层布式钢纤维混凝土在旧路面补强中的应用

摘要：介绍层布式钢纤维混凝土的路用性能, 结合井冈山市城区路网改造工程的设计、施工情况, 阐述了层布式钢纤维混凝土在旧路面改造中的应用。

关键词：旧水泥混凝土路面; 改造; 层布式钢纤维混凝土

中图分类号：U416.2 文献标识码：B 文章编号：1004- 4345（2007）06- 0030- 03

　　随着国民经济建设和公路交通事业的飞速发展，城市道路和国道干线公路上的车辆荷载及密度越来越大，致使路面的损坏也日趋严重起来。对于老路改造项目，许多交通量大的道路，基本上处于坏了修、修了又坏再修的恶性循环中。特别是对损坏的水泥混凝土路面而言，它不仅翻修投资大，且施工周期较长，严重影响交通畅通及行车安全。如用普通水泥混凝土修复路面虽有强度高、板块性好、有一定的抗磨性及承受气象作用的耐久性好等特点，但它的最大缺陷是脆性大、易开裂、抗温性差，路面板块容易受弯折而产生断裂，所以就要求路面面板应有足够的抗弯、抗拉强度和厚度。

　　用层布式钢纤维混凝土修筑路面，就是在普通混凝土路面面层的底部和顶部的一定厚度内（约20 mm），撒布一定量的钢纤维铺筑而成，并通过分散的钢纤维，减小荷载在基体混凝土引起的细裂缝端部的应力集中，从而控制混凝土裂缝的扩展，提高整个复合材料的抗裂性。同时由于混凝土与钢纤维接触界面之间有很大的界面粘结力，因而可将外力传到抗拉强度大、延伸率高的纤维上面，使混凝土作为一个均匀的整体抵抗外力的作用，显著提高了混凝土原有的抗拉、抗弯强度和断裂延伸率。特别是提高了混凝土的韧性和抗冲击性。实践证明，层布式钢纤维混凝土这一新型高强复合材料用于路面修理，既可提高路面的抗裂、抗弯拉、耐冲击和耐疲劳性，又可改善路面的使用性能，延长使用寿命从而减少老路开挖，节省工程造价，为道路补强与改造提供了良好的途径。

1 层布式钢纤维混凝土路面设计

　　（1）层布式钢纤维混凝土路面面层的强度，以龄期28 d 的弯拉强度为标准。各级交通要求的层布式钢纤维混凝土面层强度不得低于表1 的规定[1]。当层布式钢纤维混凝土浇筑后90 d 内不开放交通时，可采用90 d 龄期强度，其数值一般可按28 d 龄期强度的1.1 倍设计。

　　层布式钢纤维混凝土路面面层弯拉强度弹性模量以试验为宜，如无条件可按表1 选用。

　　（2）各级交通量下的层布式钢纤维混凝土路面的面层初估厚度，可按现行有关规范规定的水泥混凝土路面面层初估厚度的65%～75%选用。

　　（3）层布式钢纤维混凝土路面面层的横向缩缝间距（即板长）应根据当地气候、面层厚度，按经验和已有资料确定，在5～15 m间选取，最大不超过20 m。

　　（4）标准轴载Ps 在临界荷位处产生的荷载疲劳效应力σpr 由式（1）确定。

σpr =Kr·Kff·Kcσps (1)

　　式中：σpr、Kr、Kc 按现行水泥混凝土路面设计规范规定确定；Kff 为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，层布式纤维钢混凝土路面的疲劳应力系数Kff 按式（2）确定。

Kff =（1- 0.18ρf·lf / df）Ne0.057 (2)

　　式中：ρf为层布式钢纤维体积率，按20 mm 厚1 m2钢纤维用量推算，ρf=W/157，W为单层每平方米撒布的钢纤维重量；lf 为钢纤维长度；df 为钢纤维直径或等效直径。

　　（5）层布式钢纤维混凝土路面面层在温度梯度作用下，临界荷位处产生的温度疲劳应力σtr，按现行规范执行。

　　（6）层布式钢纤维混凝土路面面层厚度的确定，以行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳断裂作为设计标准，其极限状态设计表达式采用式（3）。

γr(σpr+σtr)≤fftm (3)

　　式中：σpr 为行车荷载疲劳应力，MPa；σtr 为温度梯度疲劳应力，MPa；fftm 为层布式钢纤维混凝土弯拉强度标准值，MPa；γr 为可靠度系数，按现行规范确定。当荷载疲劳应力和温度疲劳应力之和与可靠度系数的乘积小于或等于层布式钢纤维混凝土弯拉强度标准值，即满足式（3）的要求时，则初选面层厚度可作为层布式钢纤维混凝土面层的计算厚度。否则，应改选面层厚度，重新设计，直至满足式（3）要求为止。设计厚度按计算厚度取整数（10 mm）。

　　（7）层布式钢纤维混凝土路面中的水泥混凝土混合料配制和原材料要求，按现行水泥混凝土路面的有关规定执行。

　　层布式钢纤维混凝土路面面层结构如图1 所示（图中A 层为钢纤维砼层，B 层为素砼层）。

2 加铺层布式钢纤维混凝土层的应用

　　井冈山市茨坪城区水泥混凝土路面始建于上世纪60 年代，70 年代进行了第1 次改造，90 年代初期进行了第2 次改造，形成了现有的水泥混凝土路面结构：20 cm 厚C20 水泥混凝土面层，30 cm 厚手摆石基层；水泥混凝土板长约4.5 m，板宽3.5～5 m，道路沿路中设纵缝，水泥混凝土板之间用约1.5 cm 木板做伸缩缝，不设拉杆与传力杆。由于原设计标准偏低、施工技术不成熟，加上近年来交通量剧增，路面状况不能与社会发展相适应。茨坪城区是井冈山市的政治、经济、文化中心，特别是2002 年党中央、国务院批准在茨坪兴建中国井冈山干部学院，以此作为爱国主义、革命传统教育基地以后，全面完善茨坪城区的基础设施建设、提高城区的品味和档次已经迫在眉睫。因此，井冈山市对茨坪城区道路进行了全面改造。

