钢纤维水泥混凝土路面材料性能研究精编2篇

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钢纤维水泥混凝土路面材料性能研究1

关键词：钢纤维；混凝土；性能； 研究

中图分类号： TV331 文献标识码： A

1、综述

钢纤维水泥混凝土是将钢纤维均匀地分散于基体混凝土中，通过分散的钢纤维减少动态荷载作用在基体混凝土上引起的应力集中，减缓混凝土裂缝的产生，提高复合材料的抗裂性。同时由于混凝土与钢纤维界面间有很大的粘结力，因而可将外力传递到抗拉强度大、延伸率高的钢纤维上，显著地提高了素混凝土的抗弯拉强度、抗冲击韧性、抗裂性、抗疲劳性能和耐久性等，使钢纤维水泥混凝土整体强度均衡地提高，以有效抵抗外力作用。钢纤维在水泥混凝土路面的添加，明显减少路面的龟裂、断板破损等病害，使得混凝土由脆性材料转变为具有良好韧性的复合材料，有效提高路面行车舒适性、行车安全及通行能力，并显著提高路面的使用寿命。

2、计算模型的建立

为了给钢纤维水泥混凝土结构设计与计算提供科学依据，根据使用特点，并结合路面的性能指标和设计要求，将路面看作三维结构，结合弹性层状体系理论为基础，采用ANSYS中的接触单元模拟层间结合的复杂情况对该结构进行应力计算与分析。

地基有效计算范围

对于SFRC结构，地基为弹性半空间体，它在水平和垂直方向上是无限大的，而有限元求解时不可能在无限域内划分单元，因此要合理地确定地基的三维尺寸。

本文取初始尺寸×16m(两块8m板)，逐渐扩大平面尺寸和地基深度，观察其对板底荷载应力的影响，直到应力收敛为止，从而可以确定地基的有效计算尺寸。本文在计算分析的基础上，分别确定地基的有效计算深度和平面尺寸。

地基有效计算深度确定

选取的基本模型的参数为：钢纤维混凝土路面板平面尺寸为×16m，材料参数见表1，地基平面尺也为×16m，基层顶面当量回弹性模量Et=186Mpa，泊松比为。

表1 有限元计算各层材料参数

编号 结构层 材料 弹性模量E/MPa 泊松比μ

1 沥青层 沥青混凝土 1200

2 钢纤维混凝土层 钢纤维混凝土 31000

3 调平层 C10水泥混凝土 16000

4 钢纤维 200000

5 围岩 岩石 5000

选用荷载为现行路面设计标准轴载BZZ-100，轮胎内压，轮压半径为，两轮间距为32cm(约3)，轴宽为182cm。假定轮胎内压与轮胎接地压力相等。为计算的方便，假设轮胎的接地面积为矩形，其尺寸为2××，轮胎双轮中心间距30cm。应力计算点为板底纵边中部。

在此基本模型的基础上，改变地基的深度，计算结果如表2。

表2 地基计算深度的确定

地基深度(m) 2 3 4 5 6

主应力(MPa)

由表2可以看出，当地基计算深度逐渐增大时，主应力收敛速度很缓慢，基本呈线性减小，当地基深度大于4m后，基本己收敛。因此，取地基有效计算深度为4m。

地基有效计算平面尺寸确定

采用以上相同的参数，地基深度取4m，平面尺寸为a×b，计算结果如表3：

表3 地基计算平面尺寸的确定

序号 1 2 3 4 5

平面尺寸(m×m) ×16 ×16 ×16 ×16 ×16

主应力(MPa)

由上表可以看出，当地基平面尺寸扩大时，板底主应力收敛明显，当平面尺寸为×16m时，再扩大地基变化已很小，即当此平面后，应力基本收敛，故取地基平面尺寸为×16m。

综合以上计算分析结果，利用三维等参元对钢纤维混凝土复合式沥青路面结构进行应力分析时，地基有效计算范围取为B=， L=16m，Z=4m，可以满足精度要求。

计算结果及分析

依据《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTJ D40-2002)的要求，临界荷载位置为纵向边缘中部，本次计算不考虑温度应力的作用，因此通过有限元模型，只分别计算不同板长时钢纤维混凝土层底以及接缝处的应力变化情况，板长分别取6m、8m、10m、12m、14m、16m、18m、20m，计算结果可以看出，随着板长的增大，层底的最大拉应力基本出现在接缝处附近，而竖向剪应力最大值也基本处在接缝位置处，通过有限元计算不同钢纤维混凝土板长的板底拉应力和接缝处的剪应力。计算结果如下：

