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钢纤维砼在市政工程中的应用

提要：本文就钢纤维砼在国内外发展应用的情况作了简单的介绍，并详细说明了我公司在该领域所做的研究和成果。
钢纤维砼具有比普通砼更优良的物理力学性能，在市政工程中有着广泛的应用前景。以往它应用于商品砼生产中存在纤维不易分布均匀，坍落度小，难以运输等难点。合理选择材料，特别是钢纤维品种，调节配合比，可使其应用于市政工程中，适应商品砼生产、运输和泵送施工。
关键词：钢纤维 钢纤维砼 配合比 工艺 应用
一、概况：
钢纤维砼是60年代在国外开始提出并申请专利的，最早的实用性研究报告是1963年J.P.Romualdi所做的。经过广大学者、研究人员的广泛细致的研究，钢纤维砼作为一种较佳的纤维复合材料已得到了广泛认可，国外已在许多工程中加以运用。根据试验室与工程运用的情况，美、英、日等国家相应制定了本国关于钢纤维砼的试验、应用检测的有关标准。
我国也早就开始了这方面的研究工作，并取得了一定成果，制定了有关标准，也在一些工程中加以了运用。
目前，国内外运用钢纤维砼的领域主要在以下方面：
1、隧洞衬砌和护坡：
此领域主要采用喷射钢纤维砼。较之传统工艺，它具有节省断面、强度高、韧性好、施工简便、成本少的优点。挪威国内隧洞衬砌工程的60%工程量采用此方法，我国浙江齐溪电站输水隧洞也采用了此方法 。
2、路面、桥面、机场跑道：
此领域使用主要包括新建和修补工程，由于钢纤维砼的良好抗裂性、弯曲特性、耐冲击性、耐疲劳性，可使面层厚度减少，伸缩缝间距加长，维修费用降低、寿命延长。上海虹桥机场由我公司进行了钢纤维砼施工，迄今该工程情况良好。德国法兰克福机场也有运用。
3、桥梁结构和铁路轨枕：
此领域运用较少，工程项目有四川省大足县珠溪河桥及石太线上一段曲线轨道。
4、水工建筑物：
此领域主要为提高坝面抗渗、抗裂性能及高速水流作用部位的增强。如美国贝利泄洪洞、美国莫纽门特水闸坝、浙江省百丈涧高压引水洞和姚岭水库坝面以及葛洲坝泄水闸等。
5、港口和海洋工程 ：
由于担心海水环境下钢纤维砼的腐蚀问题，此领域应用仍在探索中，但已施工的工程如：Forsmark核电站、浙江半升洞码头靠船结构等目前情况良好。
6、建筑结构及制品：
此领域应用、试用种类很多，难以一一列举，但在运用中普遍钢纤维掺量较低，主要以抗震防爆，局部增强阻裂为目的，大规模使用和整体结构运用很少。
钢纤维砼之所以在短时期内能得到迅速发展，主要是它具有比普通砼更优良的性能(下表)。正因为此，钢纤维砼有着广阔的发展前景。但是，钢纤维砼的推广使用尚处于初始阶段，加强这方面的研究，将有助于钢纤维砼的推广应用。
项 目 钢 纤 维 砼 普 通 砼
抗压强度 1.0--1.3倍 1
早期抗裂 1.5--2.0倍 1
抗拉强度 1.5--1.8倍 1
抗弯强度 1.5--1.8倍 1
抗剪强度 1.5--2.0倍 1
耐 冲 击 5-- 10倍 1
韧 性 40--200倍 1
耐 久 性 抗冻融循环次数为4倍，耐腐蚀性略有提高，表面暴露的纤维有锈蚀。
耐 磨 性 1.4倍 1
二、钢纤维砼的技术特征：
研究表明，砼是由基相和分散相以及结合面组成的三相复合材料。由于砼是由多相材料复合而成，因而必然存在着结合面。由于浇注时砼的泌水作用和干燥期间水泥浆收缩受到硬骨料的限制，这些隐蔽的结合面就逐渐形成微裂缝，即“结合缝”。因此，剔除施工中造成的明显缺陷和使用中引起的变形破坏，就其原始状态而言，即使是浇注良好的砼，其本身也存在大量的“先天”裂缝和缺陷。在破坏时，应力集中于这些“先天”裂缝和缺陷中，使之稳定发展，最终形成砼的解体，反映在砼性能中，即砼是一种脆性材料，缺乏足够的韧性与延性。
