纤维活性粉末混凝土路用性能研究

（吉林建筑大学交通科学与工程学院，吉林长春 130118）

0 引言

当代广泛使用的水泥混凝土路面，在降低维护成同时保证了路面稳定性高等特点。国家交通实业飞速发展，随之而来的是，车辆的负荷越来越大，载重、附重型需求日益提升，导致水泥混凝土路面的性能远远达不到现阶段国内的普遍需求。水泥混凝土路面断裂、损坏和表面脱落现象十分常见，路面维护压力极重。大量研究表明，纤维的掺入可以改善混凝土中的薄弱项，降低其脆性，在混凝土基材中掺加各类纤维是提高混凝土韧性的最有效途径[1]。因此，当代混凝土不仅满足高抗压强度、高抗拉强度等需求，在施工的过程中，可塑性也极强，完工后，较比水泥混凝土强度更高、韧性更大、防渗效果更佳。故在混凝土性能更迭的过程中，成为了不可或缺的一阶段。

1 活性粉末混凝土的研究

国内外的学者对活性粉末混凝土材料有不同的定义与扩展，而且国外学者更加关注其物理力性能，想要抗压强度达到150MPa，然而国内学者除了对物理力学性能指标有一定要求外，对制备工艺方法也有所限定，使制备技术方便简单[2]。法国布伊格公司积极研究高性能混凝土，1993年研制出新型混凝土材料（ReactivePowder Concrete，缩写RPC），其优越的承载能力、灵活性以及极好的耐受型在新型混凝土材料中独树一帜，投入使用后其体积稳定性更得到了肯定。为了推进高性能水泥基材料特性的研究，1993年同年，活性粉末混凝土成功开发，继高强度高性能混凝土之后，这种体积稳定性相媲美但性能上更高强、韧性卓越、耐受强的新型混凝土研制成功，将新型混凝土的研究带入了一个新的阶段。

以多孔非均质材料著称的RPC，微观结构是控制材料强度硬度的直接原因，孔的结构直接决定材料密度、硬度、耐受等性能，究其原因则是高堆积密度（混合固体颗粒体系）对材料的影响。

因此RPC制备的基本原理和最重要的方法：一、降低孔隙率；二、优化孔隙结构；三、提高孔隙密度；四、添加纤维材料。

活性粉末混凝土在过去十几年广泛应用，RPC替代常见混凝土实用于多项工程，降低弯曲部件的横截面高度，进一步增加工程中部件的刚度和使用寿命。大大改善了工程材料的性能，而且为工程结构的进步奠定了基础。在市政建设中还充分利用RPC的高强性、高密实性、高抗折性、以及高耐磨性等优良特性广泛应用于道路等工程，大大减少了道路修补及更换的频率，延长了路面的使用寿命，取得了良好的效果。

2 钢纤维混凝土的研究

二十世纪初期，钢纤维混凝土（Steel fiber concrete，简称SFRC）初露锋芒，均匀的在混凝土中不断加入钢纤维，在控制纤维量到均衡水平后得到的增强型材料，是当时混凝土研发的新思路，除了其优良的抗压能力、卓越的耐疲劳性外，研究时发现，常规材料由于温度压力的作用，会产生裂缝；甚至随着持续压力，造成裂缝持续扩展，钢纤维的掺入能很好的抑制这种现象。因此，将其应用到道路桥梁工程之中能够提高道路桥梁的抗拉能力和抗弯能力。

钢纤维作为发展和应用比较早的纤维材料，如图1。在混凝土中添加钢纤维是提升混凝土性能的重要手段之一：大多数研究人员通过力学试验对RPC的抗压强度和抗折强度进行研究，且多集中于结构构件基本力学性能和设计计算理论等方面。目前钢纤维的最佳掺量研究结论存在些许不同。

图1 钢纤维

20 年来，我国在钢纤维混凝土的发展中，控制弯拉强度，研究的钢纤维水泥混凝土路面的进程从未止步。近年来，在高速公路建设中已经开始较大规模的采用钢纤维水泥混凝土路面，如图2。

图2 路面结构对比

Park等人[3]研究将不同长度的钢纤维混掺，探索符合材料抗拉力学能限度。结果显示，当短纤维体积含量在0%-1.5%之间，长纤维的体积含量保持在1.0%时，若以其材料的拉伸应力-应变曲线为衡量基准，长纤维是决定基准的重要因素，反之短纤维则更好的塑造了混杂体系多点开裂、应变硬化的优异性能，两者各承其重。在实验中，不断添加纤维量，在不同的阶段混合物的延展性以及极限拉应力渐强，但材料裂纹数目也更多，表面塑性断裂情况也越来越严重。

在路面材料的探索中，未解决纤维混合问题的学者数不胜数，朱海棠等在纤维水泥混凝土断裂性能实验中，控制钢纤维体积率为1.5%，发现与聚丙烯纤维的混合效应提高不少，断裂性能低的水泥混凝土得到很大改善。

