層布式纖維混凝土的研究及應(yīng)用綜述

房林福 張坤 時(shí)景彬 吳婧

中建八局第四建設(shè)有限公司

摘 要：主要闡述了層布式纖維混凝土的結(jié)構(gòu)形式和力學(xué)性能，分析了其優(yōu)點(diǎn)。介紹了層布式纖維混凝土的研究現(xiàn)狀和在實(shí)際工程中的應(yīng)用。對層布式纖維混凝土的發(fā)展提出了一些建議。

關(guān)鍵詞：層布式纖維混凝土;研究現(xiàn)狀;應(yīng)用現(xiàn)狀

層布式鋼纖維混凝土作為纖維混凝土一種新型的結(jié)構(gòu)形式，是將少量鋼纖維分上下兩層，均勻撒布于路面板的板底與板頂中[1]。層布式纖維混凝土的理念類似于我國古代傳統(tǒng)制刀工藝中的“包鋼法”，即將力學(xué)性能更好的纖維混凝土材料置于構(gòu)件的表面，將普通的素混凝土材料置于中間層作為主體，形成了一種在力學(xué)性能上中間層較弱，上下層較強(qiáng)的層布式結(jié)構(gòu)。

混凝土作為當(dāng)代最主要的土木工程材料之一，憑借著良好的力學(xué)性能被廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑當(dāng)中。但由于其存在抗拉強(qiáng)度低、彎拉疲勞強(qiáng)度低、易產(chǎn)生裂縫等缺陷，越來越難以滿足公路橋梁路面、機(jī)場跑道道面的要求。為解決混凝土在力學(xué)上的缺陷，有國外學(xué)者提出了纖維混凝土這種新的結(jié)構(gòu)形式，由于材料中力學(xué)性能比混凝土基體強(qiáng)的多的鋼纖維的加入，能和混凝土一起承擔(dān)外力的破壞，鋼纖維混凝土擁有比普通混凝土更加優(yōu)良的性能，在使用中有更加出色的表現(xiàn)，起初一般應(yīng)用在國防、水利等有特殊要求的領(lǐng)域[2]。在此基礎(chǔ)上，又有中國學(xué)者在上世紀(jì)90年代進(jìn)一步提出了層布式鋼纖維混凝土。

由于層布式纖維混凝土表層有著良好的力學(xué)性能，而且可以減少纖維使用量，在節(jié)約了成本的同時(shí)可以達(dá)到工程使用要求，適合工程上的大量應(yīng)用。而層布式鋼纖維混凝土由于其纖維層有著良好的抗拉彎能力和抗沖擊能力而被廣泛應(yīng)用于道路和橋梁工程的建設(shè)中。

一、發(fā)展、研究及應(yīng)用

（一）層布式纖維混凝土由來

美國人H.F.Porter對短纖維增強(qiáng)混凝土進(jìn)行了研究并于1910年發(fā)表了正式的研究報(bào)告。1911年，美國人Graham把鋼纖維摻入普通鋼筋混凝土中，得出的結(jié)果。1966年美國混凝土協(xié)會成立了纖維混凝土委員會（AC巧44委員會），該委員會專門從事纖維混凝土的研究。

在歐洲，英、法等國在20世紀(jì)40年代先后公布許多用鋼纖維補(bǔ)強(qiáng)混凝土的專利。70年代以后，纖維混凝土在歐洲被廣泛應(yīng)用于工業(yè)建筑中的地板和墻板中，以及路面的鋪裝、隧道襯砌和各種預(yù)制建筑構(gòu)件中。