钢纤维砼由于钢纤维的加入，使之成为纤维复合材料，根据复合材料的观点，钢纤维在试件破坏过程中承受了一部分荷载，起到了增强作用，从断裂力学观点来看，由于钢纤维的阻裂性能，使钢纤维砼在破坏之前有大范围的缓慢稳定裂缝扩展以及裂纹尖端存在微裂区或裂纹过渡区。在裂纹扩展过程中，将受到纤维阻挡而减慢发展或改变方向绕过去再被其他纤维阻挡。同时，开裂区的纤维提供拉拔阻力，阻裂纹扩张，从而使钢纤维砼产生“塑性”变化，钢纤维在这里减缓裂缝尖端应力起了抵消了裂缝处应力场强度因子集中的作用，即我们所说的阻裂增强效应。
三、生产钢纤维砼的技术难点：
由于我国在钢纤维砼的应用研究上尚处于一般水平，因而国内尚未大量推广使用。在过去的使用中，也发现了一些问题，如：纤维抱球起团严重，拌制中钢纤维不易分布均匀；钢纤维砼坍落度小，无法泵送施工；施工中振捣、平整难等，但是，在目前砼道路要求大大提高以及建筑结构自抗渗提法的广泛认同的情况下，钢纤维砼具有普通砼不可比拟的一些优良性能，再度引起了广泛注意。
市政道路使用的砼要求有较佳的抗折性能，耐冲击性能和耐磨性能。普通砼道面目前存在一些缺陷：道面砼抗折一般在5.0Mpa左右，且早期抗折较低。但市政道路施工普遍存在工期紧，道路开放快的特点，对道路砼要求有较佳的早期抗裂性能和良好的抗折性能。传统方法用普通砼施工，道路厚度较大，养护时间长，开放交通慢，维修工作量大，且存在路面粗糙度衰减快，耐冲击性能不佳的状况，而钢纤维应用于道路施工与普通砼相比有着良好的性能保证，有效改善了上述状况。
建筑结构自防水是近来提出的，在国外已有了广泛应用。由于砼自身中存在着缺陷，会有相当多的裂缝和连通孔，因而目前结构自防水性能较弱，只好用外防水来弥补，产生了费用大，维修工作量大的问题。提高结构自防水性能的方法，一种是利用一些添加剂来产生微膨胀，抵消砼内部收缩应力，减少微裂纹和连通孔的产生，使结构致密化，一种是改善微裂纹和孔结构，使之尺寸缩小，减少贯通可能。钢纤维砼由于钢纤维的阻裂作用，能有效改善砼内微裂纹和孔结构，并在一定程度上减少这些缺陷，因而应用于结构上，可加强结构自防水。同时，在大面积平板结构中，由于普通砼抗折性能不佳，易形成裂缝，且有一些是贯穿缝，对于结构自防水有着不良影响，钢纤维砼能有效改善这一情况，加强结构自防水。
从上可见，钢纤维砼的应用推广已迫在眉睫。
根据我公司在虹桥机场应用钢纤维砼中的经验教训，我们认为钢纤维砼用于商品砼生产，施工主要存在以下几个问题。
1、钢纤维易起球，拌制时难以分布均匀。
2、坍落度值普遍偏小，只研制出干硬性砼，难以适应商品砼的运输。
3、钢纤维砼泵送性能差，难以适应泵送施工。
4、钢纤维砼泵送施工后的养护及施工配合要求不详。
考虑到道路施工及结构施工的不同，研究工作分两步进行。
1、研制道路钢纤维商品砼，使之适应普通道路商品砼的生产、运输、施工，并试验研究钢纤维砼的有关性能，配制道路钢纤维砼。
2、在第一步基础上，完成泵送钢纤维砼的配制，使之能应用于结构施工，并提出生产与施工中注意事项。
四、钢纤维砼的配制：
1、原材料的选择：
a、钢纤维的选择：
钢纤维的品种主要分为四类：钢丝纤维，剪切纤维，熔抽纤维，铣削纤维。选择合适的钢纤维品种，对试验的成功与否有着重要的意义。由于钢纤维砼破坏时，大都是纤维被拔出而不是拉断，因此，改善纤维与基体间的粘结强度是改善纤维增强效果的主要控制因素之一。其方法有3种：
（1）增加纤维的粘结长度(即长径比)，但纤维太长易起球，影响和易性和施工，太细易弯折，长径比宜在40-100之间。
（2）改善基体对钢纤维的粘结性能。
（3）改善纤维形状，增加纤维与基体间的摩阻和咬合力。
根据上面三种方法，我们对四种纤维做了列表比较，从表中可看出铣削纤维有着较佳的综合性能，它是80年代研制成功且目前发展迅速的一种钢纤维，它可降低钢纤维用量，防止结球，易于施工，因此，我们选择哈瑞克斯铣削纤维。

