摘 要 钢纤维混凝土是一种性能优良的新型复合材料。与普通混凝土相比, 在同等条件下其抗拉、抗弯、抗裂及耐磨、耐冲击、耐疲劳、韧性等性能较高, 它可使面层减薄, 缩缝间距加大, 改善桥面的使用性能, 延长桥面使用寿命。鉴于黄河龙口公路桥的重要性及桥面通行主要是施工用的大型车辆及两岸之间的大型运输车辆, 对桥梁的冲击、磨损等都较正常情况下要大, 所以大桥设计时, 将桥面铺装设计为钢纤维混凝土桥面。
关键词 钢纤维 混凝土 公路桥 桥面设计 龙口水利枢纽
中图分类号 TU37719 + 4 文献标识码 B 文章编号 100726980 (2007) 0220042202
钢纤维混凝土是近几年发展起来的新技术, 已在公路路面、桥面、机场跑道等工程中得到广泛应用, 同时也取得了一定的经济效益和社会效益。在同等条件下其抗拉、抗弯、抗裂及耐磨、耐冲击、耐疲劳、韧性等性能都明显优于普通混凝土, 该技术已应用于黄河龙口公路桥桥面, 改善了桥面性能, 是应用非常成功的例子。
黄河龙口公路桥位于黄河北干流龙口水利枢纽下游0．79 km 处, 处于山西省和内蒙古自治区的交界地带, 左岸是山西省忻州市河曲县, 右岸是内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗。桥址处距上游的万家寨水利枢纽黄河公路桥40 km (陆路) , 距下游天桥水电站黄河公路桥80 km (陆路) 。桥址处距河曲县城16 km , 距准格尔旗薛家湾70 km。黄河龙口公路桥是黄河龙口水利枢纽施工期间连接两岸交通的惟一通道。作为黄河龙口水利枢纽的两岸交通永久配套工程, 它是枢纽建设前期四通一平的重要组成部分, 枢纽施工期间, 大量的物资、土石方、水泥、钢材等原材料都必须经由黄河龙口公路桥运往两岸, 施工单位及建设管理等单位大量来往于两岸的车辆, 也须经由黄河龙口公路桥通过, 并且随着山西、内蒙古两岸的经济发展, 该桥的纽带作用更加显著。目前国民经济建设和公路交通事业飞速发展, 公路上的车辆荷载及密度越来越大, 行驶速度越来越快, 致使路面的损坏也日趋严重起来。特别是对损坏的水泥混凝土路面而言, 不仅翻修投资大, 且施工周期较长, 严重影响交通畅通及行车安全。鉴于黄河龙口公路桥的重要性及桥面通行的主要是大型施工车辆及两岸之间的大型运输车辆, 对桥梁的冲击、磨损等都较正常情况下大, 所以大桥设计时, 将桥面铺装设计为钢纤维混凝土桥面。
1 钢纤维混凝土改善桥面性能的机理作用
混凝土是一种多相复合材料。由于收缩、泌水以及骨料下沉等原因, 混凝土在粗骨料表面和水泥浆结构中会产生微裂缝。在重车的冲击下和温度变化的作用下, 微裂缝不断产生和扩展, 并与孔隙等其它先天缺陷汇合, 产生较大的应力集中, 成为桥面混凝土破坏的根源。
钢纤维混凝土是在普通混凝土中随机掺入乱向分布的钢纤维所形成的一种新型的多项复合材料。掺入钢纤维后, 桥面混凝土的抗裂性能得到明显改善, 有较好的阻裂作用, 当裂缝尖端与钢纤维相遇时, 因裂缝无法直接通过而偏转了方向, 缓冲了裂缝尖端处的应力集中程度, 阻止了裂缝的扩展。钢纤维混凝土的裂纹扩展过程大致是: 随着荷载的增加, 当裂缝扩展通过或改变方向绕过纤维增强效应区时, 裂缝将受到纤维的阻挡而缓慢发展或改变方向绕过纤维而在另一个较易通过的区内通过, 然后又被其他纤维阻挡。同时, 开裂区的纤维提供拉拔阻力, 阻止裂纹张开。由于纤维的乱向分布, 使这种阻裂也是乱向的, 这样就增加了裂纹开裂路径的曲折性, 使钢纤维混凝土材料在荷载作用下表现为裂纹缓慢地增长, 呈现出“塑性”特征。鉴于钢纤维的阻裂作用, 使钢纤维混凝土在破坏之前有较大范围的缓慢稳定裂缝扩展。
如果微裂缝的长度大于纤维间距, 钢纤维将跨越裂缝起到传递荷载的桥梁作用, 约束裂缝的进一步扩展; 如果微裂缝的长度小于纤维间距, 纤维将迫使其改变延伸方向或跨越纤维生成更微细的裂缝场, 显著增大了微裂缝扩展的能量消耗。在桥面荷载增大, 超过水泥浆体所能承受的拉力时, 这些拉力通过水泥浆与纤维的粘结力传递给钢纤维, 因此钢纤维混凝土桥面能比普通混凝土桥面承受更大的荷载并产生弹塑性变形。钢纤维的约束作用, 推迟了新裂缝的出现并限制了裂缝的扩展。在相同荷载时, 由于钢纤维的弹性模量较混凝土基体的弹性模量高出10 倍以上, 所以大部分荷载由横贯裂缝的钢纤维来承担, 从而提高了桥面铺装的承载能力。
