纤维混凝土在四川桥梁中的应用
2005-03-07 00:00
摘要：纤维混凝土是一种抗折、抗裂、抗渗、抗疲劳等许多性能非常优良的新型混凝土材料。其用于桥面铺装，已得到我省桥梁专家的公认与推崇，并大量和普遍用于各类桥梁上。除此之外，纤维混凝土还逐渐用于桥梁混凝土抗裂、旧桥加固、钢混结构桥梁的混凝土桥面板等，且均取得良好效果。可以预言，纤维混凝土因其优良的性能，将用于越来越广泛的范围，取得越来越显著的成就。
关键词：纤维混凝土 桥梁结构 运用
一、纤维混凝土桥面铺装
纤维混凝土作桥面铺装，是我省纤维混凝土运用最成功、最广泛的领域。自笔者1992年在成都双桥子互通式立交桥推广钢纤维混凝土桥面铺装以来，其优良的力学性能已经广泛获得桥梁界人士和专家们的青睐，纤维混凝土已被普遍地用在立交桥、跨江大桥上，例如万县长江大桥、涪陵长江大桥、风都长江大桥、江津长江大桥等。我省纤维混凝土桥面铺装已有43.72万m2以上。纤维品种也由起初单一的剪切钢纤维，增加了聚丙烯等多种纤维。
1、 旧式钢筋网混凝土桥面铺装
过去的混凝土桥面铺装层均采用加小直径钢筋方格网的混凝土，钢筋直径一般为￠6~￠8，网格间距一般为15~20cm，布设位置在铺装层表面下约3cm的高度处。后来，从改善和减少铺装裂纹考虑，人们逐渐缩小钢筋网格间距，许多设计将其缩小至10cm。
钢筋网混凝土桥面铺装有一个致命的弱点，就是施工中不可避免的受到施工人员和施工机具的践踏，使支垫就位的钢筋下沉而紧贴桥梁梁体表面，从而丧失了钢筋网在铺装混凝土中防止和改善裂缝的作用。成都衣冠庙立交桥，成新公路跨机场路连续钢构造桥和许多桥（特别是连续桥梁）桥面大量裂缝，甚至严重破坏，原因就在于此。
2、 纤维混凝土桥面铺装
混凝土配合比基本不变，用钢纤维或聚丙烯纤维替换上述普通钢筋网混凝土中的钢筋网格。
纤维混凝土铺装厚度与普通钢筋网混凝土厚度相同，不得小于6 cm；剪切钢纤维混凝土中钢纤维掺量78~120KG；聚丙烯纤维混凝土中聚丙烯纤维掺量为每立方米混凝土中掺0.9KG，掺少了效果不好，掺多了则效果不明显。
3、 纤维混凝土桥面铺装的优点
（1）、纤维混凝土桥面铺装，是一种很好的材料，它抗折、抗裂、抗疲劳、耐磨等各项力学指标，均匀优于钢筋网混凝土桥面铺装（见表1）。从比较表中知，虽试验用的钢筋网网格间距已加密至5 cm*5 cm，位置安放也很准确，但抗折强度等仍不及我们现时采用的掺剪切钢纤维混凝土。特别是连续负弯矩区段和厚层桥面铺装中，更显示出其比钢筋网混凝土具有优越的抗裂性能。
（2）纤维在混凝土中分布比较均匀，克服了钢筋网在混凝土中难于准确定位，发挥不了作用的弱点。
（3）由于没有了钢筋网，工艺简单、立模方便、提高了尺寸准确性，加快了工程进度。
表1 试验结果对比表
|
配合比
水泥：砂：石 |
W/C |
水泥用量（KG/m3） |
钢纤维料品种 |
钢纤维用量（KG/m3） |
抗压强度（MPa） |
开裂载荷（KN） |
抗折强度（MPa） |
抗折弹模（*103MPa） |
|
1：1.91：1.91注：此配合比按28天抗折强度达到4.5 Mpa计算 |
0.40 |
4.75 |
剪切型钢纤维 |
78.5 |
43.3 |
39.67 |
5.27 |
3.21 |
|
￠6.5钢筋网 |
间距5cm
69.5 KG/m3 |
39.8 |
39.17 |
5.22 |
3.45 |
二、加强梁体混凝土、改善抗裂性能
1997年国庆通车的成都峨影厂高架直通桥，是一个长500多米的连续梁桥，一般跨径20M，主要跨径30m。第一、二联浇注后，尚未通车梁体底部和侧面已经发现大量明显的裂纹。经检算，梁体布筋满足受力要求。设计采取的措施是（1）沿梁外露面混凝土内增设防裂的细钢筋网； （2）在梁体中掺加聚丙烯纤维，掺量为每立方米混凝土0.9kg微纤维。
增设钢筋网和掺加聚丙烯纤维后，梁体裂缝数量减少，裂缝宽度变窄。
三、用纤维混凝土进行旧桥加固