纤维品种 方法一 方法二 方法三
钢丝纤维 长径比较大，易起团 表面有油，不利基体粘结 光滑表面，摩阻、咬合力较小
剪切纤维 同上 同上 同上
熔抽纤维 长径比合适，不起球 比面积大，利于粘结，只适于生产不锈钢纤维 表面粗糙，摩阻、咬合力较大
铣削纤维 长径比合适，不会抱球起团 表面无油，比表面积大，利于基本粘结 一面为毛面，头尾带钩，摩阻、咬合力大

b、其它材料：
根据实际情况，我们选定其它原材料如下：
水泥：泰立525普通水泥
石子：5-25cm连续级配
外加剂：WL-1，SP406
粉煤灰：Ⅱ级磨细灰
2、道路钢纤维砼配合比的配制：
根据常用道路砼强度等级，我们设计了C35、抗折6.0钢纤维砼配合比。钢纤维掺量分别为35kg、40kg、45kg。试验结果如下：
编 水泥 钢纤维 抗压强度 抗折强度 坍落度
号 kg/m3 (kg) 7d 28d 7d 28d (mm)
Ⅰ 380 / 25.7 42.2 3.80 5.35 65
Ⅱ 339 45 37.8 47.8 5.85 7.40 45
Ⅲ 339 40 35.3 46.7 5.37 6.19 55
Ⅳ 339 35 32.3 41.6 5.38 6.16 85

上述配合比外加剂均为WL-1。
每立方砼掺钢纤维45kg，粘聚性好，但由于钢纤维用量大，砼流动性较差，施工性能较难保证。
每立方砼掺钢纤维40kg，砼和易性良好，流动性有较大改善，能适应施工要求。
每立方砼掺钢纤维35kg，砼和易性良好，流动性良好，但用水量还可进行适当调整。
根据上述试验，可见钢纤维掺量与试件抗折强度同步变化，每立方砼35kg，40kg掺量均能满足配合比设计要求，且施工性能较佳，如早期强度要求较高，可考虑45kg掺量。
WL-1外加剂可适应此配合比。
砼坍落度大小，与钢纤维掺量成反比，选用铣销纤维后，减少了钢纤维掺量，坍落度有了较大改善。
为保证砼有较好流动性，且不损伤抗折性能，砂率宜在38%-40%之间。故确立基准配合比如下：单位：kg/m
C：339 SF:35~45 外加剂用WL-1
其中用水量宜根据钢纤维掺量做适当调整。
3、泵送钢纤维砼配合比的配制：
在道路砼配合比研究中，我们发现钢纤维在砼中会产生一种支撑效应，相互交错，形成一种网络，从而大幅度削弱砼流动性能。因此泵送砼中运用钢纤维，必须考虑适当用量，尽可能减少这种支撑效应。同时为了满足泵送所需砼和易性，配合比设计中应适当加大砂率，并放大水灰比或改用高效减少剂来增加坍落度。
根据阻裂性能试验，在钢纤维掺量为45kg时，与普通砼相比，钢纤维砼裂纹长度为其50%，开裂面积仅为其43%，可见其抗裂效果相当明显，因而我们确定钢纤维掺量为45kg。
我们设计了3组配合比：
序 级配 C SF 外加剂 坍落度
1 C50 370 45 SP406 140mm
2 C40 330 45 SP406 175mm
3 C30 330 45 WL-1 110mm

上表中3号配合比砼和易性差，坍落度在80-120mm之间，且再放大坍落度，砼出现离析，故调整如下：
C：360kg SF：45kg
调整后配合比和易性良好，初始坍落度及损失状况均较好。数据如下：
1：坍落度=140mm 30分后110mm 1小时后 90mm
2：坍落度=175mm 30分后130mm 1小时后115mm
3：坍落度=140mm 30分后110mm 1小时后 95mm
坍落度损失后，砼流动性尚好，能保证施工性能。
下表为试件的强度情况：
单位：MPa
3d 7d 14d 28d 28d抗折
1 28.5 42.4 49.6 57.8 7.2
2 20.2 34.5 39.8 51.5 6.8
3 28.7 39.2 6.2

根据上述数据，确立配合比如下：
单位：kg/m3
C SF 外加剂
C50 370 45 SP406
C40 330 45 SP406
C30 360 45 WL-1

4、确立配合比：
根据研究数据，我们确立了下列配合比(单位：kg/m3)
序号 品种 强度等级 水泥 钢纤维 外加剂品种
1 道路 C35 339 40 WL--1
2 泵送 C50 370 45 SP406
3 C40 330 45 SP406
4 C30 360 45 WL--1

