摘 要 鋼纖維混凝土是一種性能優良的新型復合材料。與普通混凝土相比, 在同等條件下其抗拉、抗彎、抗裂及耐磨、耐沖擊、耐疲勞、韌性等性能較高, 它可使面層減薄, 縮縫間距加大, 改善橋面的使用性能, 延長橋面使用壽命。鑒于黃河龍口公路橋的重要性及橋面通行主要是施工用的大型車輛及兩岸之間的大型運輸車輛, 對橋梁的沖擊、磨損等都較正常情況下要大, 所以大橋設計時, 將橋面鋪裝設計為鋼纖維混凝土橋面。
關鍵詞 鋼纖維 混凝土 公路橋 橋面設計 龍口水利樞紐
中圖分類號 TU37719 + 4 文獻標識碼 B 文章編號 100726980 (2007) 0220042202
鋼纖維混凝土是近幾年發展起來的新技術, 已在公路路面、橋面、機場跑道等工程中得到廣泛應用, 同時也取得了一定的經濟效益和社會效益。在同等條件下其抗拉、抗彎、抗裂及耐磨、耐沖擊、耐疲勞、韌性等性能都明顯優于普通混凝土, 該技術已應用于黃河龍口公路橋橋面, 改善了橋面性能, 是應用非常成功的例子。
黃河龍口公路橋位于黃河北干流龍口水利樞紐下游0．79 km 處, 處于山西省和內蒙古自治區的交界地帶, 左岸是山西省忻州市河曲縣, 右岸是內蒙古自治區鄂爾多斯市準格爾旗。橋址處距上游的萬家寨水利樞紐黃河公路橋40 km (陸路) , 距下游天橋水電站黃河公路橋80 km (陸路) 。橋址處距河曲縣城16 km , 距準格爾旗薛家灣70 km。黃河龍口公路橋是黃河龍口水利樞紐施工期間連接兩岸交通的惟一通道。作為黃河龍口水利樞紐的兩岸交通永久配套工程, 它是樞紐建設前期四通一平的重要組成部分, 樞紐施工期間, 大量的物資、土石方、水泥、鋼材等原材料都必須經由黃河龍口公路橋運往兩岸, 施工單位及建設管理等單位大量來往于兩岸的車輛, 也須經由黃河龍口公路橋通過, 并且隨著山西、內蒙古兩岸的經濟發展, 該橋的紐帶作用更加顯著。目前國民經濟建設和公路交通事業飛速發展, 公路上的車輛荷載及密度越來越大, 行駛速度越來越快, 致使路面的損壞也日趨嚴重起來。特別是對損壞的水泥混凝土路面而言, 不僅翻修投資大, 且施工周期較長, 嚴重影響交通暢通及行車安全。鑒于黃河龍口公路橋的重要性及橋面通行的主要是大型施工車輛及兩岸之間的大型運輸車輛, 對橋梁的沖擊、磨損等都較正常情況下大, 所以大橋設計時, 將橋面鋪裝設計為鋼纖維混凝土橋面。
1 鋼纖維混凝土改善橋面性能的機理作用
混凝土是一種多相復合材料。由于收縮、泌水以及骨料下沉等原因, 混凝土在粗骨料表面和水泥漿結構中會產生微裂縫。在重車的沖擊下和溫度變化的作用下, 微裂縫不斷產生和擴展, 并與孔隙等其它先天缺陷匯合, 產生較大的應力集中, 成為橋面混凝土破壞的根源。
鋼纖維混凝土是在普通混凝土中隨機摻入亂向分布的鋼纖維所形成的一種新型的多項復合材料。摻入鋼纖維后, 橋面混凝土的抗裂性能得到明顯改善, 有較好的阻裂作用, 當裂縫尖端與鋼纖維相遇時, 因裂縫無法直接通過而偏轉了方向, 緩沖了裂縫尖端處的應力集中程度, 阻止了裂縫的擴展。鋼纖維混凝土的裂紋擴展過程大致是: 隨著荷載的增加, 當裂縫擴展通過或改變方向繞過纖維增強效應區時, 裂縫將受到纖維的阻擋而緩慢發展或改變方向繞過纖維而在另一個較易通過的區內通過, 然后又被其他纖維阻擋。同時, 開裂區的纖維提供拉拔阻力, 阻止裂紋張開。由于纖維的亂向分布, 使這種阻裂也是亂向的, 這樣就增加了裂紋開裂路徑的曲折性, 使鋼纖維混凝土材料在荷載作用下表現為裂紋緩慢地增長, 呈現出“塑性”特征。鑒于鋼纖維的阻裂作用, 使鋼纖維混凝土在破壞之前有較大范圍的緩慢穩定裂縫擴展。
如果微裂縫的長度大于纖維間距, 鋼纖維將跨越裂縫起到傳遞荷載的橋梁作用, 約束裂縫的進一步擴展; 如果微裂縫的長度小于纖維間距, 纖維將迫使其改變延伸方向或跨越纖維生成更微細的裂縫場, 顯著增大了微裂縫擴展的能量消耗。在橋面荷載增大, 超過水泥漿體所能承受的拉力時, 這些拉力通過水泥漿與纖維的粘結力傳遞給鋼纖維, 因此鋼纖維混凝土橋面能比普通混凝土橋面承受更大的荷載并產生彈塑性變形。鋼纖維的約束作用, 推遲了新裂縫的出現并限制了裂縫的擴展。在相同荷載時, 由于鋼纖維的彈性模量較混凝土基體的彈性模量高出10 倍以上, 所以大部分荷載由橫貫裂縫的鋼纖維來承擔, 從而提高了橋面鋪裝的承載能力。
