公 路 与 汽 运 总第１４０期 Ｈｉｇｈｗａｙｓ＆Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ９５ 钢纤维砼的应用及施工技术研究 曹 雪 （邯郸市青红高速公路管理处，河北邯郸０５６００１） 摘要：从线弹性断裂力学角度，研究了钢纤维对砼的增强机理，说明了钢纤维对于砼裂缝产 生和发展的约束作用；分析了钢纤维对砼的增强效果的影响因素；介绍了钢纤维砼原材料选择、配 合比设计要求及施工工艺。 关键词：公路；钢纤维；砼；增强机理；配合比设计；施工工艺 中图分类号：Ｕ４１６．２１６ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１６７１—２６６８（２０１０）０５—００９５—０３ 水泥砼路面仍然是中国高速公路路面两大主要 类型之一。但目前中国水泥砼路面路龄较长，长期 １．２增强机理分析 众所周知，砼会因受物理和化学作用而产生体 积变小的收缩现象。在钢纤维砼成型过程中，集料 颗粒因自重而下沉，但互相交叉的钢纤维增加了下 沉阻力，从而减少了砼的沉降收缩。砼终凝后，水泥 在水化和硬化过程中使砼产生化学收缩和干燥失水 的物理收缩，砼内部不可避免地产生肉眼观察不到 的微裂缝，大部分分布在粗骨料表面和水泥浆中。 以来在超限运输的作用下，砼的固有弱点愈发突出， 如抗拉强度低、韧性差等，限制了砼优势的发挥，大 量砼路面需要进行维修。随着国民经济的迅猛发展 和交通量的急剧增加，对砼的性能要求也越来越高。 因此，人们致力于使砼向质轻、高强、具有韧性等方 向发展，以扩大其使用范围。 钢纤维砼是一种在普通砼中掺配一定数量短而 细的钢纤维所组成的新型高强复合材料。由于钢纤 维能阻止砼裂缝的产生，因而钢纤维砼不仅具有普 通砼的良好性能，还具有优良的抗折、抗冲击、耐疲 外掺的无数钢纤维被水泥的水化产物所包裹，以针 状形式存在于水泥浆中，从而减少了水泥水化硬化 产生的微裂缝，提高了基体砼的结构强度。 从受力角度分析，钢纤维砼受力初始，由水泥石 和粗骨料共同分担外力，微裂缝几乎无变化。当外 劳、耐磨及收缩小、韧性好等特性。 １钢纤维砼性能及机理分析 １．１钢纤维砼的主要性能 力继续增加，超过水泥浆体所能承受的拉力时，基体 砼应变基本达到极限值，荷载会通过水泥浆与纤维 的粘结传递给钢纤维。钢纤维自身较高的强度对砼 钢纤维的掺人，使砼性能发生明显改善。和普 通砼相比，钢纤维砼具有以下特点： 基体产生约束作用，从而限制已有裂缝的扩展和延 缓新裂缝的出现，并使裂缝间距和宽度变小。 （１）抗拉强度、弯拉强度和抗剪强度均有所提高。 （２）在配合比设计和拌和工艺上采取相应措施 可使钢纤维在基体中分散均匀，拌合物具有良好的 施工性能。 ２钢纤维砼性能影响因素 因为钢纤维本身的抗拉强度较高，当钢纤维砼 破坏时，多数情况下钢纤维不会被拉断，而只是从砼 （３）收缩变形较基体砼有一定程度降低，钢纤 维在基体中可明显降低温度收缩裂缝，减少砼微裂 缝和阻止微裂缝的进一步扩展。 中拔出。因此，可通过改善纤维与砼间的粘结强度 来进一步提高纤维砼的优良性能。 ２．１纤维长径比 （４）钢纤维砼受压破坏时基体砼裂而不碎，其 受拉弹性模量比普通砼高２Ｏ％，弯曲韧性和压缩韧 纤维太长易于成团，会影响混合料的和易性和 施工质量，不利于砼强度形成；而纤维太短，则起不 性均有一定程度的提高。 （５）钢纤维砼的耐磨性、耐蚀性、耐冲刷性、抗 冻融性和抗渗性等耐久性评价指标均得到不同程度 的提高。 到增强作用。