觀裂縫。在這種作用的支持下,無論是抗拉強度,還是由拉應(yīng)力進行控制的抗扭強度、抗剪強度及抗彎強度,都能得到有效改善。即便在混凝土產(chǎn)生裂縫時,鋼纖維依然可以在承載力上做出很大貢獻,抗拉強度只有在鋼纖維被取出時才會降低。另外,鋼纖維的添加還能改善混凝土的疲勞性能,包括抗彎與抗壓。通過試驗可知,如果鋼纖維混凝土遭到破壞,主要原因均為鋼纖維被拔出,而并非鋼纖維被拉斷。所以,改善基體和鋼纖維之間的黏結(jié)力,是保障鋼纖維混凝土發(fā)揮良好力學性能的關(guān)鍵。

通過大量的理論分析可知,鋼纖維受到的應(yīng)力與其長徑比、界面黏結(jié)強度為正比關(guān)系?;诖?,要想保證增強效果,首先要增加鋼纖維的長度和直徑比,其次要增強其與基體的黏結(jié)強度。然而,如果鋼纖維的長度和直徑比過大,則會影響混凝土的性能,表現(xiàn)為使和易性明顯降低,嚴重時甚至會導致鋼纖維結(jié)團,對拌和物的均勻性造成很大破壞,影響施工性能。由此可見,鋼纖維的長度和直徑比并非越大越好,而是要在合理的范圍內(nèi),并盡可能提高黏結(jié)強度,這是確保拌和物性能的關(guān)鍵所在。鋼纖維和基體的黏結(jié)強度,主要由鋼纖維的形狀決定。

2 對鋼纖維的要求

施工前,需明確對鋼纖維的各項要求,保證所用鋼纖維的性能和質(zhì)量都滿足施工要求。

第一,在道路橋梁工程中使用的鋼纖維,以冷拉鋼絲型鋼纖維或銑削型鋼纖維為宜。另外,為避免鋼纖維結(jié)團,還應(yīng)考慮鋼纖維自身的結(jié)團性質(zhì)。

第二,按照相關(guān)的技術(shù)規(guī)程,為了使鋼纖維混凝土的各項力學性能達到最佳,例舉的工程中所選的鋼纖維為冷拉鋼絲型,其長度在50mm 左右,長度和直徑比在80 左右。有效抗拉強度可以達到1000MPa以上[1]。

第三,從每批鋼纖維中隨機抽取10 根進行彎折試驗,若10 根樣品中有不少于9 根不被折斷,則認為這一批鋼纖維的彎折性能合格。具體的彎折試驗方法為:將樣品圍繞在3mm 直徑的圓形鋼棒上,用手將鋼纖維朝相對容易彎折的方向進行彎折,直到彎折角度達到90o。

第四,長度偏差應(yīng)控制在公稱長度的±5%以內(nèi);直徑或等效直徑的偏差要控制在公稱直徑的±10%以內(nèi);長度和直徑比的偏差則要控制在公稱值的±15%以內(nèi)。

第五,鋼纖維的表面應(yīng)保持光潔,沒有缺陷、油污及水泥基,否則將對其增強效果造成很大影響。將鋼纖維中由于加工導致的黏結(jié)、銹蝕、雜質(zhì)等的含量,控制在其總量的±1%以內(nèi)[2]。

3 配比的要求與設(shè)計

3.1 配比要求

3.1.1 根據(jù)既有工程的施工經(jīng)驗,當選擇冷拉鋼絲型進行施工時,其摻量以25~30kg/m3為宜,但具體的摻加數(shù)量還應(yīng)結(jié)合相關(guān)的試驗來確定。

3.1.2 采用鋼纖維增強的混凝土,其粗骨料粒徑不能超過25mm。

3.1.3 單位體積水量,要以設(shè)計提出的稠度要求為依據(jù)進行確定。一般情況下,每摻加總體積5%的鋼纖維,需要增加7kg 左右的用水量,同時提高2%的砂率。此外還要注意,如果混凝土中摻加了外加劑,則要充分考慮其可能造成的影響。

3.1.4 以混凝土的抗壓強度要求為依據(jù),確定適宜的水灰比范圍。

3.1.5 采用鋼纖維增強的混凝土,其坍落度需要比一般的混凝土小,而維勃稠度則可以和一般的混凝土完全相同。

3.2 配比設(shè)計

3.2.1 設(shè)計原則

鋼纖維混凝土的配比設(shè)計方法和普通混凝土基本相同,要求在保證抗彎拉強度的基礎(chǔ)上,符合路面施工提出的各項要求[3]。

3.2.2 設(shè)計指標

鋼纖維混凝土配合比的控制性指標包括:水灰比應(yīng)控制在0.47 以內(nèi);砂率應(yīng)保持在38%~50%的范圍內(nèi);水泥劑量應(yīng)保持在400~480kg/m3的范圍內(nèi);坍落度應(yīng)保持在3~5cm 之間。

