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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（0.6～0.7m3），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。
（10）根据胶凝材料体积和矿物掺合料体积及各自的表观密度，分别计算出每m3混凝土中水泥用量和矿物掺合料的用量。
（11）根据试验选择外加剂的品种和掺量。
（12）试配。调整用水量、外加剂掺量等。对于中等钢纤维掺量的自密实混凝土，试配时，还需在保持水胶比不变的情况下，调整胶凝材料总量等，但是胶凝材料也不能过大。
3.5钢纤维自密实混凝土试拌
确定自密实混凝土的配合比后，应进行试拌，每盘混凝土的最小搅拌量不宜小于25L，同时应检验拌合物工作性，工作性能检测包括坍落度、坍落扩展度，必要时可采用模型及配筋模型试验等方法测评拌合物的流动性、抗分离性、填充性和间隙通过能力。根据试配结果对配合比进行优化调整，选择混凝土工作性、强度指标、耐久性都能满足相应规定的配合比。
3.6拌制要求
（1）生产钢纤维自密实混凝土必须使用强制式搅拌机。
（2）先加入水泥和粉煤灰，开动强制式搅拌机，缓慢注入部分水和高效外加剂（用量视水泥浆的稠度而定），搅拌30s；加入砂，缓慢注入部分水和高效外加剂（用量视砂浆的稠度而定），搅拌40~60s；加入石子，缓慢注入剩余的水和高效外加剂，搅拌1min；缓慢撒入钢纤维，撒完后继续搅拌约60s后出料。
（3）为了防止钢纤维自密实混凝土在垂直浇筑中因高度过大产生离析现象，或被钢筋打散使混凝土不连续，应对自密实混凝土的自由下落高度进行限制，垂直自由下落的最大距离宜小于3m，根据具体工程情况可采取分段浇筑，浇筑过程中可在模板外部适当敲击。
（4）自密实混凝土的流动性大，对模板的侧压力比普通混凝土的大，因此要确保模板的承载力足够大。
（5）在加固工程中，加固截面尺寸较小，混凝土浇筑量少，混凝土与模板的接触面大，钢筋密集，为了保证浇筑质量，自密实混凝土浇筑口之间的间距不宜太大。
4.钢纤维自密实混凝土浇筑
（1）混凝土输送管路应采用支架、毡垫、吊具等加以固定，不得直接与模板和钢筋接触，除出口外其他部位不宜使用软管和锥形管。
（2）混凝土搅拌车卸料前应高速旋转60~90s，再卸入混凝土泵，以使混凝土处于最佳工作状态，有利于混凝土自密实成型。
（3）泵送时应连续泵送，必要时降低泵送速度，当停泵超过90min，则应将管中混凝土清除，并清洗泵机。泵送过程中严禁向泵槽内加水。
（4）在非密集配筋情况下，混凝土的布料间距不宜大于10m，当钢筋较密时布料间距不宜大于5m。每次混凝土生产时，必须由有专业技术人员人在施工现场进行混凝土性能检验，主要检验混凝土坍落度和坍落扩展度，并进行目测，判定混凝土性能是否符合施工技术要求，发现混凝土性能出现较大波动，及时与搅拌站技术人员联系，分析原因及时调整混凝土配合比。
（5）采用塔吊或泵送卸料时，在墙体附近搭设架子，采用可供卸料的专用料斗放料，不宜直接入料，防止对模板的冲击太大，出现模板移位。
（6）浇筑时下料口应尽可能的低，尽量减少混凝土的浇筑落差，在非密集配筋情况下，混凝土垂直自由落下高度不宜超过5m，从下料点水平流动距离不宜超过10m。对配筋密集的混凝土构件，垂直自由落下高度不宜超过2.5m。
（7）混凝土应采取分层浇筑，在浇筑完第一层后，应确保下层混凝土未达到初凝前进行第二次浇筑。
（8）如遇到墙体结构配筋过密，混凝土的粘聚性较大，为保证混凝土能够完全密实，可采用在模板外侧敲击或用平板振捣器辅助振捣方式来增加混凝土的流动性和密实度。
（9）浇筑速度不要过快，防止卷入较多空气，影响混凝土外观质量。在浇筑后期应适当加高混凝土的浇筑高度以减少沉降。
（10）钢纤维自密实混凝土应在其高工作性能状态消失前完成泵送和浇筑，不得延误时间过长，应在120min内浇筑完成。
5.结语
应用钢纤维自密实混凝土加固桥梁，改善了混凝土力学性能，在混凝土中掺入粉煤灰，改善了自密实混凝土的耐久性和力学性能，节约资源，保护环境；自密实混凝土免去了振捣，节约了劳动力，降低了人力成本，确保了工程质量。但钢纤维自密实混凝土毕竟是一种高昂的建筑材料，由于费用偏高，在实际中还未得到普遍的运用。相信在未来，随着科学技术的不断提升，原材料价格的降低，钢纤维自密实混凝土会在桥梁养护维修中得到越来越广泛的运用。
参考文献：
[1]张宇.钢纤维自密实混凝土施工技术.重庆建筑，2018（01）.
[2]蔡怀森.钢纤维自密实混凝土配合比及力学性能的试验研究[D].郑州大学，2006.