我國研究和應(yīng)用纖維混凝土是從上世紀(jì)70年代開始的，我國對纖維混凝土的研究和發(fā)展十分重視，自1986年起定期舉辦纖維混凝土學(xué)術(shù)會議。纖維混凝土近些年的發(fā)展十分迅速，已經(jīng)得到了深入的研究和廣泛的應(yīng)用。工程中應(yīng)用較廣的有隧洞襯砌、橋梁、鐵路軌枕、大跨建筑物、管道工程、維修加固工程等[3]。鋼纖維混凝土因其力學(xué)性能出色在工程中的應(yīng)用最為廣泛，然而鋼纖維混凝土依舊存在一些問題例如：（1）鋼纖維混凝土的拌、振搗、成型都比較困難。現(xiàn)場澆筑的鋼纖維混凝土性能指標(biāo)，往往低于實(shí)驗(yàn)室里數(shù)值，尤其是抗壓強(qiáng)度。在纖維含量較大時(shí)，常會產(chǎn)生抗壓強(qiáng)度低于素混凝土強(qiáng)度的反常現(xiàn)象。鋼纖維攪拌不均使鋼纖維結(jié)團(tuán)往往難以保證混凝土質(zhì)量[4]。（2）鋼纖維混凝土中的纖維是呈三維狀態(tài)散亂分布在混凝土中的，大量的研究成果表明，普通三維隨機(jī)分布的鋼纖維混凝土中對鋼纖維混凝土抗彎拉有效的鋼纖維約為摻入鋼纖維用量的70%（只有垂直于彎拉應(yīng)力方向平面的鋼纖維增強(qiáng)效果接近于零）[5]。在三向等拉狀態(tài)下鋼纖維混凝土的強(qiáng)度明顯低于單軸抗拉強(qiáng)度，平均值之比僅為0.73[6]。為改進(jìn)鋼纖維混凝土的缺陷，我國學(xué)者提出了層布式鋼纖維混凝土，將鋼纖維均勻撒布在上下層中，即避免了鋼纖維在構(gòu)件制作當(dāng)中結(jié)團(tuán)，又使纖維盡可能的只受單軸軸向拉力，還可以節(jié)省鋼纖維材料。

（二）層布式鋼纖維混凝土的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

層布式纖維混凝土最開始是為了解決鋼纖維混凝土在路面、橋面以及機(jī)場道面的鋪設(shè)中所出現(xiàn)的材料浪費(fèi)、攪拌困難等問題才提出的，因此從上世紀(jì)90年代被提出開始，層布式纖維混凝土的研究范圍多以鋼纖維為主，其在實(shí)際工程中的應(yīng)用多用于路面的鋪設(shè)與修復(fù)。

截至2018年年末，全國公路總里程484.65萬公里，比上年增加7.30萬公里[7]，如圖下所示我國公路總里程和密度在近幾年中呈穩(wěn)定增長狀態(tài)，而根據(jù)交通規(guī)劃司的2012年公路水路交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)顯示，截至2012年年末水泥混凝土路面占到了72.0%[8]。如圖一所示，我國公路里程數(shù)每年有著巨大的增長量，按照12年的統(tǒng)計(jì)來看，混凝土路面的里程數(shù)是一個(gè)巨大的長度，所以層布式纖維混凝土在舊路改造和新路鋪設(shè)中有著良好應(yīng)用前景。

圖1? 2013-2018年全國公路總里程及公路密度[7]

1、層布式鋼纖維混凝土的研究現(xiàn)狀

上世紀(jì)90年代，武漢理工大學(xué)的盧哲安教授[1]在論文中提出了層布式鋼纖維混凝土路面的概念，同時(shí)應(yīng)用有限元方法對其應(yīng)力分布進(jìn)行了分析，并對層布式纖維混凝土在路面工程中的應(yīng)用前景做出了展望;隨后又對層布式纖維混凝土的彎曲疲勞性能進(jìn)行了研究，建立了可供實(shí)際工程應(yīng)用的雙對數(shù)疲勞方程。

長沙理工大學(xué)的朱夢良教授對層布鋼纖維混凝土在舊路改造中的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行的研究表明：在舊路的改造中，層布式鋼纖維混凝土路面擁有比普通水泥混凝土路面更加卓越的性能，可以減少水泥路面的前期病害，延長路面的使用壽命，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

