纖維混凝土在四川橋梁中的應用
2005-03-07 00:00
摘要：纖維混凝土是一種抗折、抗裂、抗?jié)B、抗疲勞等許多性能非常優(yōu)良的新型混凝土材料。其用于橋面鋪裝，已得到我省橋梁專家的公認與推崇，并大量和普遍用于各類橋梁上。除此之外，纖維混凝土還逐漸用于橋梁混凝土抗裂、舊橋加固、鋼混結構橋梁的混凝土橋面板等，且均取得良好效果?？梢灶A言，纖維混凝土因其優(yōu)良的性能，將用于越來越廣泛的范圍，取得越來越顯著的成就。
關鍵詞：纖維混凝土 橋梁結構 運用
一、纖維混凝土橋面鋪裝
纖維混凝土作橋面鋪裝，是我省纖維混凝土運用最成功、最廣泛的領域。自筆者1992年在成都雙橋子互通式立交橋推廣鋼纖維混凝土橋面鋪裝以來，其優(yōu)良的力學性能已經廣泛獲得橋梁界人士和專家們的青睞，纖維混凝土已被普遍地用在立交橋、跨江大橋上，例如萬縣長江大橋、涪陵長江大橋、風都長江大橋、江津長江大橋等。我省纖維混凝土橋面鋪裝已有43.72萬m2以上。纖維品種也由起初單一的剪切鋼纖維，增加了聚丙烯等多種纖維。
1、 舊式鋼筋網混凝土橋面鋪裝
過去的混凝土橋面鋪裝層均采用加小直徑鋼筋方格網的混凝土，鋼筋直徑一般為￠6~￠8，網格間距一般為15~20cm，布設位置在鋪裝層表面下約3cm的高度處。后來，從改善和減少鋪裝裂紋考慮，人們逐漸縮小鋼筋網格間距，許多設計將其縮小至10cm。
鋼筋網混凝土橋面鋪裝有一個致命的弱點，就是施工中不可避免的受到施工人員和施工機具的踐踏，使支墊就位的鋼筋下沉而緊貼橋梁梁體表面，從而喪失了鋼筋網在鋪裝混凝土中防止和改善裂縫的作用。成都衣冠廟立交橋，成新公路跨機場路連續(xù)鋼構造橋和許多橋（特別是連續(xù)橋梁）橋面大量裂縫，甚至嚴重破壞，原因就在于此。
2、 纖維混凝土橋面鋪裝
混凝土配合比基本不變，用鋼纖維或聚丙烯纖維替換上述普通鋼筋網混凝土中的鋼筋網格。
纖維混凝土鋪裝厚度與普通鋼筋網混凝土厚度相同，不得小于6 cm；剪切鋼纖維混凝土中鋼纖維摻量78~120KG；聚丙烯纖維混凝土中聚丙烯纖維摻量為每立方米混凝土中摻0.9KG，摻少了效果不好，摻多了則效果不明顯。
3、 纖維混凝土橋面鋪裝的優(yōu)點
（1）、纖維混凝土橋面鋪裝，是一種很好的材料，它抗折、抗裂、抗疲勞、耐磨等各項力學指標，均勻優(yōu)于鋼筋網混凝土橋面鋪裝（見表1）。從比較表中知，雖試驗用的鋼筋網網格間距已加密至5 cm*5 cm，位置安放也很準確，但抗折強度等仍不及我們現時采用的摻剪切鋼纖維混凝土。特別是連續(xù)負彎矩區(qū)段和厚層橋面鋪裝中，更顯示出其比鋼筋網混凝土具有優(yōu)越的抗裂性能。
（2）纖維在混凝土中分布比較均勻，克服了鋼筋網在混凝土中難于準確定位，發(fā)揮不了作用的弱點。
（3）由于沒有了鋼筋網，工藝簡單、立模方便、提高了尺寸準確性，加快了工程進度。
表1 試驗結果對比表
|
配合比
水泥：砂：石 |
W/C |
水泥用量（KG/m3） |
鋼纖維料品種 |
鋼纖維用量（KG/m3） |
抗壓強度（MPa） |
開裂載荷（KN） |
抗折強度（MPa） |
抗折彈模（*103MPa） |
|
1：1.91：1.91注：此配合比按28天抗折強度達到4.5 Mpa計算 |
0.40 |
4.75 |
剪切型鋼纖維 |
78.5 |