从断裂力学来讲, 钢纤维对桥面混凝土最有效的增强状态是钢纤维较密集地分布于应力大的部位。钢纤维的取向最好是主拉应力的方向, 以提高其增强效率。因此施工时应尽可能的使钢纤维均匀分布在桥面混凝土基体中, 最好能使钢纤维定向排列并处于有利的方向和部位, 使其达到最佳受力状态, 发挥最大的增强效果。
随着钢纤维掺量的增大, 桥面混凝土的剪切延性有所提高。钢纤维对延性的增强主要是通过两个方面来实现: 一方面钢纤维改善了桥面混凝土的韧性, 显著提高了剪压区桥面混凝土的极限压应变和变形能力; 另一方面, 跨越斜裂缝的钢纤维承担了桥面混凝土释放的应力, 并限制斜裂缝的开展, 增强了骨料的咬合作用, 斜裂缝张开的过程同时也是钢纤维缓慢拔出的过程, 使得荷载在达到峰值以后, 能够相对缓慢地回落。
由于钢纤维混凝土的破坏主要是钢纤维的拔出而不是拉断, 因此钢纤维的增强主要取决于钢纤维混凝土基体界面的粘结强度。提高粘结强度除与基体的性能有关外, 就钢纤维本身来说, 应该从钢纤维的表面和形状来改善它与基体的粘结性能。为了提高钢纤维的粘结强度, 常采用: 使钢纤维表面粗糙化、截面呈不规则形, 增加与基体的接触面积和摩擦力; 将钢纤维表面压痕, 或压成波形, 增加机械粘结力; 使钢纤维的两端异形化, 将两端制成弯钩或大头形等, 以提高其锚固力和抗拔力。
通过以上论述, 钢纤维混凝土在受荷(拉、弯)初期, 水泥基料与纤维共同承受外力, 当混凝土开裂后, 横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者。钢纤维的掺入, 显著地提高了混凝土的抗拉强度及由主拉应力控制的抗弯强度、抗剪强度。钢纤维混凝土较好的韧性及控制裂缝的能力, 弥补了混凝土的不足, 成为混凝土良好的改性材料。
钢纤维混凝土桥面的钢纤维掺入量体积比为0．6 %～2．0 % , 单丝钢纤维抗拉强度不小于600MPa , 应使用经过防锈处理且具有锚固端的钢纤维; 钢纤维长度应与混凝土粗集料最大公称粒径相匹配。钢纤维用量适当加大, 施工过程中选择最佳配合比, 认真执行操作规程, 特别要注意振捣器具的选择和使用才能使得桥面完好使用。
2 钢纤维混凝土在黄河龙口公路桥桥面设 计中的应用
桥面铺装不是桥梁的主要承重结构, 而是桥梁的附属结构, 因而常被设计和施工所忽视, 造成了桥面开裂、损坏。桥面开裂后, 由于渗水锈蚀作用, 加上裂口处水泥砂浆的迅速磨损脱落, 会直接影响桥面及梁体的耐久性。因此, 桥面铺装混凝土的设计应不以极限强度而以初抗裂强度为控制目标。
黄河龙口公路桥主桥共14 跨, 单跨40 m , 桥型为先简支后连续结构, 上部结构最终由两联5 跨和一联4 跨的三联连续梁组成, 因此, 桥面铺装层最长达200 m , 采用普通钢筋混凝土, 必须设置多道桥面伸缩缝, 不利于桥梁的行车顺畅和耐久使用。结合龙口桥的运行特点, 充分利用钢纤维混凝土的优良特性, 在设计中采用25 cm 厚C40 超厚高强的双钢(钢纤维+ 钢筋) 混凝土桥面铺装, 200 m长不设伸缩缝, 只设假缝。桥面铺装混凝土内的钢纤维掺量为016 %(体积比) ,设置钢筋网(15 cm ×15cm) 。此技术的采用, 减少了伸缩缝, 减小了车辆对桥面的冲击。在同等条件下, 掺钢纤维混凝土比普通桥面混凝土的抗弯强度提高3 倍左右, 抗拉强度提高2 倍左右, 疲劳强度提高50 % , 抗裂强度提高2 倍, 抗压强度提高20 % , 由此可见, 钢纤维混凝土的抗裂性与抗冲击是非常优异的。
3 结 语
黄河龙口公路桥建成通车1 年半, 桥面仍完好无裂纹。充分体现了钢纤维混凝土除了具有良好的抗弯强度外, 而且还具有优异的抗冲击、抗开裂性能。为黄河龙口水利枢纽的开工兴建奠定了基础。该工程技术在龙口公路桥的成功应用说明钢纤维混凝土在改善桥面性能上具有广阔的前景。