5、钢纤维砼的施工研究：
(1)拌机：根据有关资料及试验来看，强制式拌机是较为理想的钢纤维砼生产设备。
(2)投料：目前，钢纤维砼生产有三种投料方式。
┏━━━┓ ┏━━━┓
┃钢纤维┃ ┃ 水 ┃
a ┃———┃————————————┐ ┃———┃
┃ 石 ┃ │ ┃外加剂┃
┗━━━┛ │ ┗━━━┛
┏━━━┓ ↓ ↓
┃水 泥┃ ┌——┐ ┌——┐ ┌——┐ ┌——┐
┃———┃——→│拌机│——→│拌机│——→│拌机│——→│成品│
┃ 砂 ┃ └——┘ └——┘ └——┘ └——┘
┗━━━┛

┏━━━┓
┃砂＋石┃ ┌——┐ ┌——┐ ┌——┐
b ┃———┃——→│拌机│——→│拌机│——→│成品│
┃钢纤维┃ └——┘ └——┘ └——┘
┗━━━┛ ↑
┏━━━┓ │
┃水 泥┃ │
┃———┃————————————┘
┃水＋外┃
┗━━━┛

┏━━━┓
┃石＋砂┃
┃———┃ ┌——┐ ┌——┐ ┌——┐
c ┃水 泥┃—— │拌机│—— │拌机│—— │成品│
┃———┃ └——┘ └——┘ └——┘
┃水＋外┃ ↑
┗━━━┛ │
┏━━━┓ │
┃钢纤维┃————————————┘
┗━━━┛
结合我们自身设备状况，我们选择了b方式投料。
(3)时间：由于砼中加入钢纤维，必须延长拌制时间来保证钢纤维分布均匀，拌制时间宜在1.5-2.0min之间。
(4)运输：不论是道路钢纤维砼还是泵送钢纤维砼均可适应拌车运输，由于流动性相对差，拌机卸料速度宜控制，防止拌车料斗溢料。
(5)泵送：泵送压力比普遍砼略有升高(105bar左右)，但泵送速度明显减慢，10-15min泵送完一车砼。
(6)振捣：根据试验及资料介绍，钢纤维砼中大多数钢纤维在与振动方向垂直的平面上二维乱向分布，少数呈三维乱向分布。在振捣中，为保证振捣充分，宜比普遍砼多振些时间，同时，为获取较佳轴向受力性能，宜在一定方向振动，让尽可能多的纤维分布在受拉区并按受拉方向分布。
(7)收水抹面：对于暴露在外的钢纤维宜拍入砼中或剔除，防止它留在面层生锈或伤人。
(8)养护：自然养护。
五、工程应用
1、沪闵高架是上海市为迎八运、改善西南交通环境的一项重点实事工程，是上海在八运期间迎接各地来宾的一项面子工程，工程工期紧、质量要求高，同时要兼顾施工期间的交通问题。我公司承建的1.4标是沪闵高架与原漕溪路立交连接处，故钢箱梁翻交要按期进行。在我公司施工人员的努力下，按时完成了大多数工作量，仅余钢箱梁的接缝段处理和部分翻交道路。鉴于此二处工程部位工期紧，又要保证砼能承受连接处的震动、冲击，我们使用了钢纤维砼。从1月下旬开始至2月中旬止，为其提供道路钢纤维砼100余m3,等级为C35，7d抗压达到设计值100%以上，7d抗折均大于5.0Mpa，能满足常规通车要求，施工后未出现砼道面的损伤、开裂，且保证了施工后10天之内完成翻交。
下表是现场试样强度情况：
龄期 7d抗压 28d抗压 7d抗折 28d抗折
强度 35.7MPa 43.1MPa 5.3MPa 6.25MPa
2、杨高路地铁车站：
地铁一号线多数车站顶板在建成之后，一年内就出现了不同程度的渗水现象。经检查发现顶板上出现大量裂缝，分析原因认为砼抗折、抗拉性能不足，导致大量裂缝出现。目前只能做结构外防水修补，维修费用大，且防水层寿命只有几年，经济上负担相当大。地铁二号线杨高路车站设计中为防止类似渗水问题发生，决定运用钢纤维砼进行施工，以其优良的抗折、抗裂性能来防止裂缝大量产生。3月10日我们提供了530m3钢纤维砼，强度基本在37Mpa，泵压正常，在100bar左右，泵送时间则为15min一车，施工中注意振捣、抹面处理，结构面光洁，外观质量良好。
下表是现场试样各性能指标情况：
性能指标 28d抗压 28d抗折 抗渗
性能情况 37.6MPa 6.43MPa 大于S6
六、研究结果
1、钢纤维砼应用于市政工程，有利于提高砼的物理力学性能及结构自防水性能。
2、钢纤维砼经合理配制可应用于泵送施工。
参考文献：
[1] 钢纤维混凝土基本理论 高丹盈 刘建秀 著 科学技术文献出版社 1994
[2] 特种砼设计与施工 雍本编著 中国建筑工业社

这么多知识