钢纤维聚合物混凝土复合结构及其制备方法与应用技术领域
本发明属于土木建筑与交通运输工程领域，具体涉及一种钢纤维聚合物混
凝土复合结构及其制备方法与应用。
背景技术
对于大跨度混凝土桥梁上部结构，在施工或运营期间，结构局部，例如连
续刚构桥的0号块、1号块、1/4跨、跨中附近节段及合拢段等，处于复杂应力状
态并会出现较大的拉应力或剪应力，造成开裂并影响结构的耐久性。较多的工
程实践表明，采用普通的高强混凝土材料，仅仅靠提高材料强度还不能满足上
述桥梁结构的抗裂性及耐久性要求。高强、高韧化是土木建筑及交通领域对材
料和结构性能要求的发展趋势。目前，高强或高韧混凝土主要有三类：普通高
强混凝土、钢纤维混凝土、钢纤维增强聚合物改性混凝土；复合结构主要为钢-
混凝土复合结构。
普通高强混凝土虽然强度高、造价低廉，应用广泛，但易出现干燥收缩开
裂、疲劳及冲击荷载下的开裂，不能满足处于复杂应力状态的桥梁等混凝土结
构的抗裂性及耐久性要求。
钢纤维混凝土比普通混凝土具有更高的抗拉压、抗弯、抗剪强度，其抗疲
劳、抗冲击和耐久性能也有较大的改善。但钢纤维对防止混凝土的初裂贡献不
大；钢纤维混凝土的抗渗性、耐碱性、耐候性和抗变形能力较差，而且普通钢
纤维在混凝土中易被锈蚀，使结构外表面过早被破坏；不锈钢钢纤维价格较贵，
难以推广应用。
以往的钢纤维增强聚合物改性混凝土，虽然有较好的粘结性、抗渗性、耐
碱性、耐候性和较大的变形能力等，但目前的钢纤维增强聚合物改性混凝土属
于中低强混凝土，还无法应用于混凝土桥梁上部结构等需要高强度的承载结构
中。
钢-混凝土复合/组合结构主要有钢-混凝土组合梁、钢骨混凝土结构、钢管
混凝土结构、压型钢板混凝土组合板等四类，其优点是能够减少结构高度、减
轻重量，具有良好的延性和刚度，抗冲击、抗疲劳、稳定性好。但钢结构件与
混凝土构件之间的变形协调性较差，其结合部是该类复合/组合结构安全的软肋，
而且施工性较差、造价偏贵，钢结构部分的耐碱性、耐候性和耐久性还有待于
改善。
发明内容
为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一
种钢纤维聚合物混凝土复合结构。
本发明的另一目的在于提供上述钢纤维聚合物混凝土复合结构的制备方
法。
本发明的再一目的在于提供上述钢纤维聚合物混凝土复合结构的应用。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种钢纤维聚合物混凝土复合结构，所述复合结构的受拉或/和受剪部位使
用钢纤维聚合物结构混凝土材料(SFPSC)，其它部位使用普通高强混凝土材料；
所述钢纤维聚合物结构混凝土材料和普通高强混凝土材料具有相差≤2MPa的
抗压强度。
所述的复合结构包括箱梁、工字梁、T型梁、矩形梁、空心板梁等结构。所
述复合结构的结构示意图如图1所示。
所述的钢纤维聚合物结构混凝土材料由以下质量百分比的组分配制而成：
碎石41％～45％、中砂25％～28％、水泥18％～21％、水6.3％～7.3％、钢纤维
2.1％～3.1％、减水剂0.21％～0.29％、乳胶0.25％～0.29％和粉煤灰0.10％～0.40％。
优选地，所述的钢纤维为压痕形或波浪形钢纤维。
优选地，所述的减水剂为聚羧酸高性能减水剂。
优选地，所述的乳胶为丁苯乳胶，是一种遇水可再分散醋酸乙烯酯/乙烯共
聚胶粉。
上述钢纤维聚合物混凝土复合结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)确定复合结构中的受拉、受剪部位，在受拉和/或受剪部位使用钢纤维
聚合物结构混凝土材料，在其它部位使用普通高强混凝土材料；
(2)配置底板或下翼缘板等位于底部构件的材料并进行浇注，再按照普通
