纖維混凝土的力學性能及其在路面工程中的應用研究

李昕　王穎

摘 要：纖維混凝土是纖維和混凝土的結合體，是一種被廣泛應用在工程上的新型材料，具有耐疲勞、抗彎、抗裂等優勢，文章通過介紹不同纖維類型的特性，研究纖維混凝土的組成成分及力學性能，重點分析纖維混凝土在路面工程上的應用。

關鍵詞：纖維混凝土；力學性能；路面工程；木質素纖維

1 纖維類型及其特性

纖維混凝土中使用的纖維可以分為有機纖維和無機纖維兩種，有機纖維包括聚丙烯纖維、尼龍纖維、聚酯人造纖維，較多采用的是聚丙烯纖維和木質素纖維。無機纖維較多采用的是鋼纖維，包括住密克絲膠合鋼纖維、銑削鋼纖維、熔抽鋼纖維、剪切鋼纖維等。

聚丙烯纖維又名杜拉纖維，是塑料纖維的一種，呈半透明網狀，顏色為白色，結構為束狀單絲結構，將其放進混凝土進行攪拌會呈單絲狀分散開。聚丙烯纖維無吸水性，纖維長度范圍為12～15mm，燃點590℃，熔點為160～70℃，比重為0.91，熱傳導能力較低，張力強度為560～770MPa，酸堿阻抗性較高，楊氏彈性模量為350MPa。

木質素纖維是植物類纖維，由木材經過一定化學處理后得到。纖維結構是多孔、凹凸不平、帶狀彎曲的，有較強的吸水能力，且具有良好的分散性、韌性等優勢。木質素纖維呈棉絮狀，顏色為灰色或淺綠色。對其加工處理時溫度控制在260℃以上，通常情況下木質素纖維不易被酸堿溶劑所腐蝕，溫度和化學穩定性較好，亦不會影響到環境和人體健康。

鋼纖維是采用不同方式對低碳鋼加工而得到的，如銑削鋼纖維是銑削特定鋼錠而成，該纖維等效直徑0.8mm，長32mm，呈月牙狀。在混凝土中容易攪拌，不起團，且經一定處理后不易生銹。住密克絲膠合鋼纖維使采用高速回轉方式將鋼水甩出，快速冷卻得出。纖維斷面呈現月牙形，橫截面長度范圍為20～60mm，可增強混凝土握裹力。鋼纖維具有較高的強度，可提高利用效率。

2 纖維混凝土的組成材料

纖維混凝土的構成材料有纖維、碎石、水、水泥、砂以及其他外加劑。混凝土中對于碎石強度和耐磨性有一定要求，壓碎值（mm）16～20；石料技術等級≥3；含泥量（沖洗法）≤1%；片、針狀顆粒含量≤15%；磨耗率≤4%；硫化物及硫酸鹽含量≤1%.材料中使用的是飲用水或者無污染天然水。若采用非飲用水，含鹽量要小于5mg/cm3，硫酸鹽含量不能超過2.7mg/cm3，pH值必須大于4。

水泥混凝土路面要求混凝土有一定的強度，可抗滲和耐磨，路面強度要求高于30#。因此選擇水泥標號不能低于525#。鋼纖維混凝土路面的滲透性要求較高，水泥采用硅酸鹽水泥，用量大于300kg/m3。

纖維混凝土中多使用河砂，選擇粗砂或者中砂，細度模數控制在2.3～3.2范圍內，技術要求為.輕物質含量≤1%；含泥量≤3%；云母含量≤2%；硫化物及硫酸鹽含量≤1%。

3 纖維混凝土力學性能及路面應用

3.1 鋼纖維混凝土

3.1.1 力學性能

抗裂性：若耐力情況控制不變，鋼纖維混凝土具有較強的變形能力，在出現裂縫時變形能力使素混凝土的兩倍，出現裂縫后，鋼纖維在裂縫之間的連接還能夠抑制變形擴展。鋼纖維混凝土中摻入的鋼纖維擴大，可顯著增大其韌性，韌性能力為素混凝土的30倍之多。

抗剪強度：混凝土中摻進的鋼纖維越多，其抗剪強度越大，若摻進0.5%的鋼纖維，去抗剪強度是素混凝土的1.5倍。此外，混凝土的抗彎強度也會因鋼纖維的長細比發生變化。

抗沖擊強度：鋼纖維混凝土有較強的吸能能力，所以抗沖擊強度較高，是素混凝土的5～10倍。

彈性模量：鋼纖維混凝土中摻進2%至3%的鋼纖維時，彈性模量無明顯改變，與素混凝土幾乎一致，但摻進鋼纖維量越大，彈性模量會越大。

3.1.2 路面應用

鋼纖維混凝土在我國路面工程上主要運用于橋面、高級路面以及機場跑道，包括修補工程和新建工程。鋼纖維混凝土所具有的較高的韌性和力學性能，可以承受激烈的沖擊力和反復荷載，初次產生裂縫較小，在不承受荷載的情況下可以恢復，且可將其制作成井蓋，成本較低又可達到要求，且不用擔心被盜，有助于提高經濟效益和社會效益。

3.2 木質素纖維

3.2.1 力學性能

韌性及分散性：木質素纖維結構是凹凸不平、多孔的，有較好的分散性、抗裂性及韌性。

抗裂性：木質素有較強的吸水能力，抗裂性能較好。

3.2.2 路面應用

木質素在路面工程中是不可或缺的穩定劑，它可以與其他物質混合使用，運用在混凝土中可有效增加混凝土強度和表面附著力，在路面建筑中起到防護、填充作用。通常木與其他纖維共同摻入混凝土中，增加其穩定性，多用于荷載較重的交通路端，城市中的汽車站、港口碼頭以及道路交叉口等路面。

3.3 聚丙烯纖維混凝土

3.3.1 力學性能

抗折性：聚丙烯纖維不起團不生銹，其中含有較多的單絲，可以抑制混凝土塑性收縮，運用到路面工程中，可有效降低路面斷板和開裂的發生率。聚丙烯纖維具有良好抗折性能，有助于增高路面使用時間，其抗折強度受聚丙烯纖維含量控制，會隨著纖維含量持續增加呈現先升高后降低的規律，因此，纖維控制量有限制。

抗壓性：聚丙烯纖維網可使混凝土結構發生改變，從而使混凝土初次裂縫有所較少，增高混凝土的抗壓性。

耐久性和滲透能力：混凝土中摻入適量的短切聚丙烯能夠提高致密性，進而增強混凝土耐久性和抗滲透能力。

3.3.2 路面應用

如平頂山市的平東線中姚孟一段路面，路寬12m，日常交通量大，荷載重，時常出現路面損壞現象，相關管理局決定采用聚丙烯纖維混凝土重新這段路路面，使用聚丙烯纖維建筑的路面載荷量高，不易出現裂縫，一年的使用時間無錯臺和斷板現象。從投入成本來算，相比普通混凝土來說，聚丙烯纖維混凝土造價雖增加，但其使用壽命較長，路面質量高，相對應的減少養護工作。和鋼纖維混凝土建筑相比，沒公里路面路面造價節約成本25萬至30萬，綜合來看，在路面工程中使用聚丙烯纖維混凝土性價比較高，尤其對于人數較多，對交通要求較高的地區，在路面建筑的選材方面，可多考慮使用聚丙烯纖維混凝土。

參考文獻

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基金項目：文章為不同摻量的木質素纖維混凝土的基本力學性質實驗研究課題研究成果，項目編號：2014QJ02。