廣東工業(yè)大學(xué)李旭東教授對全摻式鋼纖維橡膠混凝土和層布式鋼纖維橡膠混凝土在不同含鋼率以及高溫加熱前后的基本力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)，并與同等條件下未摻加鋼纖維的橡膠混凝土和素混凝土進(jìn)行力學(xué)性能的對比，研究橡膠混凝土在不同鋼纖維分布律及不同鋼纖維分布方式下的力學(xué)性能及破壞形態(tài)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：（1）對全摻式鋼纖維橡膠混凝土來說，鋼纖維和橡膠粉在摻進(jìn)混凝土后在一定程度上改善了其脆性破壞特性。摻入鋼纖維未明顯增強(qiáng)橡膠混凝土的極限抗壓強(qiáng)度，可以增強(qiáng)其劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度且與鋼纖維體積率成正比。（2）對于層布式鋼纖維橡膠混凝土來說，采用了摻雜了鋼纖維的層布式結(jié)構(gòu)，并沒有明顯增強(qiáng)橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗劈裂強(qiáng)度，但顯著提高了其抗折強(qiáng)度。同時(shí)層布式鋼纖維橡膠混凝土在力學(xué)性價(jià)比方面要優(yōu)于全摻式鋼纖維橡膠混凝土。（3）經(jīng)高溫作用的橡膠混凝土?xí)霈F(xiàn)質(zhì)量下降的現(xiàn)象，且質(zhì)量損失與溫度升高成正比，而鋼纖維的摻入使得質(zhì)量損失現(xiàn)象更加明顯。高溫作用后的鋼纖維橡膠混凝土各項(xiàng)強(qiáng)度發(fā)生了下降，但鋼纖維對混凝土的增韌效果在高溫后更明顯，增強(qiáng)效果隨纖維體積率的增加而增加。

延邊大學(xué)的裴長春老師對層布式再生鋼纖維混凝土梁進(jìn)行了抗折性能及抗裂性能的研究，研究結(jié)果表明，鋼纖維層的增厚有利于提高構(gòu)件的韌性;當(dāng)鋼纖維摻入過量的時(shí)候，其破壞方式反而呈脆性破壞。

2、 層布式鋼纖維混凝土的應(yīng)用現(xiàn)狀

（1） 層布式鋼纖維混凝土在舊路改造中的應(yīng)用

層布式纖維混凝土改造舊路的施工順序是先對路面進(jìn)行碎石化處治，實(shí)施碎石化的主要設(shè)備主要有MHB類設(shè)備和共振式設(shè)備兩種類型[2]。

以京廣線G107、滬瑞線G320以及湘懷線S312三條高速公路的改造項(xiàng)目為例，三個(gè)項(xiàng)目均采用了多錘頭碎石化設(shè)備。舊水泥路面破碎施工完成后，需要進(jìn)行進(jìn)一步處治。為防止雨水進(jìn)入路面造成水損害，其表面一般采用瀝青封層。為增加路面使用壽命，在碎石化基層上直接用穩(wěn)定土攤鋪機(jī)鋪設(shè)水泥穩(wěn)定碎石層，施工方法與常規(guī)基層施工相同。基層養(yǎng)護(hù)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求后，將表面清洗干凈后立模，再進(jìn)行鋼纖維混凝土面板施工。①撒布底層鋼纖維：首先在基層撒布一層水泥混凝土，用人工將鋼纖維按設(shè)計(jì)使用量均勻撒布在水泥混凝土上，撒布完成后，人員、機(jī)械應(yīng)避免對已撒布的鋼纖維進(jìn)行擾動。②攤鋪中間層混凝土：完成底層鋼纖維撒布后，采用挖掘機(jī)攤鋪混凝土，攤鋪中間層混凝土?xí)r，松鋪厚度應(yīng)比設(shè)計(jì)厚度稍低，為上層鋼纖維混凝土預(yù)留一定空間。③撒布上層鋼纖維：在中間層混凝土攤鋪和振搗完成后，應(yīng)立即撒布上層鋼纖維。上層鋼纖維鋪設(shè)參考底層纖維鋪設(shè)方法。④加鋪頂層混凝土：上層鋼纖維撒布完成后，按設(shè)計(jì)的混凝土厚度加鋪頂層混凝土。完成鋼纖維混凝土面板施工后，后續(xù)工藝如養(yǎng)護(hù)、切縫、刻紋和現(xiàn)行普通水泥混凝土路面施工相同。湘潭市公路局于2009-2011年在滬瑞線G320、京深線G107、湘懷線S312的改造項(xiàng)目中推廣應(yīng)用舊水泥路面破碎化和層布鋼纖維水泥混凝土，鋪設(shè)長度總計(jì)長度達(dá)40多公里，一直使用至今。京廣線G107、滬瑞線G320均為國家主干公路，車流量大且有嚴(yán)重的超載現(xiàn)象，目前路面整體使用狀況良好，使用早期未出現(xiàn)掉邊、掉角、斷板等常見病害，且路面的縮縫間距即使延伸至10～15m，也未出現(xiàn)任何病害。