表4 不同板长板底和接缝处应力结果

板长(m) 6 8 10 12 14 16 18 20

层底最大拉应力(MPa) - - -

最大竖向剪应力(MPa) - - - - - - - -

从以上结果和图可以看出，随着板长的增长，板底的拉应力基本是趋向减少；接缝处的竖向剪应力曲线走向是先降低，然后到16m板长的时候开始变大，在18m时稍微增加，但在板长为20m时达到最大值。因此根据规范的要求和根据工程实际情况，建议钢纤维混凝土路面钢纤维混凝土板长取值范围为6~18m，根据计算结果推荐采用16m板长。

3、 配合比的设计和考核指标

配合比的设计

本文主要是通过试验验证一个钢纤维混凝土的基准配合比和普通混凝土的性能差别，还通过钢纤维的不同掺量，来验证钢纤维掺量对混凝土各种主要性能的影响，以此验证钢纤维混凝土的优良性能。

本试验钢纤维混凝土基准配合比设计强度为C40，钢纤维混凝土钢纤维体积率为1%的配合比为：水泥、砂、石、钢纤维、外加剂、水的用量分别为445、804、988、78、3. 56、178kg(即钢纤维混凝土的体积率、砂率、水灰比、水泥用量分别为1%、%、、445kg) 。普通混凝土的配合比为：水泥、砂、石、钢纤维、外加剂、水的用量分别为440、749、1079、0、3. 52、175kg(即钢纤维混凝土的体积率、砂率、水灰比、水泥用量分别为0%、%、、440kg)。

考核指标

道路用钢纤维混凝土配合比设计按照抗弯拉强度和抗压强度进行双控。采用以抗弯拉强度为主控指标进行设计，抗折试件的抗压强度作为混凝土强度等级的参考。本试验在其他因素比如水灰比、砂率等不变的情况下，只改变钢纤维的掺量，主要考核钢纤维混凝土的抗压、劈裂抗拉和抗折强度。在选定较好的配合比基础上，再对试件进行X射线探伤试验，以观察钢纤维混凝土中钢纤维的分布情况。

性能试验与分析

试件制作

试验的试件制作过程如下：

(1) 按已定的水灰比、钢纤维用量、砂率和水泥用量确定出每组需要的集料用量，其中外加剂量也统一取/m³。

(2) 根据各种试验的要求采用不同尺寸的标准钢试模共计45个(包括普通混凝土的9个试件)。每组试验号需制作9个试件。每小组3个，结果取平均值。抗压和劈裂抗拉试件采用100mm×100mm×100mm立方体为标准试件，抗折采用100mm×100mm×400mm的小梁为标准试件。再由试模总体积计算出所需各种材料的用量。

(3) 采用强制式混凝土搅拌机拌和，在振动台上振动密实成型。为保证钢纤维拌和均匀，先采用干拌法，即先搅拌粗细骨料，在搅拌的过程中陆续加入水泥，拌合均匀后再均匀撒入钢纤维，上述材料搅拌大体均匀时，再加水和外加剂水溶液进行湿拌，直至均匀，搅拌、投料流程如图1所示。

图1 钢纤维混凝土投料流程图

(4) 测试所拌和混凝土的坍落度，然后尽快把和易性好的混凝土进行装模。装模前需要将试模内壁擦净，并涂脱模剂。

(5) 静停24h后折模，把试件进行标准养护（温度20±2℃，湿度≥90%），到规定龄期，然后进行试验。

试件要求

到达养护龄期后从养护室内取出试件，擦净后检查外观并测量尺寸，精确至1mm。抗压试件应检查承压面不平度，每100mm不大于。抗折试件检查跨中1/3的受拉区不得有直径大于7mm、深度大于2mm的表面孔洞。然后对试件按照《钢纤维混凝土试验方法》CECS 13:89中的规定进行试验。