夏冬桃等[4]对不同尺寸和不同类型的聚丙烯纤维、钢纤维混掺的纤维混凝土进行了轴心受拉试验，得出了混掺纤维应力-应变曲线。

为提高混凝土的可塑性与耐受性，周晓洁[5]等在混凝土中加入了钢纤维、聚丙纤维以及玄武岩纤维等纤维，发现混凝土的弯曲韧性、耐受性等性能均有显著提升，由此可见钢纤维的变量控制是改善混凝土弯曲性能的重要切入点。

杰德尔别克[6]等在探究纤维混凝土的实验中加入1%体积的钢纤维可以提高劈裂抗拉强度53.9%。如果刚纤维加入体积超过2%，则其抗压、劈拉强度甚至低于普通混凝土。

陈建海[7]采用26cm厚的层布钢纤维混凝土面板结构，分别距顶面和底面各3cm布钢纤维，钢纤维掺量为1.57kg/m2，进行力学性能试验，层布钢纤维混凝土的抗压强度较素混凝土有约10%的提高，并且在混凝土路面板下层布钢纤维对混凝土的抗弯强度有超过20%的提高。

崔大戴[8]在对钢纤维混凝土路面设计方法与路用性能的研究中，采用端钩型钢纤维，纤维长为25-40mm，长径比为50-80，直径为0.5mm，纤维掺量为0.4%-1.0%。钢纤维的掺入使混凝土材料的抗折强度与普通混凝土相比分别提高幅度2%-52%。

郑智军[9]根据公路水泥混凝土路面施工技术规范（JTG F30-2003）中的规定，钢纤维用量按占混凝土的体积百分率计，掺量为0.6%-1.2%，研究钢纤维掺量与钢纤维混凝土路面的抗折强度与的关系。传统思路中：混凝土耐折强度随着钢纤维原材的含量添加递增。而在实验中发现实况并未如此，钢纤维掺量为大于0.8%，并未性能凸显反而不明显，综合试验结果，混凝土路面中0.8%钢纤维掺量能达到最佳预期效果。

3 聚丙烯纤维的研究

20 世纪80年代初，聚丙烯纤维开始大量应用于机场跑道、高层建筑地下室等工程中[10]。

纤维的研究中国对其起步较晚。美国在20世纪90年代初，就生产了可用于混凝土的纤维，并通过商业渠道进入中国。纤维类型如图3，这是在中国大规模应用纤维混凝土的机会。这为纤维混凝土的使用带来了新的维度。纤维混凝土在中国工程界应用的新高潮正在逼近。

聚丙烯纤维

国内研究者主要集中于纤维混凝土的力学性能的研究，华渊、孙家瑛、杨兆鹏等人，他们对聚丙烯纤维混凝土进行了大量的研究，试验结果表明，掺量聚丙烯纤维的高性能混凝土的抗折强度、脆性和韧性性能有明显的提高。

Hsie等[11]为了探索混凝土韧性，在混合材料中控制了聚丙烯纤维长度。发现混杂聚丙纤维对已开裂或有开裂迹象的混凝土的韧性、弯曲度影响极小。

对于聚丙烯纤维对混凝土的收缩变形的影响，研究结果不太一样。Zollo等人的实验结果表明，若在混凝土中掺加体积率为0.1%-0.3%的聚丙烯纤维，可使混凝土的塑性收缩减少12%-25%[12]。

Karahan O等人对聚丙烯纤维的几何尺寸对混凝土塑性收缩裂缝影响进行了研究[13]。控制纤维掺入量在0.1%至0.3%时，塑性收缩率得到很好的控制，而聚丙烯的体积含量低，纤维对塑性收缩率和混凝土的开裂具有良好的控制。

普通混凝土路面起步于国外，但在国内早期工程中也采用率极高，路面龟裂现象比比皆是，我国广州环城高速公路的第三期工程则采用了聚丙烯纤维混凝土修复，取得了很好的效果。河南、四川等其他省份还在高质量的公路收费站和隧道混凝土的表面上使用聚丙烯纤维，以确保这些部分的最大使用寿命[14]。在桥面上，聚丙烯纤维也得到了很好的应用。

4 有待进一步研究的问题

大量的研究结果显示，混杂纤维混凝土中的混合纤维有助于提高混凝土的道路性能，如抗冻性、抗撕裂性和抗疲劳性等优异性能。作为纤维混凝土的主要研究方向之一，目前混杂纤维混凝土的研究还存在一些局限性。活性粉末混凝土的化学组成与微观结构还需进一步探讨。

介于科研范围局限化，混杂纤维混凝土仅于理想状态，实验、实用上有很大局限性，大量混杂纤维实验项目仍在普通混凝土的研究上止步不前。研究中发现，若提高混凝土的综合性能，就意味着，赋予其更复杂的构成及微观结构。对混杂纤维之间的相互作用与效应暂还处于继续探索状态。目前，宏观纤维的混杂是现在主流的混杂纤维研究方向，典型就是纳米技术。迄今为止，纳米技术在材料工程的海量使用，展现了其的科研潜力。此后纳米级纤维与其他纤维混杂的能否研究出新的方向，也值得探索。如将纳米级纤维与其他纤维优势结合、劣势互补，对混凝土材料的发展将极具科研意义。