故一般纤维长度为２Ｏ～６０ ｍｍ，长径 比为４Ｏ～１２０。 ２．２外掺剂 加入一些外掺剂能提高纤维与砼的粘结性能， 公 路 与 汽 运 ＨｉｇｈｗａｙｓＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ９６ 第５期 ２０１０年９月 如掺入一定量的硅灰能较大程度地提高基体砼与钢 纤维的粘结强度及纤维砼的抗折强度。 ２．３纤维形状 ２．４纤维掺量 钢纤维含量（体积比）较少时起不到增韧的效 果，砼仍然呈脆性破坏；钢纤维含量过大则影响拌合 料的和易性，不便于施工。一般钢纤维掺量宜为 １ ９／６～２ 。 基体砼与纤维间的机械咬合力与钢纤维的形状 有关，钢纤维为波纹形或端部采用弯钩等能有效增 加纤维与砼基体的比表面积和粘结锚固作用。常用 端钩型钢纤维、剪切型钢纤维和压痕型钢纤维如图 ２．５纤维分布位置 纤维在砼中的分布位置对性能影响也较大。若 纤维大多数分布于砼受拉区域，且纤维径向就是受 １所示。改善纤维形状可改善基体与纤维间的摩擦 力和机械咬合力。 拉方向，则纤维对砼的增韧效果达到最佳。 一■量 ３钢纤维砼配合比设计 ３．１原材料 所用原材料及其质量控制要求如表１所示。 ３．２配合比设计 端钩型钢纤维 剪切型钢纤维 压痕型钢纤维 钢纤维砼配合比设计是将组成材料（包括钢纤 图１常用钢纤维的形状 维、水泥、水、骨料及外加剂等）进行合理掺配，使砼 表１钢纤维砼原材料质量要求 材料名称 质量控制要求 表面洁净，无锈、无油，保证钢纤维与砼的粘结强度；绝对不允许钢纤维因分散不均而相互 钢纤维 粘结成团；为使钢纤维能均匀分布于砼中，必须使钢纤维具有合适的长径比 水泥 采用不小于４２５ 的硅酸盐水泥 根据强度要求选择适宜的骨料粒径，粗骨料一般为１０～２０ ｍｍ碎石，其最大粒径不宜超过 … …。 钢纤维长度的２／３；细骨料为０．１５～５ ｍｍ中粗砂；细骨料与粗骨料的比值宜为０．６～Ｏ．７ 外加剂 选用优质减水剂，可根据需要选用硅灰 具有一定的施工和易性，满足一定抗压强度、抗折强 比等进行调整。 度及耐久性和经济性的要求。在进行钢纤维砼配合 （６）计算各原材料用量，确定试验配合比。 比设计时，应使所掺钢纤维分散均匀且其表面被砂 （７）按试验配合比进行拌合料强度试验，调整 浆裹满，保证钢纤维砼的使用性能。钢纤维的加入 原材料单位体积用量和砂率，确定强度试验用基准 必然导致砼的和易性有所降低，可适当增加单位用 配合比。 水量和单位水泥用量来进行调整。钢纤维砼配合比 钢纤维砼坍落度可比相应等级普通砼要求值小 设计步骤： ２０ ｍｍ，其维勃稠度值与相应等级普通砼要求值相 （１）根据强度设计值及施工配置强度提高系数 同。表２列出了一般工程和重要工程常用钢纤维砼 确定试配抗压强度和抗折强度。 的配合比。 （２）按试配抗压强度计算水灰比，水灰比不得 大于０．５。 ４钢纤维砼施工工艺 （３）根据试验抗折强度计算确定钢纤维体积 ４．１工艺流程 率，一般体积率为１ ～２ 。 钢纤维砼的施工工艺流程：原材料准备和混合 （４）通过试验确定单位体积用水量，如掺用外 料配合比设计一测量放样一支立模板一拌和砼一运 加剂，则应考虑外加剂的影响。 输砼一泵送砼一摊铺砼一振动棒振捣砼一平板振动 （５）根据试验确定砂率，一般为５Ｏ 左右，使用 器振捣砼一表面平整一接缝施工一养生一拆模一填 时需根据所用材料的品种、规格、纤维体积率、水灰 嵌缝料。 公 路 与 汽 运 总第１４０期 Ｈｉｇｈｗａｙｓ＆Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ 表２工程上所用钢纤维砼的配合比 ９７ ４．