抗压强度试验

SFRC可看成是由基相和分散相组成的多相复合材料，其抗压性能受基相、分散相和结合面力学性能的影响，但是由于浇筑时期混凝土的泌水作用和干燥期间水泥浆的收缩受到混凝土中骨料的限制作用，这些隐藏的结合面就逐渐形成微裂缝(即所谓骨料界面处的粘结裂缝)，复合材料受到荷载以后，这些微裂缝就会进一步的发展，从界面到砂浆、水泥石，逐步扩展为宏观裂缝，其破坏过程就是其裂缝的产生、扩展和失稳的过程。

试验在长沙理工大学公路工程试验中心进行，采用边长为100mm的标准立方体试件，在2000kN液压万能试验机上进行。加载速率控制在/S。将试件的侧面作为承压面，安放在试验机下，对试件进行连续、均匀加荷。当试件临近破坏、变形速度增快时，应停止调整试验机油门，直至试件破坏。记录最大荷载，精确至。抗压强度根据《钢纤维混凝土试验方法》CECS 13:89，按以下公式计算：

(1)

式中――钢纤维混凝土立方体抗压强度（MPa）

――最大荷载（N）

――试件承压面积

以3个试件测值的算术平均值作为该组试件的抗压强度值，若其中的最大值或最小值与中间值之差大于中间值的15%，则取中间值为该组试件的抗压强度值；如果二者与中间值相差均大于中间值的15%，则试验结果无效。

因为边长为100mm的立方体试件，因此测得的抗压强度值，应乘以尺寸换算系数。

抗压强度试验结果见下表5。

表5 抗压强度试验结果

试验方案 试验结果

试验编号 钢纤维掺量(%) 水灰比 砂率(%) 坍落度(mm) 28d抗压强度(MPa)

1 0

2

3

4

5

对试验结果采用线性回归分析，得出不同掺量的钢纤维对抗压强度的提高有着比较好的线性关系，见图2如下：

图2 钢纤维混凝土抗压强度线性回归图

试验结果可以看出随纤维体积率的增大，每种试件的抗压强度都稍有增加，但提高不大，幅度为%~%。抗压强度曲线光滑而平缓。因此，影响钢纤维混凝土抗压强度的主要因素仍和普通混凝土一样，是水泥强度、水灰比及粗、细集料的性能等混凝土基体因素起主导作用，而不是钢纤维的掺量，钢纤维并不显著提高混凝土的抗压强度。

劈裂抗拉强度试验

抗拉强度是混凝土的基本力学性能之一，是确定混凝土抗裂度的一个重要指标，也是间接的衡量混凝土的其它力学性能，如抗剪强度、冲切强度、混凝土与钢筋的粘结强度等的指标。

按照《钢纤维混凝土试验方法》CECS 13:89，劈裂抗拉强度试验采用尺寸为100mm×100mm×100mm立方体为标准试件，在2000kN液压万能试验机上进行，加载速率控制在/S。将成型试件安放在支座上，对试件进行连续、均匀加荷。至试件破坏，记录最大荷载，精确到。劈裂抗拉强按以下公式计算：

(2)

式中――钢纤维混凝土劈裂抗拉强度(MPa)

――最大荷载(N)

――试件劈裂面面积(mm²)

以3个试件测值的算术平均值作为该组试件的劈裂抗拉强度值。测值离散性较大时的数据处理应和抗压强度值处理方法一致。

因为采用的是边长为100mm的立方体试件，因此测得的劈裂抗拉强度值，应乘以尺寸换算系数。

钢纤维混凝土劈裂抗拉强度试验见表6

表6劈裂抗拉强度试验结果

试验方案 试验结果

试验编号 钢纤维掺量(%) 水灰比 砂率(%) 坍落度(mm) 劈裂抗拉强度(MPa)

1 0

2

3

4

5

对试验结果采用线性回归分析，得出不同掺量的钢纤维对劈裂抗拉强度的提高有着比较好的线性关系，见图3如下：

图3钢纤维混凝土劈裂抗拉强度线性回归图

试验结果可以看出随纤维体积率的增大，每种试件的劈裂抗拉强度都有明显的增加，提高幅度为%~%。劈裂抗拉强度曲线光滑而平缓。当钢纤维掺量的增量相同时，其强度的提高基本成线性增加，趋于直线。因此，钢纤维的加入可以使混凝土的劈裂抗拉强度有较大的提高。