結(jié)合鋼纖維混凝土自身及施工特點,確定如下試驗室配合比:

1#配合比:水灰比為0.40,水泥∶水∶(4.75~9.5mm)粗集料∶(9.5~19mm)粗集料∶砂∶外加劑∶鋼纖維=440∶177∶449∶675∶778∶5.76∶0∶45,實測坍落度為45mm。

2#配合:水灰比為0.40,水泥∶水∶(4.75~9.5mm)粗集料∶(9.5~19mm)粗集料∶砂∶外加劑∶鋼纖維=440∶177∶446∶671∶774∶5.76∶30,實測坍落度為42mm。

3#配合比:水灰比為0.40,水泥∶水∶(4.75~9.5mm)粗集料∶(9.5~19mm)粗集料∶砂∶外加劑∶鋼纖維=440∶177∶445∶669∶771∶5.76∶40,實測坍落度為42mm。

4#配合比:水灰比為0.40,水泥∶水∶(4.75~9.5mm)粗集料∶(9.5~19mm)粗集料∶砂∶外加劑∶鋼纖維=440∶177∶444∶667∶769∶5.76∶50,實測坍落度為41mm。

3.3 拌和物的性能

銑削型鋼纖維的表面較為粗糙,如同砂皮。所以,它和水泥漿體之間的黏結(jié)相對牢固,能有效減少或避免塌邊。通常,當采用銑削型鋼纖維時,坍落度比常規(guī)混凝土低20mm 左右,且采用攤鋪機完成攤鋪與振動后,其具有和常規(guī)混凝土大致相同的黏聚性。

鋼纖維混凝土達到硬化后的性能為:

其一,在彎拉強度方面,1#配合比28d 齡期,彎拉強度為5.56MPa;2#配合比28d 齡期,彎拉強度為6.48MPa;3#配合比28d 齡期,彎拉強度為6.94MPa;4#配合比28d 齡期,彎拉強度為7.42MPa。根據(jù)以上實測結(jié)果可知,按照30~50kg/m3的用量添加鋼纖維,能使混凝土28d 齡期的彎拉強度提升15%~35%。

其二,在抗沖擊性方面,將沖擊次數(shù)作為沖擊強度,1#配合比沖擊次數(shù)為21 次;2#配合比沖擊次數(shù)為69 次,與未添加鋼纖維時相比,提高了3.3 倍;3#配合比沖擊次數(shù)為88 次,與未添加鋼纖維時相比,提高了4.2 倍;4#配合比沖擊次數(shù)為106 次,與未添加鋼纖維時相比,提高了5.0 倍。根據(jù)以上實測結(jié)果可知,按照30~50kg/m3的用量添加鋼纖維,能使混凝土的抗沖擊強度提高3~5 倍。

其三,在抗干縮開裂方面,在連續(xù)養(yǎng)護28d 的水穩(wěn)基層表面澆筑尺寸為(30×50×5)cm 的常規(guī)混凝土板和按照50kg/m3摻量添加鋼纖維的混凝土板,然后用碘弧燈照射,并用風扇使板快速失水。在這一過程中,通過觀察確定開裂時間。常規(guī)混凝土板24h 裂縫數(shù)量為5 條,裂縫總長度為51cm,48h 裂縫數(shù)量為7條,裂縫總長度為82cm;鋼纖維混凝土板24h 裂縫數(shù)量為1 條,其長度為7cm,48h 裂縫數(shù)量為2 條,其總長度為18cm。根據(jù)以上實測結(jié)果可知,鋼纖維的添加能延緩裂縫的產(chǎn)生,且裂縫的數(shù)量與長度均有所減少。

其四,在耐磨性方面,主要采用水泥膠砂耐磨試驗機進行試驗[4]。試驗開始前,應(yīng)先將試件放入60oC烘箱,烘干到重量保持恒定,然后采用試驗機連續(xù)磨削50 轉(zhuǎn),并對試件因磨削而損失的數(shù)量進行計算,據(jù)此對試件的耐磨性進行描述與評價。常規(guī)混凝土的單位面積磨削量為5.83g,而鋼纖維混凝土的單位面積磨削量則為4.42g??梢?,相較于常規(guī)混凝土,鋼纖維混凝土具有更好的耐磨性。

4 施工工藝

4.1 拌和

在鋼纖維混凝土拌和過程中,應(yīng)注意以下幾個方面:

