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单向钢纤维应用于混凝土路面结构

发表时间：2020/6/12 来源：《基层建设》2020年第6期作者：刘品旭

[导读] 摘要：单向钢纤维混凝土的强度高于普通钢纤维混凝土。

        天津市赛英工程技术咨询有限公司天津 300051
        摘要：单向钢纤维混凝土的强度高于普通钢纤维混凝土。单向钢纤维作为路面材料，可以降低路面厚度。本文定量分析了单向钢纤维混凝土对路面厚度的影响。结果表明，采用单向钢纤维混凝土作为铺装材料时，与普通路面相比，厚度减少了24~45%，与普通钢纤维混凝土路面相比，厚度减少了5~8%。
        关键词：路面材料；单向钢纤维增强混凝土；路面厚度；
        1、前言
        钢纤维增强混凝土比普通混凝土有更高的抗拉、抗弯强度、更好的韧性、更高的抗热膨胀能力等。
        因此，对于道路混凝土而言，钢纤维混凝土在很多方面都具有优势。如果在路面上用钢纤维混凝土代替普通混凝土，路面厚度可减少约40%，可简化施工，节省约15~30%的成本。
        单向钢纤维增强混凝土是通过特殊工艺，控制钢纤维的方向与混凝土抗拉强度方向相同，具有比普通钢纤维高得多的抗拉、抗弯强度。路面上混凝土层的厚度取决于荷载、路面的基础条件和材料的弯曲抗拉强度。
        2、单向钢纤维混凝土的抗弯强
        在普通混凝土、钢纤维混凝土和单向钢纤维混凝土的抗弯抗拉强度试验中，将尺寸为100×100×400mm的试件用42.5级普通硅酸盐水泥浇铸，。水：水泥：砂= 0.4：1：2设计了基础水泥砂浆混合料。在钢纤维混凝土和单向钢纤维混凝土混合料中，加入了长度为13mm、直径为0.20mm、最小抗拉强度为1000MPa的普通钢纤维，体积分数分别为0.6%、0.9%和1.2%。这样，除了钢纤维外，其他所有的混合参数都保持不变。
        结果显示单向钢纤维混凝土的初始抗裂强度和弯曲抗拉强度均高于钢纤维混凝土。与钢纤维混凝土相比，当纤维体积分数分别为0.6%、0.9%和1.2%时，单向钢纤维混凝土的初始开裂强度分别提高了12.3%、17.0%和19.7%。当纤维体积分数分别为0.6%、0.9%和1.2%时，单向钢纤维混凝土的弯曲抗拉强度分别提高30.9%、20.1%和26.2%。其原因是纤维在AFC中的取向几乎是沿拉应力的方向，这导致了纤维数量的增加和每根纤维的增强效率的提高。
        3、钢纤维混凝土的路面厚度计算参数
        钢纤维混凝土常被用作路面材料，使用钢纤维混凝土的一个主要好处是大大减少了混凝土层的厚度。
        混凝土路面结构在行车荷载和温度梯度作用下，应不产生疲劳断裂，应满足必须满足式（1）：

                        （1）
        式中：γr-可靠度系数；σpr-面层板在临界荷位处产生的行车荷载疲劳应力（MPa）；σtr面层板在临界荷位处产生的行温度梯度疲劳应力（MPa）；fr-水泥混凝土弯拉强度标准值（MPa）。
        σpr可以通过公式（2）计算得到：

                    （2）
        式中：kr-考虑接缝传荷能力的应力折减系数；kf-考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数；kc-考虑计算理论与实际差异以及动载等因素影响的综合系数；Ps-设计轴载的单轴重（kN）；r-混凝土面板的相对刚度半径（m）。
        相混凝土面板的相对刚度半径可由式（3）计算得到：

                  （3）
        式中：hc-混凝土面层板的厚度（m），Ec-混凝土面层板的弯拉弹性模量（MPa），μ-混凝土面层板的泊松比，Et-板底地基当量回弹模量（MPa）。
        在传统路面基础上进行路面设计时，可采用式（4）计算kf。

                                     （4）
        式中：Ne-设计基准期内设计轴载累计作用次数；λ-材料疲劳指数，对普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土λ= 0.057，碾压混凝土和贫混凝土λ= 0.065，钢纤维混凝土λ按公式（5）计算得到：

                  （5）
        式中：ρf-钢纤维的体积率（%）；lf-钢纤维的长度；df-钢纤维的直径。
        面层板临界荷位处产生的温度疲劳应力按（6）计算。

               （6）
        式中：kt-考虑温度应力累计疲劳作用的温度疲劳应力系数；αc-混凝土的线膨胀系数；Tg-公路所在地50年一遇的最大温度梯度，BL-综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数。
        根据《公路水泥混凝土路面设计规范》，路面厚度的确定首先是根据经验、路面等级、工程环境和顶层材料类型进行估算。然后利用式（1）~式（6）验证路面材料的承载能力。如果材料的强度满足要求，则厚度估算是合理的，否则需要重新估算铺装厚度，直到得到一个合理的厚度。
        4、普通混凝土、钢纤维混凝土、单向钢纤维混凝土路面厚度
        普通混凝土、钢纤维混凝土和单向钢纤维混凝土三种材料的路面除混凝土材料的类型不同，其他所有参数，如交通荷载和环境条件，都是完全相同的情况下，计算所需厚度。
        根据《公路水泥混凝土路面设计规范》确定了普通混凝土、钢纤维混凝土和单向钢纤维混凝土铺装厚度，铺装材料为普通混凝土、钢纤维混凝土和单向钢纤维混凝土时，铺装厚度分别为220mm、130mm、120mm。可见，钢纤维混凝土和单向钢纤维混凝土均显著降低了路面厚度。与钢纤维混凝土相比，使用单向钢纤维混凝土可以进一步减少路面厚度5~8%。
        5、结论
        （1）单向钢纤维混凝土具有较高的抗弯强度。与钢纤维混凝土相比，初始开裂强度提高约15%，极限抗弯强度提高约30%。
        （2）单向钢纤维混凝土作为铺装材料时，铺装厚度比普通混凝土铺装厚度少24~45%，比钢纤维混凝土铺装厚度少5~8%。
        （3）进一步的研究，如钢纤维在路面混凝土中的取向控制，在今后的工作中是必要的。
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