從斷裂力學來講, 鋼纖維對橋面混凝土最有效的增強狀態是鋼纖維較密集地分布于應力大的部位。鋼纖維的取向最好是主拉應力的方向, 以提高其增強效率。因此施工時應盡可能的使鋼纖維均勻分布在橋面混凝土基體中, 最好能使鋼纖維定向排列并處于有利的方向和部位, 使其達到最佳受力狀態, 發揮最大的增強效果。
隨著鋼纖維摻量的增大, 橋面混凝土的剪切延性有所提高。鋼纖維對延性的增強主要是通過兩個方面來實現: 一方面鋼纖維改善了橋面混凝土的韌性, 顯著提高了剪壓區橋面混凝土的極限壓應變和變形能力; 另一方面, 跨越斜裂縫的鋼纖維承擔了橋面混凝土釋放的應力, 并限制斜裂縫的開展, 增強了骨料的咬合作用, 斜裂縫張開的過程同時也是鋼纖維緩慢拔出的過程, 使得荷載在達到峰值以后, 能夠相對緩慢地回落。
由于鋼纖維混凝土的破壞主要是鋼纖維的拔出而不是拉斷, 因此鋼纖維的增強主要取決于鋼纖維混凝土基體界面的粘結強度。提高粘結強度除與基體的性能有關外, 就鋼纖維本身來說, 應該從鋼纖維的表面和形狀來改善它與基體的粘結性能。為了提高鋼纖維的粘結強度, 常采用: 使鋼纖維表面粗糙化、截面呈不規則形, 增加與基體的接觸面積和摩擦力; 將鋼纖維表面壓痕, 或壓成波形, 增加機械粘結力; 使鋼纖維的兩端異形化, 將兩端制成彎鉤或大頭形等, 以提高其錨固力和抗拔力。
通過以上論述, 鋼纖維混凝土在受荷(拉、彎)初期, 水泥基料與纖維共同承受外力, 當混凝土開裂后, 橫跨裂縫的纖維成為外力的主要承受者。鋼纖維的摻入, 顯著地提高了混凝土的抗拉強度及由主拉應力控制的抗彎強度、抗剪強度。鋼纖維混凝土較好的韌性及控制裂縫的能力, 彌補了混凝土的不足, 成為混凝土良好的改性材料。
鋼纖維混凝土橋面的鋼纖維摻入量體積比為0．6 %～2．0 % , 單絲鋼纖維抗拉強度不小于600MPa , 應使用經過防銹處理且具有錨固端的鋼纖維; 鋼纖維長度應與混凝土粗集料最大公稱粒徑相匹配。鋼纖維用量適當加大, 施工過程中選擇最佳配合比, 認真執行操作規程, 特別要注意振搗器具的選擇和使用才能使得橋面完好使用。
2 鋼纖維混凝土在黃河龍口公路橋橋面設 計中的應用
橋面鋪裝不是橋梁的主要承重結構, 而是橋梁的附屬結構, 因而常被設計和施工所忽視, 造成了橋面開裂、損壞。橋面開裂后, 由于滲水銹蝕作用, 加上裂口處水泥砂漿的迅速磨損脫落, 會直接影響橋面及梁體的耐久性。因此, 橋面鋪裝混凝土的設計應不以極限強度而以初抗裂強度為控制目標。
黃河龍口公路橋主橋共14 跨, 單跨40 m , 橋型為先簡支后連續結構, 上部結構最終由兩聯5 跨和一聯4 跨的三聯連續梁組成, 因此, 橋面鋪裝層最長達200 m , 采用普通鋼筋混凝土, 必須設置多道橋面伸縮縫, 不利于橋梁的行車順暢和耐久使用。結合龍口橋的運行特點, 充分利用鋼纖維混凝土的優良特性, 在設計中采用25 cm 厚C40 超厚高強的雙鋼(鋼纖維+ 鋼筋) 混凝土橋面鋪裝, 200 m長不設伸縮縫, 只設假縫。橋面鋪裝混凝土內的鋼纖維摻量為016 %(體積比) ,設置鋼筋網(15 cm ×15cm) 。此技術的采用, 減少了伸縮縫, 減小了車輛對橋面的沖擊。在同等條件下, 摻鋼纖維混凝土比普通橋面混凝土的抗彎強度提高3 倍左右, 抗拉強度提高2 倍左右, 疲勞強度提高50 % , 抗裂強度提高2 倍, 抗壓強度提高20 % , 由此可見, 鋼纖維混凝土的抗裂性與抗沖擊是非常優異的。
3 結 語
黃河龍口公路橋建成通車1 年半, 橋面仍完好無裂紋。充分體現了鋼纖維混凝土除了具有良好的抗彎強度外, 而且還具有優異的抗沖擊、抗開裂性能。為黃河龍口水利樞紐的開工興建奠定了基礎。該工程技術在龍口公路橋的成功應用說明鋼纖維混凝土在改善橋面性能上具有廣闊的前景。
