钢纤维自密实混凝土在桥梁加固中的运用

钢纤维自密实混凝土在桥梁加固中的运用

发表时间：2018-06-06T10:19:47.173Z 来源：《基层建设》2018年第11期作者：李强官[导读] 摘要：在日常对桥梁病害处治加固维修过程中，常常会遇到在一些特殊位置（如拱桥拱圈内侧），采用普通混凝土加固不便于振捣或者难以振捣密实的情况。

云南交投集团云岭建设有限公司云南昆明 650000 摘要：在日常对桥梁病害处治加固维修过程中，常常会遇到在一些特殊位置（如拱桥拱圈内侧），采用普通混凝土加固不便于振捣或者难以振捣密实的情况。利用自密实混凝土具有良好的流动性（不离析、不泌水、不振能自动流平）、力学性能和耐久性的特性，在加固工作中采用钢纤维自密实混凝土，即可有效解决上述问题。本文重点探讨利用钢纤维自密实混凝土加固桥梁的工艺要求和施工流程。

关键词：钢纤维自密实混凝土；桥梁加固；配制；配合比设计；施工工艺 1.概述

自密实混凝土是采用外加剂、胶结材料和粗细骨料的选择与搭配通过精心的配合比设计，将混凝土的屈服应力减小到足以被因自重产生的剪应力克服，使混凝土流动性增大，同时又具有足够的塑性粘度，令骨料悬浮于水泥浆中，不出现离析和泌水问题，能自由流淌并充分填充模板内空间的一种混凝土。而钢纤维自密实混凝土是在自密实混凝土里掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型的多相复合材料。

2.钢纤维自密实混凝土的特点

钢纤维自密实混凝土集钢纤维混凝土与自密实混凝土的优点于一身。既有钢纤维混凝土抗拉、抗压、抗弯、抗裂性能好的优点，同时还具有自密实混凝土的自密实性能，主要包括良好的流动性和抗离析性，特别适用于桥梁养护加固中空间狭窄、不易振捣的混凝土病害构件的修复及加固

3.钢纤维自密实混凝土的配制

3.1 配制原理

由于钢纤维自密实混凝土配合比的设计是以自密实混凝土配合比设计为基础，掺入钢纤维会影响混凝土的工作性能，为保证在自密实混凝土中掺入钢纤维后仍具有良好的工作性能，关键是保证原材料质量，控制好砂率以及钢纤维的掺量和外加剂的比例。

3.2 材料

（1）水泥

试验验证，普通硅酸盐水泥配制的自密实混凝土较矿渣水泥、粉煤灰水泥配制的混凝土和易性、匀质性好，混凝土硬化时间短，混凝土外观质量好，便于拆模，因此，水泥品种的选择应优先选择普通硅酸盐水泥。（2）矿物掺合料

为减少早期混凝土水化热过大，不利于耐久性和体积稳定性，可掺入适量的矿物掺合料可弥补以上缺陷，并且可改善混凝土的工作性能。矿物掺合料包括如下几种：

a.石粉：石灰石、白云石、花岗岩等的磨细粉，粒径小于0.125mm或比表面积在250~800m2/kg，可作为惰性掺合料，用于改善和保持自密实混凝土的工作性能；

b.粉煤灰：火山灰质掺合料，选用优质Ⅰ级磨细粉煤灰，能有效改善自密实混凝土的流动性和稳定性，有利于硬化混凝土的耐久性；

c.磨细矿渣：火山灰质掺合料，用于改善和保持自密实混凝土的工作性，有利于硬化混凝土的耐久性；

d.硅灰：高活性火山灰质掺合料，用于改善自密实混凝土的流变性和抗离析能力，可提高硬化混凝土的强度和耐久性。（3）细骨料：自密实混凝土的砂浆量大，砂率较大，如选用细砂，则混凝土的强度和弹性模量等力学性能将会受到不利影响，同时，细砂的比表面积较大将增大拌合物的需水量，也对拌合物的工作性产生不利影响，如果选用粗砂则会降低混凝土的粘聚性，故一般选用中砂或偏粗中砂，砂细度模数在2.5~3.0 为宜，砂中所含粒径小于0.125mm的细粉对自密实混凝土的流变性能非常重要，一般要求不低于10%。

