摘要:鋼纖維混凝土可提高路面的抗裂、抗折、抗疲勞等各項(xiàng)強(qiáng)度,改善路面的使用性能,延長(zhǎng)路面的使用壽命。介紹了鋼纖維混凝土在路面翻修中的應(yīng)用實(shí)例,詳細(xì)分析了鋼纖維混凝土配合比的設(shè)計(jì)過程,并通過試驗(yàn)獲得最佳配合比。鋼纖維混凝土在道路翻修項(xiàng)目中具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,值得廣泛推廣。
關(guān)鍵詞:鋼纖維混凝土;混凝土配合比;路面翻修;立交橋
中圖分類號(hào):U418. 6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào): 1672- 0032 (2007) 04- 0034- 04
河南省平頂山市西環(huán)路(也稱西斜路)與平頂山礦區(qū)鐵路有一座下穿式立交橋,西環(huán)路既是平頂山市的城市主干道,又是平頂山礦區(qū)煤炭運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ?因此該路的行車荷載和行車密度越來越大,并且立交橋又位于礦區(qū)的塌陷區(qū),橋下道路在行車和塌陷的雙重影響下,水泥混凝土路面的損壞情況日趨嚴(yán)重。在進(jìn)行翻修前,選擇4個(gè)方案進(jìn)行比較。方案1:把原水泥混凝土路面挖掉,重新鋪設(shè)水泥混凝土路面;方案2:在原路面上加鋪瀝青混凝土路面;方案3:在原路面上加鋪鋼纖維混凝土路面;方案4:把原水泥混凝土路面挖掉,重新鋪設(shè)鋼纖維混凝土路面。方案1的投資較高、施工時(shí)間長(zhǎng),并且改變不了原來路面受損壞的狀況;方案2的投資較少、施工時(shí)間較短,但瀝青路面強(qiáng)度較低,并且橋下容易積水,積水會(huì)破壞瀝青路面,因此瀝青路面的使用效果不會(huì)比原來好,并且橋下凈空受到限制;方案3的投資高、施工時(shí)間較長(zhǎng),但鋼纖維混凝土可提高路面的抗裂性、抗彎曲、耐沖擊和耐疲勞性,又可改善路面的使用性能,但橋下凈空受到限制;方案4的投資高、施工時(shí)間長(zhǎng),但可徹底改變?cè)访娴碾[患。通過以上4種方案的比較,確定方案4為本次翻修方案。
1 施工材料與配合比設(shè)計(jì)
鋼纖維混凝土( Steel Fiber Rein - Forced Concrete, SFRC)是在普通水泥混凝土中隨機(jī)摻入亂向分布的短鋼纖維形成的一種新型多相復(fù)合材料。這些亂向分布的短纖維的主要作用是阻礙混凝土內(nèi)部微觀裂縫和宏觀裂縫的發(fā)生與發(fā)展,顯著提高了混凝土的抗裂、抗折、抗疲勞等各項(xiàng)強(qiáng)度,彌補(bǔ)了普通水泥混凝土的不足,成為普通混凝土良好的改性材料。我國(guó)從20世紀(jì)70年代初期開始進(jìn)行鋼纖維混凝土路面的研究工作,室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果證明:鋼纖維混凝土對(duì)減小路面厚度、延長(zhǎng)路面的使用年限有著重要的意義,具有很高的路用性能[ 1 ] 。
1. 1 材料
材料包括: 525號(hào)普通硅酸鹽水泥;河南省葉縣沙河中的河砂,其細(xì)度模數(shù)為2. 50,屬中粗砂,含泥量< 2%;質(zhì)地堅(jiān)硬的石子,最大粒徑不大于20 mm,含泥量< 1%;天然無污染水或飲用水;剪切異型鋼纖維,長(zhǎng)度為25～30 mm,直徑為0. 4～0. 7 mm,抗裂強(qiáng)度不低于400MPa,長(zhǎng)徑比為50～70。
1. 2 配合比設(shè)計(jì)
鋼纖維混凝土雖已在各種工程領(lǐng)域得到應(yīng)用,但尚未有合理而成熟的鋼纖維混凝土拌合料的配合設(shè)計(jì)方法,在應(yīng)用中大多仍按普通水泥混凝土的配合比設(shè)計(jì)法,根據(jù)使用要求,確定拌合料的水灰比、鋼纖維體積率、單位用水量和砂率等4個(gè)基本參數(shù),由此,即可計(jì)算出各組成材料的用量[ 2 - 3 ] 。在確定基本參數(shù)時(shí),既要滿足路面的抗壓強(qiáng)度要求,又要符合抗折強(qiáng)度要求,以及和易性、經(jīng)濟(jì)性等要求。
1)水灰比m (W) /m (C)的確定
計(jì)算水灰比的公式為
ffcu =ARc (m (C) /m (W) - B ) , (1)