混凝土的方法养护4～24小时，若无底部构件则直接进入步骤(3)；
(3)配置腹板或肋等位于中部构件的材料并进行浇注，再按照普通混凝土
的方法养护4～24小时；
(4)配置顶板或上翼缘板等位于上部构件的材料并浇注，再按照普通混凝
土的养护方法对整个复合结构进行养护，得到钢纤维聚合物混凝土复合结构。
优选地，所述钢纤维聚合物结构混凝土材料通过如下方法制备：
(1)根据质量百分比将碎石、中砂、钢纤维投入搅拌机干拌；
(2)加入水泥、乳胶和粉煤灰，再干拌；
(3)加入水与减水剂，进行湿拌；
(4)将湿拌后的混凝土投入拌合设备中，搅拌均匀后出料，得到所述钢纤
维聚合物结构混凝土材料。
优选地，步骤(1)中所述搅拌机干拌时间为2～5min。
优选地，步骤(2)中所述干拌时间为1～2min。
优选地，步骤(3)中所述湿拌时间为2～5min。
上述钢纤维聚合物混凝土复合结构在浇注后湿养5～7天即可进入干养阶
段，干养完毕后就可开放交通或使用。
上述钢纤维聚合物混凝土复合结构可用于桥梁、隧道、港口、码头、道路
和房屋等混凝土结构中。
相对于现有技术，本发明具有如下优点及有益效果：
(1)本发明复合结构中的钢纤维聚合物结构混凝土材料(SFPSC)和普通
高强混凝土材料具有相差≤2MPa的抗压强度，从而达到优异的变形协调性能；
(2)本发明复合结构各部位按照其受力情况，可以灵活采用钢纤维聚合物
结构混凝土材料或普通高强混凝土材料，制备方法和技术简明；
(3)本发明复合结构的抗拉、抗压、抗剪、抗扭等基本力学性能及抗变形
能力均衡，结构更加合理；
(4)本发明复合结构所使用的钢纤维聚合物结构混凝土材料比普通高强
混凝土材料具有更优越的耐磨、耐碱、耐候、抗拉、抗变形、抗裂、抗疲劳、
抗冲击及耐久性能；
(5)本发明复合结构所使用的钢纤维聚合物结构混凝土比钢纤维混凝土
具有更优越的耐碱、耐候、抗变形、抗裂、抗疲劳、抗冲击及耐久性能；比钢
纤维增强聚合物改性混凝土具有更高的抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度，具有更
优越的抗疲劳、抗冲击及耐久性能。
附图说明
图1为本发明复合结构的结构示意图(图中未标注部分的材料为普通高强
混凝土，SFPSC为钢纤维聚合物结构混凝土)；
图2为实施例1中制得的钢纤维聚合物结构混凝土材料SP60以及C60混凝
土的S～N疲劳寿命实验曲线图；
图3为实施例2中制得的钢纤维聚合物结构混凝土材料SP55以及C55混凝
土的S～N疲劳寿命实验曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方
式不限于此。
实施例1
C60等级的顶板受拉、底板受压的复合箱梁(例如：刚构桥主桥箱梁0#块
和1#块，见图1(a))的制备方法如下：
(1)确定复合箱梁各部位所采用的材料。根据该复合箱梁的受力情况，确
定其顶板采用钢纤维聚合物结构混凝土制备、腹板及底板采用C60混凝土制备；
(2)配制C60混凝土，浇筑复合箱梁的底板和腹板，浇筑完毕后养护8小
时；
(3)按照C60混凝土的抗压强度制备钢纤维聚合物结构混凝土，其制备方
法如下：
1)清洗中砂、石子，并使其处于干燥状态；
2)按照表1所示配合比先将碎石、中砂、钢纤维投入搅拌机干拌2min；
3)加入水泥、丁苯乳胶和粉煤灰，再搅拌2min；
4)加入水、聚羧酸高性能减水剂，进行湿拌2min；
5)至拌合物比较均匀后，把混凝土投入拌合设备中，搅拌均匀后即可出料，
制备得钢纤维聚合物结构混凝土(SP60)。
(4)将上述制备好的钢纤维聚合物结构混凝土输送至复合箱梁的模具中，
浇筑其顶板，浇筑完毕并等其初凝后马上对整个箱梁进行养护7天，得到钢纤
维聚合物混凝土复合结构。
本实施例所制备的钢纤维聚合物结构混凝土SP60、以及C60混凝土的主要