（4）粗骨料：各种类型的粗骨料都可使用，最大粒径一般不超过20mm。碎石有助于改善混凝土强度，卵石有助于改善混凝土流动性。对于钢纤维自密实混凝土，一般要求石子为连续级配，可使石子获得较低的空隙率。同时，生产使用的粗骨料颗粒级配保持稳定非常重要，一般选用5~10mm级配石灰岩机碎石。（5）外加剂：配制自密实混凝土常使用各类高效减水剂。掺入适量外加剂后，混凝土可获得适宜的粘度、良好的粘聚性、流动性、保塑性。一般可选用如下几种外加剂：

a.系高效减水剂：较氨基磺酸系高效减水剂稳定性好，与水泥适应性广泛，因此选取减水率在25%以上萘系高效减水剂或以其为主要组分的外加剂；

b.膨胀剂：考虑到自密实混凝土因粗骨料粒径小，砂率高，胶凝材料用量大，易导致混凝土自身收缩量大，因此宜加入8%~10%的膨胀剂，补充混凝土的收缩，减少混凝土开裂的可能性。（6）水：采用洁净的自来水。

（7）钢纤维：采用平直型钢纤维，纤维长度30mm，纤维直径0.5mm，长径比为60，抗拉强度≥1000Mpa。

3.3 砂率与钢纤维掺量的关系

在云南曲胜高速公路响水河特大桥（钢筋混凝土拱桥）拱桥拱圈加固处治工程中，为确保加固质量，拱圈外包混凝土配合比设计即选用了钢纤维自密实混凝土设计。在配合比设计过程中，为了确定砂率与钢纤维掺量之间的关系进行了如下3组试验，试验的基本配合比见表1。

表 1 钢纤维自密实混凝土配合比（kg/m3）

表2 钢纤维自密实混凝土工作性试验结果

由表2知，SCFRCP1Ⅰ~ SCFRCP3Ⅰ的流动性均满足要求，但是进行J环试验时出现了堵塞，因此此3组钢纤维自密实混凝土不具备良好的流动性，通过提高砂率后（SCFRCP1~ SCFRCP3），混凝土出现优良的工作性能，能够满足工作实践的需要。因此，将SCFRCP1~ SCFRCP3的砂率与钢纤维的掺量进行拟合，得到钢纤维自密实混凝土的砂率与钢纤维的掺量关系（）（图1）。

图1 钢纤维自密实混凝土最优钢纤维掺量与砂率之间的关系图

3.4 配合比设计

钢纤维自密实混凝土配合比设计是在自密实混凝土配合比设计的基础上，结合钢纤维最优掺量与砂率之间的关系的配合比设计方法。具体方法如下：

（1）钢纤维自密实混凝土配合比设计的主要参数包括拌合物中的骨料密实体积、砂浆中砂的体积、浆体的水胶比、胶凝材料中矿物掺合料用量。

（2）钢纤维自密实混凝土抗拉相对强度的要求，确定钢纤维掺量。

（式5.2.5-1）

式中，fft为钢纤维混凝土设计抗拉强度（Mpa）；ft为混凝土基体抗拉强度（Mpa）；、lf、df为钢纤维体积率、长度、直径；

为钢纤维对混凝土抗拉强度的影响系数。对自密实混凝土抗拉强度的影响系数为0.439；为钢纤维特征参数。

（3）根据钢纤维最优掺量和砂率之间的关系（见图5.2.5-1），确定钢纤维自密实混凝土的砂率，计算出骨料的表观密度。

（4）设定1m3混凝土中骨料用量的密实体积V0（0.6～0.7 m3），根据骨料的表观密度算出1m3混凝土中骨料的用量m0。

（5）根据砂率和1m3混凝土中骨料的用量m0，计算出粗骨料用量mg、细骨料的用量ms。

（6）由1m3拌合物总体积减去骨料的密实体积V0，计算出浆体密实体积Vp。

（7）根据混凝土的设计强度等级，确定水胶比。

（8）根据混凝土的耐久性、温升控制等要求设定胶凝材料中矿物掺合料的体积，根据矿物掺合料和水泥的体积比及各自的表观密度计算出胶凝材料的表观密度。

（9）由胶凝材料的表观密度、水胶比计算出水和胶凝材料的体积比，再根据浆体体积、体积比及各自表观密度求出胶凝材料和水的体积，并计算出胶凝材料总用量mb和单位用水量mw。