43.3 |
39.67 |
5.27 |
3.21 |
|
￠6.5鋼筋網 |
間距5cm
69.5 KG/m3 |
39.8 |
39.17 |
5.22 |
3.45 |
二、加強梁體混凝土、改善抗裂性能
1997年國慶通車的成都峨影廠高架直通橋，是一個長500多米的連續(xù)梁橋，一般跨徑20M，主要跨徑30m。第一、二聯澆注后，尚未通車梁體底部和側面已經發(fā)現大量明顯的裂紋。經檢算，梁體布筋滿足受力要求。設計采取的措施是（1）沿梁外露面混凝土內增設防裂的細鋼筋網； （2）在梁體中摻加聚丙烯纖維，摻量為每立方米混凝土0.9kg微纖維。
增設鋼筋網和摻加聚丙烯纖維后，梁體裂縫數量減少，裂縫寬度變窄。
三、用纖維混凝土進行舊橋加固
某沱江大橋是一座60年代末修建的跨徑9*40m+8*20m,橋梁全長520m的雙曲拱橋，當時的設計荷載標準已不適應現時交通需要。為提高橋梁承受能力，經多方案比較，選用了增加了拱肋緣鋼筋和補澆拱背波谷混凝土的補強方案。加固步驟是鑿露出拱肋下緣主筋和箍筋，在原主筋下點焊兩根￠25新鋼筋，并在其外增加箍筋，然后噴射混凝土封閉新增主筋和箍筋。
起初用普通噴射混凝土，反彈損耗極大，改用摻聚丙烯纖維噴射混凝土后，回彈明顯減少，對防裂也起到了好作用。
四、組合橋面板
在重慶鵝公巖長江大橋投標210m+600m+210m鋼懸索橋方案中，我們設計了鋼纖維混凝土與鋼組合橋面板。該設計除橋面與普通鋼板橋面不同之外，截面其余部分兩者均一致。它與橋面板構造的區(qū)別是：
（1） 鋼橋面：橋面鋼板厚度12mm，鋼板頂面直接鋪裝瀝青混凝土磨耗層。
（2） 組合橋面：將橋面鋼板減薄至8mm，在鋼板頂面澆注10mm鋼纖維混凝土組合層（鋼板兼作模板），鋼板與混凝土間靠剪力鍵傳力，在鋼纖維混凝土頂面，在澆瀝青后天內磨耗層。
在分離式箱梁中，組合橋面鋼箱梁與鋼橋面箱梁比，組合橋面有以下優(yōu)點：
（1） 恒活比合理，結構剛度大，對行車有利。
（2） 用鋼量省，造價較低（表2）。組合橋面鋼箱梁與鋼橋面鋼箱梁相比，組合橋面鋼箱梁增加纜索用鋼量600T，減少加勁梁用鋼2880噸，由主纜索單價低于加勁梁單價，經濟效益顯著。
表2 鵝公巖長江大橋兩種截面主要工程數量及造價比較
|
截面 |
纜索（t） |
預應力鋼材（t） |
普通鋼材（t） |
混凝土（m3） |
安裝重量（t） |
建設安裝工程費用（萬元） | |
|
加勁梁 |
其他 | ||||||
|
鋼橋面鋼箱梁 |
3683 |
600 |
11966 |
6343 |
74876 |
205 |
53646.67 |
|
組合橋面鋼箱梁 |
4281 |
634 |
9085 |
6343 |
76908 |
180 |
42950.64 |
（3） 鋼-水泥混凝土-瀝青與混凝土結合可靠，而瀝青混凝土在鋼橋面上作磨耗路面，國內研究少，技術不成熟，尚無成功先例。
因此，本橋推薦組合橋面分離式鋼箱梁截面，這是本橋設計的特點之一。
正在設計的忠縣長江大橋（懸索橋），我們也采用了鋼纖維混凝土組合橋面板，正設計中的凈跨徑400m和288m的鋼管混凝土拱橋——巫峽長江大橋和梅溪河大橋，都采用了鋼纖維混凝土橋面板。
五、纖維特點及選用
（一） 各種纖維簡況
1、 銑削鋼纖維
