纖維活性粉末混凝土路用性能研究

（吉林建筑大學交通科學與工程學院，吉林長春 130118）

0 引言

當代廣泛使用的水泥混凝土路面，在降低維護成同時保證了路面穩(wěn)定性高等特點。國家交通實業(yè)飛速發(fā)展，隨之而來的是，車輛的負荷越來越大，載重、附重型需求日益提升，導致水泥混凝土路面的性能遠遠達不到現(xiàn)階段國內的普遍需求。水泥混凝土路面斷裂、損壞和表面脫落現(xiàn)象十分常見，路面維護壓力極重。大量研究表明，纖維的摻入可以改善混凝土中的薄弱項，降低其脆性，在混凝土基材中摻加各類纖維是提高混凝土韌性的最有效途徑[1]。因此，當代混凝土不僅滿足高抗壓強度、高抗拉強度等需求，在施工的過程中，可塑性也極強，完工后，較比水泥混凝土強度更高、韌性更大、防滲效果更佳。故在混凝土性能更迭的過程中，成為了不可或缺的一階段。

1 活性粉末混凝土的研究

國內外的學者對活性粉末混凝土材料有不同的定義與擴展，而且國外學者更加關注其物理力性能，想要抗壓強度達到150MPa，然而國內學者除了對物理力學性能指標有一定要求外，對制備工藝方法也有所限定，使制備技術方便簡單[2]。法國布伊格公司積極研究高性能混凝土，1993年研制出新型混凝土材料（ReactivePowder Concrete，縮寫RPC），其優(yōu)越的承載能力、靈活性以及極好的耐受型在新型混凝土材料中獨樹一幟，投入使用后其體積穩(wěn)定性更得到了肯定。為了推進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開發(fā)，繼高強度高性能混凝土之后，這種體積穩(wěn)定性相媲美但性能上更高強、韌性卓越、耐受強的新型混凝土研制成功，將新型混凝土的研究帶入了一個新的階段。

以多孔非均質材料著稱的RPC，微觀結構是控制材料強度硬度的直接原因，孔的結構直接決定材料密度、硬度、耐受等性能，究其原因則是高堆積密度（混合固體顆粒體系）對材料的影響。

因此RPC制備的基本原理和最重要的方法：一、降低孔隙率；二、優(yōu)化孔隙結構；三、提高孔隙密度；四、添加纖維材料。

活性粉末混凝土在過去十幾年廣泛應用，RPC替代常見混凝土實用于多項工程，降低彎曲部件的橫截面高度，進一步增加工程中部件的剛度和使用壽命。大大改善了工程材料的性能，而且為工程結構的進步奠定了基礎。在市政建設中還充分利用RPC的高強性、高密實性、高抗折性、以及高耐磨性等優(yōu)良特性廣泛應用于道路等工程，大大減少了道路修補及更換的頻率，延長了路面的使用壽命，取得了良好的效果。

2 鋼纖維混凝土的研究

二十世紀初期，鋼纖維混凝土（Steel fiber concrete，簡稱SFRC）初露鋒芒，均勻的在混凝土中不斷加入鋼纖維，在控制纖維量到均衡水平后得到的增強型材料，是當時混凝土研發(fā)的新思路，除了其優(yōu)良的抗壓能力、卓越的耐疲勞性外，研究時發(fā)現(xiàn)，常規(guī)材料由于溫度壓力的作用，會產生裂縫；甚至隨著持續(xù)壓力，造成裂縫持續(xù)擴展，鋼纖維的摻入能很好的抑制這種現(xiàn)象。因此，將其應用到道路橋梁工程之中能夠提高道路橋梁的抗拉能力和抗彎能力。

鋼纖維作為發(fā)展和應用比較早的纖維材料，如圖1。在混凝土中添加鋼纖維是提升混凝土性能的重要手段之一：大多數(shù)研究人員通過力學試驗對RPC的抗壓強度和抗折強度進行研究，且多集中于結構構件基本力學性能和設計計算理論等方面。目前鋼纖維的最佳摻量研究結論存在些許不同。

圖1 鋼纖維

20 年來，我國在鋼纖維混凝土的發(fā)展中，控制彎拉強度，研究的鋼纖維水泥混凝土路面的進程從未止步。近年來，在高速公路建設中已經(jīng)開始較大規(guī)模的采用鋼纖維水泥混凝土路面，如圖2。

圖2 路面結構對比

Park等人[3]研究將不同長度的鋼纖維混摻，探索符合材料抗拉力學能限度。結果顯示，當短纖維體積含量在0%-1.5%之間，長纖維的體積含量保持在1.0%時，若以其材料的拉伸應力-應變曲線為衡量基準，長纖維是決定基準的重要因素，反之短纖維則更好的塑造了混雜體系多點開裂、應變硬化的優(yōu)異性能，兩者各承其重。在實驗中，不斷添加纖維量，在不同的階段混合物的延展性以及極限拉應力漸強，但材料裂紋數(shù)目也更多，表面塑性斷裂情況也越來越嚴重。

在路面材料的探索中，未解決纖維混合問題的學者數(shù)不勝數(shù)，朱海棠等在纖維水泥混凝土斷裂性能實驗中，控制鋼纖維體積率為1.5%，發(fā)現(xiàn)與聚丙烯纖維的混合效應提高不少，斷裂性能低的水泥混凝土得到很大改善。