（2） 層布式鋼纖維混凝土在舊路面補(bǔ)強(qiáng)中的應(yīng)用

以井岡山市茨坪城區(qū)水泥混凝土路面的改造為例，該道路的改造采用了在舊水泥混凝土路面上加鋪層布式鋼纖維混凝土層的方式進(jìn)行路面補(bǔ)強(qiáng)。首先對舊混凝土路面進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，①加鋪前對舊路面承載能力進(jìn)行評定，若出現(xiàn)能力不足或舊路面有板底脫空現(xiàn)象，進(jìn)行壓漿補(bǔ)強(qiáng)處理。②對舊路面應(yīng)進(jìn)行清理和修補(bǔ)，以保證舊路面的表面狀況平整完好。③接下來進(jìn)行層布式纖維混凝土層的鋪設(shè)，進(jìn)行路面處理后，先稀薄的撒布一層混凝土或碎石以保證鋼纖維更好的與混凝土結(jié)合，再用機(jī)械振動篩或人工篩將鋼纖維布在混凝土上。完成底層鋼纖維的施布后，即可澆筑中間層的混凝土，將中間層混凝土振搗密實(shí)、抹平之后，即可布設(shè)上層鋼纖維。布置上層鋼纖維的工序與下層相同。上層鋼纖維施布后，加鋪頂層混凝土，再用振動平板振動密實(shí)、振動梁平實(shí)、磨漿機(jī)收漿等，后續(xù)工藝和現(xiàn)行水泥混凝土路面施工相同。層布式纖維混凝土層鋪設(shè)完之后的養(yǎng)護(hù)執(zhí)行現(xiàn)行公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)工藝即可。改道路改造工程于2004年底竣工通車，該路段通車2年后，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)裂縫數(shù)量極少，且路面使用良好，達(dá)到了預(yù)期效果。

上述兩個(gè)層布式纖維混凝土的實(shí)際應(yīng)用情況均反映出了層布式纖維混凝土是一種性能優(yōu)良、可長期使用、性價(jià)比較高路面結(jié)構(gòu)形式。綜合其主要研究成果，層布式鋼纖維混凝土在獲得鋼纖維混凝土路面90%左右優(yōu)良性能的同時(shí)，鋼纖維用量只有普通鋼纖維混凝土路面的20%左右。其他類型的層布式纖維混凝土也對混凝土的強(qiáng)化有著很不錯(cuò)的效果。