由專制鋼錠銑削而成，生產流程和質量穩(wěn)定、可靠。該種纖維橫截面呈月牙狀，長32mm，等效直徑0.8mm。銑削鋼纖維界面積大，堅挺，摻拌容易，在混凝土中不起團；其表面經發(fā)蘭處理，不易生銹。
因其界面積大，摻量一定時，每單位體積中鋼纖維根數較少，纖維相對表面積也較小。
2、 佳密克絲膠合鋼纖維
外形呈弓形。纖維橫截面為矩形，長20~60mm,截面邊長0.5~1mm,L/D=45~80,細長比較大，相對表面積也大，混凝土握裹力強，纖維鋼材強度高，強度利用效率也高。象訂書釘那樣，單根鋼纖維被膠合成板狀，便于運輸、摻合、不團結。
3、 剪切鋼纖維
（1）、平直型
一般由軋薄板切邊料、薄板沖邊角料（例如汽車、罐頭盒邊角涂料）、廢油氣桶等廉價材料剪切而成。因為其原料差異大，成品品質也不各不相同。剪切鋼纖維長20~40mm，截面為矩形，其邊長0.3~1.0mm。纖維表面未經防銹處理。
（2） 異形
一般由薄板邊料剪切而成，纖維長度20~40mm,橫截面呈現矩形，邊長0.4~0.8mm，目前國產的異形鋼纖維品種由弓型、彎鉤型、波紋型、凹凸型、異混型等。異形鋼纖維兩端部或全長進行了變形處理，混凝土錨固效果很好。
4、 聚丙烯纖維
聚丙烯纖維是一種高分子聚合物纖維，為白色，半透明，呈網狀或束狀單絲結構，在混凝土中攪拌時分散成單絲狀。該纖維直徑即細，極輕，比重為0.9kg/ cm3 。
聚丙烯纖維不生銹，不起團，單位體積中單絲含量多。
（一）、纖維選擇的幾點體會
如前所述，各種纖維均有自己的特色和優(yōu)勢，都有自己最佳的適用范圍，經數年來適用纖維混凝土，有以下體會：
1、 要合理選擇鋼纖維尺寸
摻量相同時，截面尺寸越小，單位體積混凝土中纖維含量越多，分布越均勻，性能越好。但是截面尺寸越小，越易銹蝕、團結，摻拌時分散越困難。所以必須合理選擇截面尺寸，一般選橫截面邊長0.5~0.6mm鋼纖維較理想。
2、 異形纖維可充分發(fā)揮纖維的作用
從理論上講，纖維在混凝土匯總的錨固力大于或等于截面破壞力時，鋼材的性能充分等到發(fā)揮，是一種理論狀態(tài)，要達到此種狀態(tài)，有三種途徑：一是減小纖維截面積，增大相對表面積；二是增大鋼纖維長度，增大混凝土握裹力面積；三是對纖維全長或兩端作錨固變形處理，增強錨固能力。如前所述，纖維過細過長在拌和種易于團結，因此變形處理，作成異形纖維是一種有效的辦法。嘉興和武漢生產的異形鋼纖維、佳密克絲和銑削鋼纖維，都是經過變形處理的鋼纖維。
異形鋼纖維混凝土握裹力很好，以下是相同砂石材料，相同水泥，相同配合條件下作的對比試驗（表3），從表中數據可知，凹凸型和波紋型鋼纖維混凝土性能油氣突出，其抗折、抗壓、抗裂能力都顯著增強，彈性模量也有所減少。
表3 各種異形鋼纖維與平直鋼纖維比較表
|
纖維形狀 |
纖維摻量（kg/ cm3） |
抗壓強度 |
抗折強度 |
抗折彈模 |
破壞時跨中撓度 | ||||
|
MPa |
% |
MPa |
% |
*104 MPa |
% |
1/L |
% | ||
|
平直型 |
78 |
41.5 |
100 |
5.80 |
100 |
3.64 |
100 |
1/3270 |
100 |
|
凹凸型 |
78 |
46.6 |
112.29 |
6.81 |
117.41 |
3.39 |
93.13 |