夏冬桃等[4]對不同尺寸和不同類型的聚丙烯纖維、鋼纖維混摻的纖維混凝土進行了軸心受拉試驗，得出了混摻纖維應力-應變曲線。

為提高混凝土的可塑性與耐受性，周曉潔[5]等在混凝土中加入了鋼纖維、聚丙纖維以及玄武巖纖維等纖維，發(fā)現(xiàn)混凝土的彎曲韌性、耐受性等性能均有顯著提升，由此可見鋼纖維的變量控制是改善混凝土彎曲性能的重要切入點。

杰德爾別克[6]等在探究纖維混凝土的實驗中加入1%體積的鋼纖維可以提高劈裂抗拉強度53.9%。如果剛纖維加入體積超過2%，則其抗壓、劈拉強度甚至低于普通混凝土。

陳建海[7]采用26cm厚的層布鋼纖維混凝土面板結構，分別距頂面和底面各3cm布鋼纖維，鋼纖維摻量為1.57kg/m2，進行力學性能試驗，層布鋼纖維混凝土的抗壓強度較素混凝土有約10%的提高，并且在混凝土路面板下層布鋼纖維對混凝土的抗彎強度有超過20%的提高。

崔大戴[8]在對鋼纖維混凝土路面設計方法與路用性能的研究中，采用端鉤型鋼纖維，纖維長為25-40mm，長徑比為50-80，直徑為0.5mm，纖維摻量為0.4%-1.0%。鋼纖維的摻入使混凝土材料的抗折強度與普通混凝土相比分別提高幅度2%-52%。

鄭智軍[9]根據(jù)公路水泥混凝土路面施工技術規(guī)范（JTG F30-2003）中的規(guī)定，鋼纖維用量按占混凝土的體積百分率計，摻量為0.6%-1.2%，研究鋼纖維摻量與鋼纖維混凝土路面的抗折強度與的關系。傳統(tǒng)思路中：混凝土耐折強度隨著鋼纖維原材的含量添加遞增。而在實驗中發(fā)現(xiàn)實況并未如此，鋼纖維摻量為大于0.8%，并未性能凸顯反而不明顯，綜合試驗結果，混凝土路面中0.8%鋼纖維摻量能達到最佳預期效果。

3 聚丙烯纖維的研究

20 世紀80年代初，聚丙烯纖維開始大量應用于機場跑道、高層建筑地下室等工程中[10]。

纖維的研究中國對其起步較晚。美國在20世紀90年代初，就生產了可用于混凝土的纖維，并通過商業(yè)渠道進入中國。纖維類型如圖3，這是在中國大規(guī)模應用纖維混凝土的機會。這為纖維混凝土的使用帶來了新的維度。纖維混凝土在中國工程界應用的新高潮正在逼近。

聚丙烯纖維

國內研究者主要集中于纖維混凝土的力學性能的研究，華淵、孫家瑛、楊兆鵬等人，他們對聚丙烯纖維混凝土進行了大量的研究，試驗結果表明，摻量聚丙烯纖維的高性能混凝土的抗折強度、脆性和韌性性能有明顯的提高。

Hsie等[11]為了探索混凝土韌性，在混合材料中控制了聚丙烯纖維長度。發(fā)現(xiàn)混雜聚丙纖維對已開裂或有開裂跡象的混凝土的韌性、彎曲度影響極小。

對于聚丙烯纖維對混凝土的收縮變形的影響，研究結果不太一樣。Zollo等人的實驗結果表明，若在混凝土中摻加體積率為0.1%-0.3%的聚丙烯纖維，可使混凝土的塑性收縮減少12%-25%[12]。

Karahan O等人對聚丙烯纖維的幾何尺寸對混凝土塑性收縮裂縫影響進行了研究[13]。控制纖維摻入量在0.1%至0.3%時，塑性收縮率得到很好的控制，而聚丙烯的體積含量低，纖維對塑性收縮率和混凝土的開裂具有良好的控制。

普通混凝土路面起步于國外，但在國內早期工程中也采用率極高，路面龜裂現(xiàn)象比比皆是，我國廣州環(huán)城高速公路的第三期工程則采用了聚丙烯纖維混凝土修復，取得了很好的效果。河南、四川等其他省份還在高質量的公路收費站和隧道混凝土的表面上使用聚丙烯纖維，以確保這些部分的最大使用壽命[14]。在橋面上，聚丙烯纖維也得到了很好的應用。

4 有待進一步研究的問題

大量的研究結果顯示，混雜纖維混凝土中的混合纖維有助于提高混凝土的道路性能，如抗凍性、抗撕裂性和抗疲勞性等優(yōu)異性能。作為纖維混凝土的主要研究方向之一，目前混雜纖維混凝土的研究還存在一些局限性。活性粉末混凝土的化學組成與微觀結構還需進一步探討。

介于科研范圍局限化，混雜纖維混凝土僅于理想狀態(tài)，實驗、實用上有很大局限性，大量混雜纖維實驗項目仍在普通混凝土的研究上止步不前。研究中發(fā)現(xiàn)，若提高混凝土的綜合性能，就意味著，賦予其更復雜的構成及微觀結構。對混雜纖維之間的相互作用與效應暫還處于繼續(xù)探索狀態(tài)。目前，宏觀纖維的混雜是現(xiàn)在主流的混雜纖維研究方向，典型就是納米技術。迄今為止，納米技術在材料工程的海量使用，展現(xiàn)了其的科研潛力。此后納米級纖維與其他纖維混雜的能否研究出新的方向，也值得探索。如將納米級纖維與其他纖維優(yōu)勢結合、劣勢互補，對混凝土材料的發(fā)展將極具科研意義。