（三）層布式混雜纖維混凝土的研究現(xiàn)狀

混雜纖維混凝土是在混凝土中摻雜了兩種以上纖維用于強(qiáng)化混凝土的力學(xué)性能。目前的研究多以鋼纖維與其他纖維混雜來強(qiáng)化混凝土。

安徽理工大學(xué)的馬芹永教授對多種不同摻合料、不同結(jié)構(gòu)形式的混凝土進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗沖擊性能試驗(yàn)和抗裂性能試驗(yàn)，其中的層布式纖維混凝土為鋼纖維-聚丙烯纖維混雜纖維混凝土。抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果表明，層布式鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度比整體式鋼纖維混凝土略有不足;層布式混雜纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度相比于整體式混雜纖維混凝土低了很多。對圓餅形層布式混雜纖維混凝土試件的落錘抗沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果表明，層布式混雜纖維混凝土的初裂沖擊次數(shù)和破壞沖擊次數(shù)相比于粉煤灰纖維混凝土有大幅度提高，且比聚丙烯纖維混凝土、整體式混雜纖維混凝土、層布式剛纖維混凝土的提高幅度都大，且破壞形式表現(xiàn)為明顯的塑性破壞。早齡期塑性抗裂性能試驗(yàn)選用的矩形平板試件。層布式混雜纖維混凝土的試驗(yàn)結(jié)果表明，層布式混雜纖維混凝土的抗裂性能相比于鋼纖維混凝土、層布式鋼纖維混凝土均有提高，裂縫長度、寬度以及出現(xiàn)時(shí)間相比于上述幾種混凝土都有所加強(qiáng)。分析得出其抗裂等級為一級。

武漢理工大學(xué)的戴紹斌老師對層布式纖維混雜混凝土的抗彎拉性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對其彎拉性能、彎曲韌性進(jìn)行了分析，該混雜纖維混凝土為鋼-聚丙烯腈混雜纖維混凝土。對比試驗(yàn)表明，層布式混雜纖維混凝土在抗拉彎性能上相比于素混凝土和混雜纖維混凝土均有大幅度提高，而對于層布式鋼纖維混凝土的提高幅度不大，分析表明其重要原因在于摻入有機(jī)纖維降低了混凝土的密實(shí)性，然而混凝土的密實(shí)性直接影響到其本身的強(qiáng)度，故對提高層布式鋼纖維混凝土的彎拉強(qiáng)度貢獻(xiàn)不大。如果從改善彎拉強(qiáng)度的角度來看，盡管摻有機(jī)纖維對彎拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)不及鋼纖維，但是在層布式鋼纖維混凝土中摻配有機(jī)纖維對改善彎拉強(qiáng)度還是起到一定作用[9]。彎曲韌性分析對比結(jié)果為混雜纖維混凝土的彎曲韌性略高于層布式鋼纖維混凝土，摻入了聚丙烯腈有機(jī)纖維后改善了層布式鋼纖維的彎曲韌性。

（四）層布式聚乙烯醇纖維混凝土（PVA纖維混凝土）

長春工程學(xué)院的孫維東教授對層布式PVA纖維混凝土梁進(jìn)行了抗彎性能研究，得出結(jié)論，隨PVA纖維提及率以及纖維層厚度的增加，混凝土梁的早期抗裂性能得到明顯的提升，開裂荷載得到提高，撓度減小，但極限承載力幾乎沒有變化。

由于層布式混雜纖維混凝土和層布式聚乙烯醇纖維混凝土均處于研究階段，目前在實(shí)際工程中的應(yīng)用還有待開發(fā)。

二、結(jié)語：

本文闡述了層布式纖維混凝土的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，本文對層布式纖維混凝土的研究和發(fā)展提出了一些合理性建議。

（1）層布式纖維混凝土從提出至今僅有20年左右的時(shí)間，由于其成分復(fù)雜，所以如何確定其本構(gòu)關(guān)系是一件很復(fù)雜的事情，其有限元分析計(jì)算出的結(jié)果也是一種近似解，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果還是應(yīng)以試驗(yàn)和實(shí)際測量為主。

（2）層布式纖維混凝土目前在實(shí)際工程中的使用處于剛剛起步階段，其理論設(shè)計(jì)和施工技術(shù)還有待進(jìn)一步的探討和研究。

（3）層布式纖維混凝土的力學(xué)性能相比于纖維混凝土略有下降，但可以大大節(jié)省纖維使用量，有著優(yōu)良的性價(jià)比，適合于

工程中的大量應(yīng)用，其能否代替纖維混凝土應(yīng)用于實(shí)際工程中還有待進(jìn)一步的探討和研究。

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