力学性能如表2所示；其S～N疲劳寿命实验曲线如图2所示。
表1钢纤维聚合物结构混凝土各材料用量(wt％)
碎石
砂
水泥
水
钢纤维
减水剂
乳胶
粉煤灰
41.2
28.0
21.0
6.80
2.10
0.30
0.30
0.30
表2钢纤维聚合物结构混凝土SP60及C60混凝土的主要力学性能
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实施例2
C55等级的顶板受压、底板受拉的复合箱梁(例如：刚构桥主桥跨中附近节
段箱梁，见图1(b))的制备方法如下：
(1)确定复合箱梁各部位所采用的材料。根据该复合箱梁的受力情况，确
定其顶板和腹板采用C55混凝土制备，底板采用钢纤维聚合物结构混凝土制备；
(2)按照C55混凝土的抗压强度制备钢纤维聚合物结构混凝土，其制备方
法如下：
1)清洗中砂、石子，并使其处于干燥状态；
2)按照表3所示配合比先将碎石、中砂、钢纤维投入搅拌机干拌2min；
3)加入水泥、丁苯乳胶和粉煤灰，再搅拌1.5min；
4)加入水、聚羧酸高性能减水剂，进行湿拌2min；
5)至拌合物比较均匀后，把混凝土投入拌合设备中，搅拌均匀后即可出料，
制备得钢纤维聚合物结构混凝土(SP55)。
(3)将制备好的钢纤维聚合物结构混凝土输送至复合箱梁的模具中，浇筑
其底板，浇筑完毕后养护4小时；
(4)配制C55混凝土，浇筑复合箱梁的顶板和腹板，浇筑完毕后对整个箱
梁养护7天，得到钢纤维聚合物混凝土复合结构；
本实施例所制备的钢纤维聚合物结构混凝土SP55、以及C55混凝土的主要
力学性能如表4所示；其S～N疲劳寿命实验曲线如图3所示。
表3钢纤维聚合物结构混凝土各材料用量(wt％)
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表4钢纤维聚合物结构混凝土SP55及C55混凝土的主要力学性能
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实施例3
钢纤维聚合物混凝土复合结构的工程应用：
应用本发明的钢纤维聚合物混凝土复合结构及其制备方法的工程实例及应
用效果简述如下：
工程实例一：2007年7月～2008年1月，本发明的复合结构在广东省某高
速公路上跨径组合为112+2×200+112米的预应力连续刚构桥主桥箱梁0号块得
到了应用。具体应用方法以及施工步骤如下：
(1)确定复合结构的形式。模拟施工阶段和运营阶段工况，对主桥的整体
结构以及局部结构进行受力分析，确定在该桥主桥(两幅)的所有0号块箱梁
采用图1(a)所示钢纤维聚合物混凝土复合结构，即其底板和腹板采用普通高
强混凝土，顶板采用钢纤维聚合物结构混凝土。两种混凝土的等级均为C60；
(2)清洗砂子、石子，并使其处于干燥状态；
(3)按照标准配制C60混凝土，现场浇筑复合箱梁的底板和腹板，浇筑完
毕后养护24小时；
(4)按照“水泥(wt):中砂(wt):碎石(wt):水(wt):减水剂(wt):
钢纤维(wt):聚合物乳胶(wt):粉煤灰(wt)＝1:1.33:1.96:0.324:0.0143:0.100:
0.0143:0.0143”的配合比，先将碎石、中砂、钢纤维投入搅拌机干拌5min；
(5)加入水泥、丁苯乳胶、粉煤灰，再搅拌2min；
(6)加入水和减水剂，进行湿拌5min；
(7)至拌合物比较均匀后，把混凝土投入拌合设备中，搅拌均匀后出料，
并采用远程泵送的方法将混凝土送至上述箱梁节段对其顶板进行现浇；
(8)采用普通混凝土的养护方法对整个箱梁养护7天。
工程实例二：2014年7月～2015年7月，本发明的复合结构在广东省某高
速公路上跨径组合为90+150+90米预应力连续刚构主桥跨中合拢段及其左右各