式中 ffcu為鋼纖維混凝土試配抗壓強(qiáng)度,MPa,可由鋼纖維混凝土設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度(35MPa) 、保證率系數(shù)和抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差來確定,取44. 84MPa; Rc 為實(shí)測(cè)525水泥28 d的抗壓強(qiáng)度,取57. 3MPa; A, B 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),當(dāng)粗骨料為碎石時(shí),A = 0. 46,B = 0. 52。將以上數(shù)據(jù)代入式(1) ,得水灰比m (W) /m (C) = 0. 45 < 0. 5,滿足要求。
2)鋼纖維體積率(ρf )的確定
計(jì)算鋼纖維體積率的公式為
fftm = Rtm (0. 12m (C) /m (W) + 0. 31 +βtmρf lf / df ) , (2)
式中 fftm為鋼纖維混凝土試配抗折強(qiáng)度,可由鋼纖維混凝土設(shè)計(jì)抗折強(qiáng)度( 6. 5 MPa) 、保證率系數(shù)和鋼纖維混凝土抗折強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差來確定,取7. 5MPa; Rtm為實(shí)測(cè)水泥28 d的抗折強(qiáng)度,取7. 9 MPa;βtm為不同品種鋼纖維混凝土對(duì)抗折強(qiáng)度的影響系數(shù),取0. 62; lf / df為鋼纖維長(zhǎng)細(xì)比,取60;將以上數(shù)據(jù)帶入式(2) ,得鋼纖維體積率ρf =0. 01,則鋼纖維單位體積用量F0 =0. 01 ×7 800 =78 kg/m3。
3)鋼纖維混凝土單位體積用水量m (W0 )和水泥用量m (C0 )的確定
根據(jù)參考文獻(xiàn)[ 3 ] ,本工程維勃稠度為15 s,則單位體積用水量應(yīng)為182 kg;考慮碎石最大粒徑為20 mm,應(yīng)減少用水量5 kg;鋼纖維體積率1. 0%,用水量不增減;合計(jì)單位體積用水量應(yīng)為182 - 5 =177 kg/m3。根據(jù)已確定的水灰比m (W) /m (C) = 0. 45和單位體積用水量m (W0 ) = 177 kg/m3 ,可求得單位體積水泥用量為: m (C0 ) =m (W0 ) / (m (W) /m (C) ) = 177 /0. 45 = 393 kg/m3。
4)鋼纖維混凝土砂率Sp 的確定
根據(jù)參考文獻(xiàn)[ 3 ] ,因鋼纖維的長(zhǎng)細(xì)比為60,增加10,砂率應(yīng)增加5%;鋼纖維體積率為1. 0%,砂率不增減;水灰比為0. 45,減少0. 05,砂率應(yīng)減少1. 0%;砂細(xì)度模數(shù)為2. 50,減少0. 5,砂率應(yīng)減少5%;合計(jì)砂率為Sp = 50% + 5% - 1% - 5% = 49%。
5)鋼纖維混凝土單位體積砂用量m ( S0 )和石子用量m (G0 )的確定
已知公式m (W0 ) /γw +m ( F0 ) /γf +m (C0 ) /γc +m ( S0 ) /γs +m (G0 ) /γg + 10α = 1 000, (3)式中 m (W0 ) ,m ( F0 ) ,m (C0 ) ,m ( S0 ) ,m (G0 )分別為1 m3 鋼纖維混凝土中水、鋼纖維、水泥、砂和石子的質(zhì)量, kg/m3 ;γw ,γf ,γc ,γs ,γg 分別為水、鋼纖維、水泥、砂和石子的密度,分別為: 1. 0, 7. 8, 3. 1, 2. 65, 2. 7,g/ cm3 ;α為鋼纖維混凝土中氣體的體積分?jǐn)?shù),可取2%。又知m ( S0 ) / (m ( S0 ) +m (G0 ) ) = 49% , (4)將已知數(shù)據(jù)代入式(3) , (4) ,可求得m ( S0 ) = 873 kg/m3 ,m (G0 ) = 909 kg/m3。
6)鋼纖維混凝土配合比的確定
根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得到, 1 m3 鋼纖維混凝土的質(zhì)量配合比為: m (C0 ) ∶m (W0 ) ∶m ( S0 ) ∶m (G0 ) = 1∶0145∶2122∶2131,ρf = 110%。該配合比僅是初步確定的,為了符合實(shí)際,在水灰比和鋼纖維率不變的情況下,調(diào)整單位體積用水量(m (W0 ) = 180 kg/m3 )和砂率(46%) ,確定基準(zhǔn)配合比為m (C0 ) ∶m (W0 ) ∶m ( S0 ) ∶m(G0 ) = 1∶0145∶2103∶2139,ρf = 110%。按此配合比和調(diào)整后的配合比進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的試驗(yàn),見表1。