某沱江大桥是一座60年代末修建的跨径9*40m+8*20m,桥梁全长520m的双曲拱桥，当时的设计荷载标准已不适应现时交通需要。为提高桥梁承受能力，经多方案比较，选用了增加了拱肋缘钢筋和补浇拱背波谷混凝土的补强方案。加固步骤是凿露出拱肋下缘主筋和箍筋，在原主筋下点焊两根￠25新钢筋，并在其外增加箍筋，然后喷射混凝土封闭新增主筋和箍筋。
起初用普通喷射混凝土，反弹损耗极大，改用掺聚丙烯纤维喷射混凝土后，回弹明显减少，对防裂也起到了好作用。
四、组合桥面板
在重庆鹅公岩长江大桥投标210m+600m+210m钢悬索桥方案中，我们设计了钢纤维混凝土与钢组合桥面板。该设计除桥面与普通钢板桥面不同之外，截面其余部分两者均一致。它与桥面板构造的区别是：
（1） 钢桥面：桥面钢板厚度12mm，钢板顶面直接铺装沥青混凝土磨耗层。
（2） 组合桥面：将桥面钢板减薄至8mm，在钢板顶面浇注10mm钢纤维混凝土组合层（钢板兼作模板），钢板与混凝土间靠剪力键传力，在钢纤维混凝土顶面，在浇沥青后天内磨耗层。
在分离式箱梁中，组合桥面钢箱梁与钢桥面箱梁比，组合桥面有以下优点：
（1） 恒活比合理，结构刚度大，对行车有利。
（2） 用钢量省，造价较低（表2）。组合桥面钢箱梁与钢桥面钢箱梁相比，组合桥面钢箱梁增加缆索用钢量600T，减少加劲梁用钢2880吨，由主缆索单价低于加劲梁单价，经济效益显著。
表2 鹅公岩长江大桥两种截面主要工程数量及造价比较
|
截面 |
缆索（t） |
预应力钢材（t） |
普通钢材（t） |
混凝土（m3） |
安装重量（t） |
建设安装工程费用（万元） | |
|
加劲梁 |
其他 | ||||||
|
钢桥面钢箱梁 |
3683 |
600 |
11966 |
6343 |
74876 |
205 |
53646.67 |
|
组合桥面钢箱梁 |
4281 |
634 |
9085 |
6343 |
76908 |
180 |
42950.64 |
（3） 钢-水泥混凝土-沥青与混凝土结合可靠，而沥青混凝土在钢桥面上作磨耗路面，国内研究少，技术不成熟，尚无成功先例。
因此，本桥推荐组合桥面分离式钢箱梁截面，这是本桥设计的特点之一。
正在设计的忠县长江大桥（悬索桥），我们也采用了钢纤维混凝土组合桥面板，正设计中的净跨径400m和288m的钢管混凝土拱桥——巫峡长江大桥和梅溪河大桥，都采用了钢纤维混凝土桥面板。
五、纤维特点及选用
（一） 各种纤维简况
1、 铣削钢纤维
由专制钢锭铣削而成，生产流程和质量稳定、可靠。该种纤维横截面呈月牙状，长32mm，等效直径0.8mm。铣削钢纤维界面积大，坚挺，掺拌容易，在混凝土中不起团；其表面经发兰处理，不易生锈。
因其界面积大，掺量一定时，每单位体积中钢纤维根数较少，纤维相对表面积也较小。
2、 佳密克丝胶合钢纤维
外形呈弓形。纤维横截面为矩形，长20~60mm,截面边长0.5~1mm,L/D=45~80,细长比较大，相对表面积也大，混凝土握裹力强，纤维钢材强度高，强度利用效率也高。象订书钉那样，单根钢纤维被胶合成板状，便于运输、掺合、不团结。
3、 剪切钢纤维
（1）、平直型
一般由轧薄板切边料、薄板冲边角料（例如汽车、罐头盒边角涂料）、废油气桶等廉价材料剪切而成。因为其原料差异大，成品品质也不各不相同。剪切钢纤维长20~40mm，截面为矩形，其边长0.3~1.0mm。纤维表面未经防锈处理。
（2） 异形
一般由薄板边料剪切而成，纤维长度20~40mm,横截面呈现矩形，边长0.4~0.8mm，目前国产的异形钢纤维品种由弓型、弯钩型、波纹型、凹凸型、异混型等。异形钢纤维两端部或全长进行了变形处理，混凝土锚固效果很好。
4、 聚丙烯纤维
聚丙烯纤维是一种高分子聚合物纤维，为白色，半透明，呈网状或束状单丝结构，在混凝土中搅拌时分散成单丝状。该纤维直径即细，极轻，比重为0.9kg/ cm3 。
聚丙烯纤维不生锈，不起团，单位体积中单丝含量多。
（一）、纤维选择的几点体会
如前所述，各种纤维均有自己的特色和优势，都有自己最佳的适用范围，经数年来适用纤维混凝土，有以下体会：
1、 要合理选择钢纤维尺寸
