纖維混凝土在四川橋梁中的應(yīng)用

    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(rèn)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(jié)構(gòu)橋梁的混凝土橋面板等,且均取得良好效果。可以預(yù)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(guān)鍵詞:纖維混凝土   橋梁結(jié)構(gòu)   運(yùn)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(yùn)用最成功、最廣泛的領(lǐng)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(xué)性能已經(jīng)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(fēng)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(wǎng)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(wǎng)的混凝土,鋼筋直徑一般為¢6~¢8,網(wǎng)格間距一般為15~20cm,布設(shè)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(wǎng)格間距,許多設(shè)計(jì)將其縮小至10cm。
 
    鋼筋網(wǎng)混凝土橋面鋪裝有一個(gè)致命的弱點(diǎn),就是施工中不可避免的受到施工人員和施工機(jī)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(wǎng)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(jī)場路連續(xù)鋼構(gòu)造橋和許多橋(特別是連續(xù)橋梁)橋面大量裂縫,甚至嚴(yán)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(wǎng)混凝土中的鋼筋網(wǎng)格。
纖維混凝土鋪裝厚度與普通鋼筋網(wǎng)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(diǎn)
 
    (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(xiàng)力學(xué)指標(biāo),均勻優(yōu)于鋼筋網(wǎng)混凝土橋面鋪裝(見表1)。從比較表中知,雖試驗(yàn)用的鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格間距已加密至5 cm*5 cm,位置安放也很準(zhǔn)確,但抗折強(qiáng)度等仍不及我們現(xiàn)時(shí)采用的摻剪切鋼纖維混凝土。特別是連續(xù)負(fù)彎矩區(qū)段和厚層橋面鋪裝中,更顯示出其比鋼筋網(wǎng)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(wǎng)在混凝土中難于準(zhǔn)確定位,發(fā)揮不了作用的弱點(diǎn)。
 
    (3)由于沒有了鋼筋網(wǎng),工藝簡單、立模方便、提高了尺寸準(zhǔn)確性,加快了工程進(jìn)度。
 
表1   試驗(yàn)結(jié)果對(duì)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(qiáng)度(MPa)
開裂載荷(KN)
抗折強(qiáng)度(MPa)
抗折彈模(*103MPa)
1:1.91:1.91注:此配合比按28天抗折強(qiáng)度達(dá)到4.5 Mpa計(jì)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(wǎng)
間距5cm
69.5 KG/m3
39.8
39.17
5.22
3.45
 
    二、加強(qiáng)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(gè)長500多米的連續(xù)梁橋,一般跨徑20M,主要跨徑30m。第一、二聯(lián)澆注后,尚未通車梁體底部和側(cè)面已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大量明顯的裂紋。經(jīng)檢算,梁體布筋滿足受力要求。設(shè)計(jì)采取的措施是(1)沿梁外露面混凝土內(nèi)增設(shè)防裂的細(xì)鋼筋網(wǎng); (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(shè)鋼筋網(wǎng)和摻加聚丙烯纖維后,梁體裂縫數(shù)量減少,裂縫寬度變窄。
 
    三、用纖維混凝土進(jìn)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(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)已不適應(yīng)現(xiàn)時(shí)交通需要。為提高橋梁承受能力,經(jīng)多方案比較,選用了增加了拱肋緣鋼筋和補(bǔ)澆拱背波谷混凝土的補(bǔ)強(qiáng)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(diǎn)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(duì)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(biāo)210m+600m+210m鋼懸索橋方案中,我們?cè)O(shè)計(jì)了鋼纖維混凝土與鋼組合橋面板。該設(shè)計(jì)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(gòu)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(nèi)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(diǎn):
 
    (1)  恒活比合理,結(jié)構(gòu)剛度大,對(duì)行車有利。
 
    (2)  用鋼量省,造價(jià)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(jià)低于加勁梁單價(jià),經(jīng)濟(jì)效益顯著。
 