通過以上試驗(yàn),將4號(hào)的配合比作為最佳配合比。
2 施工
2. 1 施工程序
施工程序?yàn)?測(cè)量放樣→基層檢驗(yàn)和整修→支立模板→拌和混凝土→運(yùn)輸混凝土→攤鋪混凝土→平板振動(dòng)器振搗混凝土→振動(dòng)梁振搗拖平→鋼滾筒滾壓整平→表面整修→養(yǎng)生→接縫施工→拆?！钋犊p料。
2. 2 施工技術(shù)注意事項(xiàng)
在施工中,除應(yīng)滿足普通混凝土路面施工要求外,還應(yīng)注意以下事項(xiàng):
1)由于該道路為城市主干道,為不影響交通,道路橫向分2次施工,每次施工半幅路。首先,鑿除舊混凝土板,鑿除深度必須滿足原路面設(shè)計(jì)要求,原基層松動(dòng)部分也應(yīng)全部清除,清除后的基坑一律用C15貧混凝土進(jìn)行處理, C15貧混凝土的頂面標(biāo)高為原路面標(biāo)高減去鋼纖維混凝土厚度(12 cm) 。
2)由于鋼纖維混凝土的凝結(jié)時(shí)間短、硬化快,因此必須盡量加快施工速度。
3)施工期間,隨時(shí)檢測(cè)砂、石的含水量,調(diào)整施工配合比,保證既不使鋼纖維結(jié)團(tuán),又不能因灰比太大,振搗使鋼纖維豎向排列或下沉。
4)為避免鋼纖維在攪拌時(shí)出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象,可采用鋼纖維分布機(jī)和強(qiáng)制式攪拌機(jī)配套使用的拌合系統(tǒng)[ 4 ] ,攪拌時(shí)應(yīng)先干拌后濕拌,且每次的攪拌量宜在攪拌機(jī)公稱容量的1 /3以下。
5)由于鋼纖維混凝土面層厚度只有12 cm,并且插入式振搗器不利于鋼纖維的均勻和水平分布,故禁止使用振動(dòng)棒振搗。
6)整平后的面層,宜用金屬圓管滾壓,使表面的鋼纖維不外漏。
7)由于鋼纖維混凝土早期強(qiáng)度較高,故應(yīng)加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)。
8)路面切縫時(shí)間要以混凝土強(qiáng)度達(dá)到8～15MPa為宜[ 5 ] ,過早會(huì)因鋸片振動(dòng)引起鋼纖維與水泥粘結(jié)松動(dòng),形成不可愈合的早期破壞;過晚則易引起混凝土先行收縮而開裂。橫縫間距取15 m。
3 結(jié) 語
該路面采用鋼纖維混凝土翻修后,路面質(zhì)量顯著提高,至今2 a未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫或剝落現(xiàn)象。與普通水泥混凝土路面相比,采用鋼纖維混凝土修復(fù)路面,雖然翻修成本較高,但可以保證路面質(zhì)量、延長(zhǎng)路面的使用壽命、節(jié)省養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用和保障車行暢通,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
鋼纖維混凝土是一種新興的建筑材料,有關(guān)它的使用與研究也在不斷地深入,隨著材料科學(xué)的不斷進(jìn)步、施工工藝的不斷完善,鋼纖維混凝土以其優(yōu)良的特性,在各工程領(lǐng)域內(nèi)將有更廣闊的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn):
[ 1 ]趙國(guó)藩,彭少民,黃成逵. 鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)[M ]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 1999.
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[ 4 ]陸學(xué)元,張素云. 鋼纖維混凝土路面在穿城改造中的應(yīng)用研究[ J ]. 混凝土, 2006, (1) : 86- 89.
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