２砼的拌和、运输与泵送 （１）钢纤维的分散。钢纤维一般用袋装，排列 较密实，若一次性直接投入搅拌机极易出现结团现 象。因此，宜先采用分散机将钢纤维分散后再投入 搅拌机拌和。 （２）投料顺序和方式。钢纤维砼路面施工的关 键在于搅拌。为了防止钢纤维结团，采取分级投料 的方式，按照砂一钢纤维一碎石一水泥的顺序、采用 先干后湿的工艺，混合料先干拌１ ｒａｉｎ，然后加水和 外加剂湿拌２ ｍｉｎ。 （３）砼的运输。砼采用自卸运输车运输。砼从 搅拌完成到压送不超过１ ｈ。 （４）砼的泵送。泵送前，选用适量同标号水泥 砂浆润滑输送管壁。泵送过程中，受料斗内应有足 够的砼，防止吸人空气，发生堵塞。 ４．３砼的浇筑与养护 钢纤维高强砼的浇筑是控制施工质量的重要环 节，直接影响砼的密实性和整体性。浇筑中应注意： （１）混合料泵送到浇筑点后应及时摊铺。摊铺 应按板边、边角和板中的顺序进行，并严格控制摊铺 厚度，预留１５ ～２０ 板厚的沉降量，以便于整平。 振捣通常以平板振捣器为主，振捣时间以１５～３０ Ｓ 为宜，以砼停止下沉且不再冒气泡、泛水泥浆为标 准，不宜过振。振捣时辅以人工找平，砼整平采用振 动梁振捣拖平，再用钢滚筒依次滚压进一步整平，整 平的表面不得裸露钢纤维。做面时先找平再抹平， 抹面宜采用塑料抹和木抹，亦不得有钢纤维露出表 面。拉毛时应避免把钢纤维带出，采用滚式压纹器 其处理效果更佳。 （２）砼做完面后，应及时进行湿法养护，一般钢 纤维砼养护时间不少于１４ ｄ。砼终凝后应及时覆盖 草袋，并每天洒水使其处于潮湿状态。与此同时封 闭交通，待砼强度达到规定要求后才可开放交通。 ４．４切 缝 切缝时间根据施工温度和钢纤维砼的强度而 定，一般当砼强度形成２５ ～３Ｏ 时即可采用切缝 机进行缩缝切割。禁止过早切缝，切缝时间参照一 般水泥砼路面。 ５ 结 语 为了进一步提高水泥砼的强度和耐久性，改善 其脆性大、抗拉强度低、韧性差等性能，近年来钢纤 维砼作为高速公路面层材料在公路工程中得到较广 泛的应用。与普通水泥砼相比，钢纤维砼有着优良 的抗弯拉、抗裂、抗疲劳、抗冲击、抗收缩等力学性能 优势，而且施工方便，浇筑工艺基本与普通水泥砼路 面相同，造价也相对合理。从实际应用效果来看，钢 纤维砼的经济效益和社会效益均较好，有待进一步 进行大规模、大范围的推广应用。 参考文献： ［１］林小松，杨国林．钢纤维高强与超高强混凝土［Ｍ］．北 京：科学出版社，２００２． ［２］徐至均．纤维混凝土技术及应用［Ｍ］．北京：中国建筑 工业出版社，２００５． ［３］卢亦焱．钢纤维混凝土材料及其在路面工程中的应用 ［Ｊ］．公路，２０００（４）． ［４］姚志立，胡柏学，袁铜森，等．纤维网混凝土的性能及工 程应用［Ｊ］．湖南交通科技，２００３，２９（３）． ［５］关字．钢纤维混凝土的组成、特点及应用［Ｊ］．当代建 设，２００３（６）． ［６］应德星，程俊松．浅谈钢纤维混凝土在混凝土路面中的 应用［Ｊ］．四川建材，２００７（１）． ［７］吴鹏，唐军．基于正交设计法的钢纤维砼配合比试验研 究［Ｊ］．公路与汽运，２００９（１）． ［８］潘爱华，刘晓晖，左卓．钢纤维砼路面在道路改建工程 中的应用［Ｊ］．公路与汽运，２００９（２）． ［９］雷雨．钢纤维混凝土在隧道路面中的应用研究［Ｄ］．长 沙：长沙理工大学，２００８． ［１Ｏ］ 李凤兰．钢纤维高强混凝土材料与结构性能研究 Ｉ－Ｒ］．郑卅ｌ：华北水利水电学院，２００６． 收稿日期：２Ｏ１Ｏ—Ｏ６—２２