其一,在拌制、生產(chǎn)鋼纖維混凝土的過程中,應(yīng)將鋼纖維連同粗細骨料一同添加至攪拌機。

其二,相較于普通混凝土,鋼纖維混凝土要多拌20~30s,其目的在于保證鋼纖維在混凝土中分布均勻,不會結(jié)團。

其三,安排專人對鋼纖維的實際摻加量與配合比進行嚴格控制,以達到預期的增強效果和質(zhì)量[5]。

其四,拌和時應(yīng)對不同原材料進行的稱量,結(jié)果偏差要符合下列要求:稱量鋼纖維、水泥與外加劑時,其偏差要控制在±2%以內(nèi);稱量粗細骨料時,其偏差要控制在±3%以內(nèi);而稱量水時,其偏差要限制在±1%以內(nèi)。

4.2 攤鋪、振搗與整平

鋼纖維混凝土的布料及攤鋪,不僅要滿足一般混凝土的布料及攤鋪要求,還需要滿足以下特殊要求:

其一,鋪裝層的層厚一般取10cm,偏差要控制在-5~+10mm 的范圍內(nèi)。

其二,無論施工中使用何種機械或方法進行布料及攤鋪,都應(yīng)保證鋼纖維的實際分布達到均勻和連續(xù),在一個面板的范圍內(nèi)進行布料和攤鋪時,不能中斷。

其三,布料時,具體的松鋪高度要通過試驗性攤鋪來確定,通常要比一般的混凝土高10mm。

其四,墩臺上一般設(shè)有伸縮縫,在此處進行鋪裝時,要預留一定的寬度暫不澆筑,待伸縮縫安裝好后,再使用強度滿足要求的混凝土將預留槽澆筑飽滿[6]。

其五,施工縫分為橫向縫和縱向縫,這兩種縫應(yīng)形成一個標準的垂直面,同時要在預留槽內(nèi)實施施工縫的布置。

其六,考慮鋼纖維混凝土中含有鋼纖維,故振搗不能用插入式振搗棒,這一點和一般的混凝土完全不同。施工中使用的機械和方法,既要使混凝土振實,又要避免破壞鋼纖維的分布,在從表面向下30mm 的范圍內(nèi),混凝土中的鋼纖維應(yīng)盡量呈平面。在振搗結(jié)束后,要用3m 直尺實施平整度的檢測,一般不能超過3mm。

其七,拌和物從出料到結(jié)束攤鋪的時間應(yīng)達到以下要求:第一,當施工氣溫為5~9oC 時,從拌和物出料到運輸?shù)綀?,滑模與軌道所需要的時間不能超出1.25h,三輥軸機組所需要的時間不能超出1.0h;從出料到完成鋪筑,滑模與軌道所需要的時間不能超過1.5h,三輥軸機組所需要的時間不能超出1.25h。第二,當施工氣溫為10~19oC 時,從拌和物出料到運輸?shù)綀?,滑模與軌道所需要的時間不能超出0.75h,三輥軸機組所需要的時間不能超出0.5h;從出料到完成鋪筑,滑模與軌道所需要的時間不能超過1.0h,三輥軸機組所需要的時間不能超出0.75h。第三,當施工氣溫為20~29oC 時,從拌和物出料到運輸?shù)綀?,滑模與軌道所需要的時間不能超出0.5h,三輥軸機組所需要的時間不能超出0.35h;從出料到完成鋪筑,滑模與軌道所需要的時間不能超過0.75h,三輥軸機組所需要的時間不能超出0.5h。第四,當施工氣溫為30~35oC時,從拌和物出料到運輸?shù)綀?,滑模與軌道所需要的時間不能超出0.35h,三輥軸機組所需要的時間不能超出0.25h;從出料到完成鋪筑,滑模與軌道所需要的時間不能超過0.5h,三輥軸機組所需要的時間不能超出0.35h[7]。

其八,攤鋪時,不可由于拌和物干澀而私自加水,必要時可使用噴霧的方法避免其表面水分的大量蒸發(fā)。

4.3 抗滑溝槽

抗滑溝槽的制作方法以硬刻槽法為宜,也可使用滾式拉槽器進行制作??刂茰喜鄣纳疃?~5mm,相鄰兩個溝槽之間的距離則需按照30~50mm 進行控制。在施工中,要精確掌握制槽時間,在防止表面破損的同時,使構(gòu)造深度滿足設(shè)計要求。

4.4 養(yǎng)護

與一般的混凝土相同,鋼纖維混凝土也需要通過薄膜覆蓋與灑水相結(jié)合的方法進行養(yǎng)護,養(yǎng)護的持續(xù)時間應(yīng)達到7d 以上,但要注意不可圍水養(yǎng)護[8]。

5 結(jié)語

綜上所述,在道路橋梁施工過程中,通過對鋼纖維混凝土的合理應(yīng)用,能有效改善混凝土的各項性能,延長道路橋梁的使用壽命。通過對上述施工要求的執(zhí)行及對施工技術(shù)的應(yīng)用,該工程不僅順利完成施工,而且取得了良好的效果,值得類似道路橋梁工程中的鋼纖維混凝土施工參考借鑒。

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