　　是破除旧水泥混凝土路面重新做路面，还是在原水泥混凝土路面上加铺，加铺层采用什么材料，是旧路改造方面值得探讨的问题。结合茨坪城区道路现状，经过技术讨论和经济效益分析，决定采用在旧水泥混凝土路面上加铺层布式钢纤维混凝土层的方式进行路面补强；经计算，加铺层厚度为12 cm，钢纤维用量为0.9%（体积率），相当于上下层各洒布1.4 kg/m2，其要点如下。

2.1 对旧水泥混凝土路面的处理

　　（1）加铺前对旧路面承载能力进行评定，若承载能力不足，达不到设计标准，或旧水泥混凝土路面有板底脱空现象，应进行压浆补强处理。

　　（2）对旧路面局部的松散、坑洞、填缝料脱落及扩散型裂缝，应事先清理、修补和填塞，以保持表面状况平整完好。

　　（3）原有的光滑路面表面应凿毛并冲洗干净。

2.2 层布式钢纤维混凝土的施工工艺

　　层布式钢纤维混凝土路面的施工工艺, 是在现行水泥混凝土路面施工工艺的基础上改进而成的，是在水泥混凝土路面浇筑前和浇筑中，在水泥混凝土路面底部和顶部，分别均匀施布一层钢纤维而形成一种新型复合路面的结构工艺。

2.2.1 底层钢纤维的施布

　　对旧水泥混凝土路面处理后，先稀薄地撒布一层1～2 cm厚的混凝土或碎石，以便混凝土振捣时使砂浆将钢纤维握裹，再用机械振动筛或人工筛将钢纤维按1.4 kg/m2 施布在混凝土上。在撒布钢纤维时一次施布的面积不宜过大，且力求足量、均匀分布，忌漏布或成团；以免因施工车辆过度辗压、人员走动等因素造成钢纤维漏洞或堆积，至使成型后的层布式钢纤维混凝土路板断板或分层。

2.2.2 第一次混凝土的浇筑

　　完成底层钢纤维的施布后，即可浇筑其上的混凝土，摊铺混凝土时，应注意使松铺高度比路面设计高程低1～2 cm。摊铺抄平后，用振动棒振捣密实，再用振动平板粗平，即可布设上层钢纤维（密实平板初平后可以保证上层钢纤维的平面分布）。

2.2.3 上层钢纤维的布设

　　上层钢纤维施布的方法、用量要求与底层钢纤维布施相同。

2.2.4 第二次混凝土的浇筑

　　上层钢纤维施布后，加铺顶层混凝土，再用振动平板振动密实、振动梁平实、磨浆机收浆等，后续工艺和现行水泥混凝土路面施工相同。

2.2.5 切缝

　　切缝工艺应在混凝土浇筑完毕后12 h 左右进行，最长时间间隔不得超过24 h；缝距为旧路面接缝间距的2 倍，且上下缝应对齐；其余执行现行水泥混凝土路面施工技术规范。

2.2.6 养护工艺

　　执行现行公路水泥混凝土路面养护工艺。

2.2.7 水灰比

　　水泥混凝土质量按原设计要求，水灰比比现行标准的混凝土约高0.02～0.03，保证素混凝土和易性好，确保钢纤维被混凝土充分包裹，路板成型后，采用真空吸水工艺。

2.2.8 工艺流程

　　旧面层准备达到设计要求→装模→加铺底层混凝土→布底层钢纤维→摊铺砼→松铺整平→插入振捣→平板振动粗平→布上层钢纤维→加铺表层混凝土→平板整捣→振动梁找平→磨合→抹平真空吸水收浆→压纹→养护→切缝（缝距为旧路面接缝间距的两倍，且上下缝应对齐）→养护→放行。

3 使用状况

　　井冈山市茨坪城区道路改造工程于2004 年底竣工通车，该路段通车2 年后，对该路网通车后不同使用期路面进行调查，结果发现裂缝数量极少，且基本稳定，不随使用期增长而增大，路面使用良好，达到了预期效果。这充分说明层布式钢纤维混凝土是一种性能优良的新型复合材料。

4 效益分析

4.1 经济效益分析

　　（1）面层厚度减薄30%以上，节约原材料，减少工程量，特别是对于混凝土路面造价高的地区，修筑上下层布钢纤维砼路面效益显著；

　　（2）路面厚度减薄，搅拌运送砼数量减少，其施工速度加快，机具利用效率、施工效率提高；

　　（3）缩缝间距延长2 倍，减少了锯缝工作量，节约了锯缝机具损耗。

4.2 社会效益分析

　　根据钢纤维对砼的增强改性机理，在素砼面板上下层布钢纤维后，大幅增强了混凝土的抗弯拉强度，改善了抗冲击、耐疲劳性能，显著地提高了混凝土路面的承载能力，达到了提高混凝土路面性能、延长路面使用寿命、降低路面养护成本的目的，其效益显著。

5 结语

　　自层布式钢纤维混凝土路面发展以来，在国内仍处于推广阶段，科学合理的设计正逐步完善。从近年来在公路和城市道路路面、桥面、机场跑道等工程中的应用证明，层布式钢纤维混凝土能有效地增强路面的结构强度，抑制和缓解各种裂缝的产生，延长路面使用寿命，从而减少道路养护费用，节省了道路运营综合成本。

〔参考文献〕

　　[1] JTG D40- 2004，公路水泥混凝土路面设计规范[S].