    表2     鵝公巖長江大橋兩種截面主要工程數(shù)量及造價(jià)比較
 
截面
纜索(t)
預(yù)應(yīng)力鋼材(t)
普通鋼材(t)
混凝土(m3
安裝重量(t)
建設(shè)安裝工程費(fèi)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(jié)合可靠,而瀝青混凝土在鋼橋面上作磨耗路面,國內(nèi)研究少,技術(shù)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(shè)計(jì)的特點(diǎn)之一。
 
    正在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(diǎn)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(chǎn)流程和質(zhì)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(jiān)挺,摻拌容易,在混凝土中不起團(tuán);其表面經(jīng)發(fā)蘭處理,不易生銹。
 
    因其界面積大,摻量一定時(shí),每單位體積中鋼纖維根數(shù)較少,纖維相對(duì)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(xì)長比較大,相對(duì)表面積也大,混凝土握裹力強(qiáng),纖維鋼材強(qiáng)度高,強(qiáng)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(yùn)輸、摻合、不團(tuán)結(jié)。
 
    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(jià)材料剪切而成。因?yàn)槠湓喜町惔?,成品品質(zhì)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(jīng)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(xiàn)矩形,邊長0.4~0.8mm,目前國產(chǎn)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(jìn)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(wǎng)狀或束狀單絲結(jié)構(gòu),在混凝土中攪拌時(shí)分散成單絲狀。該纖維直徑即細(xì),極輕,比重為0.9kg/ cm3 。
 
    聚丙烯纖維不生銹,不起團(tuán),單位體積中單絲含量多。
 
    (一)、纖維選擇的幾點(diǎn)體會(huì)
 
    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(jīng)數(shù)年來適用纖維混凝土,有以下體會(huì):
 
    1、  要合理選擇鋼纖維尺寸
 
    摻量相同時(shí),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(tuán)結(jié),摻拌時(shí)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(shí),鋼材的性能充分等到發(fā)揮,是一種理論狀態(tài),要達(dá)到此種狀態(tài),有三種途徑:一是減小纖維截面積,增大相對(duì)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(duì)纖維全長或兩端作錨固變形處理,增強(qiáng)錨固能力。如前所述,纖維過細(xì)過長在拌和種易于團(tuán)結(jié),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(chǎn)的異形鋼纖維、佳密克絲和銑削鋼纖維,都是經(jīng)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(duì)比試驗(yàn)(表3),從表中數(shù)據(jù)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(qiáng),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(qiáng)度
抗折強(qiáng)度
抗折彈模
破壞時(shí)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(qiáng)度
 
    運(yùn)用之初,我們對(duì)鋼纖維的原材料認(rèn)識(shí)不足,認(rèn)為什么鋼材都行。后經(jīng)過反復(fù)實(shí)踐使我們建立了一個(gè)概念;母材性能強(qiáng)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(zhì)本身好,又經(jīng)過冷軋強(qiáng)化,鋼纖維強(qiáng)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(zhì)鋼纖維性能比較
 
鋼纖維種類
 
纖維摻量(kg/ cm3
抗壓強(qiáng)度
抗折強(qiáng)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(jià)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(duì)鋼纖維的選用
 
    佳密克絲鋼纖維性能很好,但價(jià)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(jié)團(tuán),拌合簡單方便,但價(jià)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(zhì)量要求高,經(jīng)費(fèi)充足的工程上。
 
    聚丙烯纖維對(duì)混凝土人性增加大,對(duì)強(qiáng)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(shù)人看中其價(jià)廉且改善混凝土抗裂、抗震、抗?jié)B好的特點(diǎn),將其用于橋面鋪裝中。
 
    6、  纖維的保管合運(yùn)輸
 
    對(duì)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(duì)一般剪切鋼纖維,相對(duì)表面積大,又未作表面處理,因而保管合運(yùn)輸過程中易生銹,生銹后嚴(yán)重?fù)p失有效截面,且易于結(jié)團(tuán),故要注意防潮。最好是邊生產(chǎn)邊使用,保存期不超過半個(gè)月。
 
    聚丙烯纖維要注意防紫外線照射而加速老化。

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