抗折强度试验

抗折强度是钢纤维混凝土(SFRC)设计的一个主要控制指标，也是钢纤维混凝土相比普通混凝土的一个主要优势。SFRC荷载―挠度曲线和普通混凝土有着明显的不同。

按照《钢纤维混凝土试验方法》CECS 13:89的规定，此试验采用尺寸为100mm×100mm×400mm的小梁试件，在2000kN液压万能试验机上进行，加载速率控制在/S。将成型的侧面作为承荷面，安放在支座上。对试件进行连续、均匀加荷。至试件破坏，记录最大荷载，精确到。计算公式如下：

(3)

式中――钢纤维混凝抗折强度(Mpa)

――最大荷载(N)

――支座间距(mm)

――试件截面宽度(mm)

――试件截面高度(mm)

以3个试件计算结果的算术平均值传为该组试件的抗折强度。测值离散性较大时的数据处理，应和抗压强度值处理方法一致。

测得的抗折强度值，因为采用尺寸为100mm×100mm×400mm的小梁试件，所以应乘以尺寸换算系数。

抗折试验如下表7

表7抗折强度试验结果

试验方案 试验结果

试验编号 钢纤维掺量(%) 水灰比 砂率(%) 坍落度(mm) 抗折强度(MPa)

1 0

2

3

4

5

对试验结果采用线性回归分析，得出不同掺量的钢纤维对抗折强度的提高有着比较好的线性关系，见图4如下：

图4 钢纤维混凝土抗折强度线性回归图

试验结果可以看出随纤维体积率的增大，每种试件的抗折强度都有明显的增加，提高幅度为%~%。抗折强度曲线光滑而平缓。当钢纤维掺量为%时，其抗折强度增加幅度更大。因此，钢纤维的加入可以使混凝土的抗折强度有较大的提高。

X-射线探伤

X 射线探伤机是指用于工业产品部件无损检测的X 射线发生装置。他是通过高速电子轰击阳极靶产生X 射线，透照被检验的部件，并在胶片或其他成像装置上得到部件内部结构图像，判断被检验部件有无缺陷的一种装置。本次试验也通过这种仪器得到钢纤维混凝土结构中，钢纤维的分布情况，如下图5。

图5 钢纤维混凝土内部分布图

通过试验可以看出，钢纤维在混凝土结构中分布均匀，也进一步说明此次试验中混合料的拌合、钢纤维的长径比等因素没有造成钢纤维成团的现象，也就是说没有阻碍钢纤维对混凝土各种性能强度的影响。

4、 结语：

(1) 钢纤维的掺量和水灰比是影响钢纤维混凝土强度和坍落度的一个主要因素，合理的选择掺量和水灰比，对钢纤维混凝土的强度、耐久性和工作性能非常重要。

(2) 钢纤维的加入对混凝土的抗压强度提高不大，混凝土的抗压强度是水泥强度、水灰比及粗、细集料的性能等混凝土基体因素起主导作用，而不是钢纤维的掺量，钢纤维并不显著提高混凝土的抗压强度。

(3) 钢纤维对混凝土的主要影响是提高混凝土的抗拉和抗折性能，尤其是抗折性能，因此设计中也主要采用抗折性能这一指标控制。

(4) 钢纤维混凝土的增强和阻裂作用一个重要因素是钢纤维在混凝土中的均匀分布，因此混凝土基体各组成材料与钢纤维参数即长径比的合理匹配，混合料的拌合工艺等，都应重视，才能保证钢纤维在混凝土中的均匀分布，到达钢纤维混凝土优良性能的目的。

参考文献：

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[7] Rob，1976：(l-29，85-146)

路桥工程中钢纤维混凝土施工工艺2

摘 要城市的快速发展对建筑材料提出了更高的要求，钢纤维混凝土因其性能优越、施工方便、价格低等优点在路桥工程中得到了广泛应用。本文首先介绍了钢纤维混凝土的性能，然而结合具体的工程实例剖析了钢纤维混凝土的施工工艺，为同行提供一些借鉴。