1/4700 |
69.57 |
|
異混型 |
78 |
40.8 |
98.31 |
6.64 |
114.48 |
3.48 |
95.60 |
1/4400 |
74.32 |
|
波紋型 |
78 |
49.9 |
120.24 |
6.74 |
116.21 |
3.41 |
93.68 |
1/4740 |
68.99 |
|
弓型 |
78 |
46.2 |
111.33 |
6.20 |
106.90 |
3.43 |
94.23 |
1/4260 |
76.76 |
|
素混凝土 |
0 |
38.6 |
93.01 |
4.84 |
83.44 |
3.90 |
107.14 |
1/9480 |
34.49 |
3、 母材要有足夠強度
運用之初，我們對鋼纖維的原材料認識不足，認為什么鋼材都行。后經過反復實踐使我們建立了一個概念；母材性能強度直接覺得鋼纖維性能。
成都九州鋼纖維廠利用攀鋼0.8~1.2mm厚的薄板切邊料，冷軋為0.5~0.6mm厚薄板后，再切削成鋼纖維，由于其材質本身好，又經過冷軋強化，鋼纖維強度很高。下表是除了鋼纖維外，其余材料、配合比均相同，該種纖維和A3鋼纖維混凝土的性能相比較（表4）。由比較可知，該種鋼纖維混凝土性能明顯優(yōu)于A3鋼纖維混凝土，甚至可于A3鋼異形纖維比高低。
表4 不同材質鋼纖維性能比較
|
鋼纖維種類
|
纖維摻量（kg/ cm3） |
抗壓強度 |
抗折強度 |
抗折彈模 | |||
|
MPa |
% |
MPa |
% |
*104 MPa |
% | ||
|
成都九州廠平直型 |
78 |
43.4 |
104.6 |
6.63 |
114.3 |
3.83 |
105.2 |
|
A3鋼平直型 |
78 |
41.5 |
100 |
5.80 |
100 |
3.64 |
100 |
|
A3鋼波紋型 |
78 |
49.9 |
120.2 |
6.74 |
116.2 |
3.41 |
93.7 |
|
A3鋼弓型 |
78 |
46.2 |
111.3 |
6.2 |
106.9 |
3.43 |
94.2 |
4、 聚丙烯纖維
該纖維不生銹，在混凝土中分布均勻，用量省，成本最低（單價僅為平直鋼纖維的一半）。此纖維抗裂、抗震、抗?jié)B性能均較好，尤以抗混凝土收縮性能好。
5、 四川對鋼纖維的選用
佳密克絲鋼纖維性能很好，但價格甚高，約為剪切鋼纖維的2.5倍；銑削鋼纖維不易生銹，不結團，拌合簡單方便，但價格較高（為剪切鋼纖維的1.5倍），且因等效直徑大，因而摻加種類大。所以這兩種鋼纖維均用在一些質量要求高，經費充足的工程上。
聚丙烯纖維對混凝土人性增加大，對強度改善不足，故用于重在改善抗裂、抗震、抗?jié)B等性能的地方。多數人看中其價廉且改善混凝土抗裂、抗震、抗?jié)B好的特點，將其用于橋面鋪裝中。
6、 纖維的保管合運輸
對于銑削鋼纖維、佳密克絲纖維、聚丙烯纖維，不存在銹蝕問題。而對一般剪切鋼纖維，相對表面積大，又未作表面處理，因而保管合運輸過程中易生銹，生銹后嚴重損失有效截面，且易于結團，故要注意防潮。最好是邊生產邊使用，保存期不超過半個月。
編輯：
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