纖維混凝土在四川橋梁中的應用

    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?？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(guān)鍵詞：纖維混凝土   橋梁結(jié)構(gòu)   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(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)計將其縮小至10cm。

 

    鋼筋網(wǎng)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(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

 

    （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(wǎng)混凝土橋面鋪裝（見表1）。從比較表中知，雖試驗用的鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格間距已加密至5 cm*5 cm，位置安放也很準確，但抗折強度等仍不及我們現(xiàn)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(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)在混凝土中難于準確定位，發(fā)揮不了作用的弱點。

 

    （3）由于沒有了鋼筋網(wǎng)，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(jié)果對比表

 

 

    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(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)計采取的措施是（1）沿梁外露面混凝土內(nèi)增設(shè)防裂的細鋼筋網(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(shè)計荷載標準已不適應現(xiàn)時交通需要。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(shè)計了鋼纖維混凝土與鋼組合橋面板。該設(shè)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(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：

 

    （1）  恒活比合理，結(jié)構(gòu)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(jīng)濟效益顯著。

 

    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(shè)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(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)計的特點之一。

 

    正在設(shè)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(shè)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(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，堅挺，摻拌容易，在混凝土中不起團；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，每單位體積中鋼纖維根數(shù)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(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）、廢油氣桶等廉價材料剪切而成。因為其原料差異大，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(jīng)數(shù)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(jié)，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(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比試驗（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，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

 

 

    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(jīng)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(zhì)本身好，又經(jīng)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(zhì)鋼纖維性能比較

 

   

    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(jié)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(zhì)量要求高，經(jīng)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(shù)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(jié)團，故要注意防潮。最好是邊生產(chǎn)邊使用，保存期不超過半個月。