关键词路桥施工；钢纤维混凝土；施工技术

混凝土加入钢纤维是为了增强混凝土的强度，是一种新型复合建筑材料，可以提高建筑工程的质量，所以近几年来在国内外得到了广泛的应用。和普通混凝土相比较，它不仅质量轻、强度高且抗变形能力强，能够明显地减轻路桥的自身重量，提高桥梁的耐性，增强裂韧性与抗冲击性，加之施工简便，价格低廉，在路桥等工程建筑领域得到广泛应用。

1 钢纤维混凝土

将直径为、长度为20mm或40mm的短钢纤维均匀地混合到混凝土中就构成了通常所说的钢纤维混凝土（SFRC），其中钢纤维占总混凝土体积的 1% 至2%的。根据掺入的钢纤维的种类不同，可以将钢纤维混凝土分为以下四类，加入切断钢纤维的混凝土，加入切削钢纤维的混凝土，加入剪切钢纤维的混凝土和加入熔抽钢纤维的混凝土，其中熔抽钢纤维拉强度最高，性能最优。依据有关纤维增强机理的各种理论，如纤维间距理论、微观断裂理论与复合材料理论等等，同时借助大量的试验数据，可以得出纤维的增强效果主要取决于以下因素的影响：基体强度（fm），钢纤维长度和直径的比，一般长度用L表示，直径用d表示；纤维的体积率，即在钢纤维混凝土中钢纤维所占总体积的比；钢纤维和基体间的粘结强度，一般用 表示，和钢纤维在基体（混凝土）中的分布与方向，一般用字母 表示。当钢纤维混凝土被破坏时，大都是钢纤维被拔出而不是被拉断，所以改善钢纤维和混凝土间的粘结强度是提高钢纤维效果的主要策略。

钢纤维混凝土主要是通过代替路桥建筑等工程中的钢筋，缩减构件的截面面积或是减小路桥的厚度，调整缝间距等措施提高路桥工程的质量的同时，缩短施工工期，减少路桥工程的成本，还能确保路桥的使用寿命，可以看出钢纤维的优点还是比较显著的。

2 钢纤维混凝土的应用

桥梁中钢纤维混凝土的应用

第一，桥面装修。钢纤维混凝土的使用不仅可以增强桥面的抗裂性、耐久性与舒适性，还可以提升桥梁的抗折强度、桥梁自身的刚度，降低铺装厚度，改变桥梁结构自重，桥梁的受力状况也能得到改善。另外，采用钢纤维混凝土与橡胶沥青混凝土复合使用也是路桥施工中一个很好的选择。桥面铺装如图1所示：

采用钢纤维混凝土可以改善结构受力性能，防止结构变形，减轻桥梁自身的重量，是桥梁结构向大跨度、轻型化方向发展的有效措施。另一方面采用钢纤维混凝土，使桥梁结构性能良好，造型美观大方，同时可减少桥梁上部用料，使下部墩台数量减少，从而降低成本，进而提高了经济效益。另外通过钢纤维混凝土的使用可以降低梁高，进而满足使用上的特殊要求。

图1 桥面铺装流程图

第二，桥梁上部载荷部位。桥梁主拱圈第三，钢纤维混凝土的使用可以对桥梁墩台等局部结构进行加固。对桥梁墩台和桥面板裂缝或表层剥落等情况，采用转子Ⅱ型喷射机喷射 5-20cm钢纤维混凝土以解决上述问题。一般的钢纤维类型大都用剪切钢纤维，其掺量为%；对旧混凝土表面则喷砂或是凿毛，以提升其整体性。

第四，钢纤维混凝土对桩的加强。采用钢纤维混凝土对桩尖局部结构进行增强，这样可以提高桩的穿透力，减少桩的锤击次数，从而大大提升打击速度。通常在桩的顶部或桩尖部位加入钢纤维混凝土，即增强了桩顶的抗冲击韧性，有效避免桩顶在打入预计深度以前出现破裂，又可提升桩尖的入土能力，打击速度提高明显。桩身等其他部位仍可用预应力或者非预应力钢筋混凝土。当然也可全断面整体浇筑钢纤维混凝土，但这样做会降低其经济效益。