掺量相同时，截面尺寸越小，单位体积混凝土中纤维含量越多，分布越均匀，性能越好。但是截面尺寸越小，越易锈蚀、团结，掺拌时分散越困难。所以必须合理选择截面尺寸，一般选横截面边长0.5~0.6mm钢纤维较理想。
2、 异形纤维可充分发挥纤维的作用
从理论上讲，纤维在混凝土汇总的锚固力大于或等于截面破坏力时，钢材的性能充分等到发挥，是一种理论状态，要达到此种状态，有三种途径：一是减小纤维截面积，增大相对表面积；二是增大钢纤维长度，增大混凝土握裹力面积；三是对纤维全长或两端作锚固变形处理，增强锚固能力。如前所述，纤维过细过长在拌和种易于团结，因此变形处理，作成异形纤维是一种有效的办法。嘉兴和武汉生产的异形钢纤维、佳密克丝和铣削钢纤维，都是经过变形处理的钢纤维。
异形钢纤维混凝土握裹力很好，以下是相同砂石材料，相同水泥，相同配合条件下作的对比试验（表3），从表中数据可知，凹凸型和波纹型钢纤维混凝土性能油气突出，其抗折、抗压、抗裂能力都显著增强，弹性模量也有所减少。
表3 各种异形钢纤维与平直钢纤维比较表
|
纤维形状 |
纤维掺量（kg/ cm3） |
抗压强度 |
抗折强度 |
抗折弹模 |
破坏时跨中挠度 | ||||
|
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 |
|
异混型 |
78 |
40.8 |
98.31 |
6.64 |
114.48 |
3.48 |
95.60 |
1/4400 |
74.32 |
|
波纹型 |
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、 母材要有足够强度
运用之初，我们对钢纤维的原材料认识不足，认为什么钢材都行。后经过反复实践使我们建立了一个概念；母材性能强度直接觉得钢纤维性能。
成都九州钢纤维厂利用攀钢0.8~1.2mm厚的薄板切边料，冷轧为0.5~0.6mm厚薄板后，再切削成钢纤维，由于其材质本身好，又经过冷轧强化，钢纤维强度很高。下表是除了钢纤维外，其余材料、配合比均相同，该种纤维和A3钢纤维混凝土的性能相比较（表4）。由比较可知，该种钢纤维混凝土性能明显优于A3钢纤维混凝土，甚至可于A3钢异形纤维比高低。
表4 不同材质钢纤维性能比较
|
钢纤维种类
|
纤维掺量（kg/ cm3） |
抗压强度 |
抗折强度 |
抗折弹模 | |||
|
MPa |
% |
MPa |
% |
*104 MPa |
% | ||
|
成都九州厂平直型 |
78 |
43.4 |
104.6 |
6.63 |
114.3 |
3.83 |
105.2 |
|
A3钢平直型 |
78 |
41.5 |
100 |
5.80 |
100 |
3.64 |
100 |
|
A3钢波纹型 |
78 |
49.9 |
120.2 |
6.74 |
116.2 |
3.41 |
93.7 |
|
A3钢弓型 |
78 |
46.2 |
111.3 |
6.2 |
106.9 |
3.43 |
94.2 |
4、 聚丙烯纤维
该纤维不生锈，在混凝土中分布均匀，用量省，成本最低（单价仅为平直钢纤维的一半）。此纤维抗裂、抗震、抗渗性能均较好，尤以抗混凝土收缩性能好。
5、 四川对钢纤维的选用
佳密克丝钢纤维性能很好，但价格甚高，约为剪切钢纤维的2.5倍；铣削钢纤维不易生锈，不结团，拌合简单方便，但价格较高（为剪切钢纤维的1.5倍），且因等效直径大，因而掺加种类大。所以这两种钢纤维均用在一些质量要求高，经费充足的工程上。
聚丙烯纤维对混凝土人性增加大，对强度改善不足，故用于重在改善抗裂、抗震、抗渗等性能的地方。多数人看中其价廉且改善混凝土抗裂、抗震、抗渗好的特点，将其用于桥面铺装中。
6、 纤维的保管合运输
对于铣削钢纤维、佳密克丝纤维、聚丙烯纤维，不存在锈蚀问题。而对一般剪切钢纤维，相对表面积大，又未作表面处理，因而保管合运输过程中易生锈，生锈后严重损失有效截面，且易于结团，故要注意防潮。最好是边生产边使用，保存期不超过半个月。
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