2个节段箱梁予以了应用。具体应用方法以及施工步骤如下：
(1)确定复合结构的形式。模拟施工阶段和运营阶段工况，对主桥的整体
结构以及局部结构进行受力分析，确定在该桥主桥(两幅)的跨中合拢段及其
左右各2个节段箱梁采用图1(b)所示钢纤维聚合物混凝土复合结构，即其底
板采用钢纤维聚合物结构混凝土、腹板和顶板采用普通高强混凝土。两种混凝
土的等级均为C55；
(2)清洗砂子、石子，并使其处于干燥状态；
(3)按照“水泥(wt):中砂(wt):碎石(wt):水(wt):减水剂(wt):
钢纤维(wt):聚合物乳胶(wt):粉煤灰(wt)＝1:1.47:2.32:0.332:0.0121:0.100:
0.0132:0.0168”的配合比，先将碎石、中砂、钢纤维投入搅拌机干拌5min；
(4)加入水泥、丁苯乳胶、粉煤灰，再搅拌2min；
(5)加入水和减水剂，进行湿拌5min；
(6)至拌合物比较均匀后，把混凝土投入拌合设备中，搅拌均匀后出料，
并采用料斗运送的方法将新拌混凝土送至上述箱梁底板进行现浇。浇注完毕后，
采用采用普通混凝土的养护方法养护8小时；
(7)按照标准配制C55混凝土，现场浇筑复合箱梁的腹板和顶板；
(8)对整个复合箱梁养护7天。
工程实例三：2014年1月～2014年6月，本发明的复合结构在广东省某高
速公路上跨径组合为35+50+35米连续箱梁予以了应用。具体应用方法以及施工
步骤如下：
(1)确定复合结构的形式。模拟施工阶段和运营阶段工况，对连续箱梁进
行结构受力分析，确定在该连续箱梁的所有节段上都采用图1(e)所示钢纤维
聚合物混凝土复合结构，即其全截面都采用钢纤维聚合物结构混凝土。混凝土
等级设定为C55；
(2)清洗砂子、石子，并使其处于干燥状态；
(3)按照“水泥(wt):中砂(wt):碎石(wt):水(wt):减水剂(wt):
钢纤维(wt):聚合物乳胶(wt):粉煤灰(wt)＝1:1.47:2.32:0.332:0.0121:0.100:
0.0132:0.0168”的配合比，先将碎石、中砂、钢纤维投入搅拌机干拌5min；
(4)加入水泥、丁苯乳胶、粉煤灰，再搅拌2min；
(5)加入水和减水剂，进行湿拌5min；
(6)至拌合物比较均匀后，把混凝土投入拌合设备中，搅拌均匀后出料，
并采用料斗运送的方法将新拌混凝土送至上述箱梁节段进行现浇。浇注完毕后，
采用采用普通混凝土的养护方法养护7天。
上述三个工程实践表明，本发明的钢纤维聚合物混凝土复合结构具有优越
的抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度、以及耐碱、耐候、抗变形、抗裂、抗疲劳及
耐久性能。与此同时本发明的钢纤维聚合物结构混凝土流动性能好，能够实现
远距离(大于100米)泵送。经抽检试验结果(表2、表4、图2及图3)表明，
本发明的混凝土具有优越的抗拉、抗弯、抗剪强度、以及抗变形、抗裂、抗疲
劳性能。工程实例一的连续刚构桥通车运营6年半后，经检测机构和大桥长期
健康监测单位检测结果表明，采用本发明的复合结构没有发现开裂、锈蚀等现
象，而且200米主跨的最大挠度(垂直变形)只有10cmm，比预计的减少50％
左右。工程实例二、三的刚构桥和连续箱梁桥也已通车，目前也没有开裂、锈
蚀等现象，其变形也较小。这表明本发明的复合结构和钢纤维聚合物结构混凝
土及其制备方法是非常有效和可行的。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实
施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、
替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。