路面中钢纤维混凝土的应用

钢纤维混凝土在路面施工时，可有效减少路面的铺设厚度，减少缝隙的设置，增强路面的耐磨性等优点，进而延长路面的使用时间。具体来看，钢纤维混凝地在路面的应用主要有以下两个方面：第一钢纤维混凝土在新建路面工程中的应用。在新建路面施工中，主要是减小路面的厚度，双车道路面无纵缝设置，进而延长路面的使用时间；第二是钢纤维混凝土在修补路面中的应用。在修补路面时，可采取结合式罩面面层和旧混凝土相粘结，使其成为一体，进而发挥结构的整体强度；也可采取分离式罩面层，即在中间设一个隔离层，使各个层次独立起作用。

3 钢纤维混凝土施工技术

钢纤维混凝土的施工过程中主要注意从以下几个方面：

设置钢纤维分散装置

钢纤维易结团，所以在投入搅拌机时，应多次少量进行。分散机功率设置成最佳，分散力在20kg/min -60kg/min之间较合适。在投入搅拌机前应将钢纤维与细骨料均匀搅和，或搅拌多次。

搅拌时间与顺序

为了达到钢纤维均匀分布于混凝土中的目的，就必须严格控制搅拌时间与投料顺序，这是与普通混凝土搅拌的不同之处，也是确保施工质量的关键环节。搅拌顺序一般为先填入砂，再钢纤维，第三放放碎石，最后投入水泥。料在搅拌机内先干拌一分半钟之后，再加水等其他外加剂，再搅拌两分钟。通常来说选择强制式搅拌机或双锥反转出料搅拌机较好。

浇注与振捣

钢纤维混凝土在浇注时，应注意：第一不应该有明显的浇注接头。倒料必须相压15cm至20cm，保持钢纤维混凝土的整体连续性；第二，浇注必须连续进行。这是因为在使用插入式振动棒对钢纤维混凝土振捣时，会使钢纤维朝振动棒聚集，引发集束效应，所以应使用平板振动器振捣。当使用振捣棒时，要确保边角混凝土的密实，必须使钢纤维条状集束排列，这样有利于抵抗温度应力和载荷的传递。

成型

因为钢纤维混凝土有砂率大、纤维乱向分布与粗骨料细等特征，所以钢纤维混凝土路面宜适合应用真空吸水技术，并用机械抹平以预防钢纤维暴露。采取压纹机压纹技术防止拉毛将纤维外露，若已外露，应及时采取措施。

接缝施工

钢纤维混凝土具有收缩性小且抗裂性能好的优点，有的施工路段可以封闭交通的情况下进行，则可以将钢纤维混凝土整幅摊铺，不设纵缝。

运输

在运输过程中，一方面钢纤维混凝土的坍落度与含气量都会有所损失，拌和物稠度下降；另一方面，在振动与重力的作用下使钢纤维下沉，造成钢纤维混凝土质量下降，所以应该尽可能缩短钢纤维混凝土的运输距离，尽量增大料斗的出口尺寸，有条件的可以采取泵送。

养护

钢纤维混凝土浇筑完成以后，应该及时封闭交通，安排专人保养，尽可能避免干缩裂纹的产生，一般来讲，养护时间不得低于一周，必要时还可以采取塑料薄膜覆盖以湿养。

4 结论

（1）钢纤维混凝土是一种具有优良力学性能、优质的复合材料，可以根据要求而调整的材料。伴随着钢纤维生产技术的逐步进步与基础理论的不断完善，钢纤维混凝土在路桥工程的应用将得到进一步的拓宽。

（2）复合路面结构的采用能够充分发挥钢纤维混凝土路用性能，并且可以大大降低工程的造价。应该加强钢纤维混凝土的施工质量，是确保证其性能发挥的关键环节。

（3）开发砂浆渗浇高含量钢纤维与采用聚合物浸渍钢纤维可以进一步提高钢纤维混凝土的物理力学性能，提升路桥的经济效益等，推广应用价值很高。

参考文献

[1]赵冠鹏。钢纤维混凝土应用技术研究[J].河北工业大学成人教育学院学报，2006(3).

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