摻 FC 纖維材料混凝土在橋面整體化層中的應用研究

彭書成，雷 鳴，徐光波，張心強，徐 亮，牛擁軍

（1.杜強華微（北京）高新材料科技有限公司，北京 101407；2.廣東交通實業投資有限公司，廣東 廣州 510623；3.保利長大公司大潮項目部，廣東 廣州 510623；4.清華大學材料學院FC中心，北京 100084；5.中國航空港建設第三工程總隊 94968 部隊，北京 102602）

0 引言

在國家基本建設的大格局中，高等級公路占比很大，特別是隨著高速公路的發展，以水泥混凝土和瀝青混凝土為主的道面、橋梁和隧道等工程規模越來越大。本文以“建立高質量、高標準、高耐久、高壽命、高結構穩定路面及橋梁、隧道無開裂的優質綠色工程規范，實現高耐久 FC 水泥混凝土、高性能 FC 瀝青混凝土、延長工程使用壽命、減少日常維護費用”為目標，為廣東省高速公路工程建設“全壽命免維護”開創先河，創新引領我國首條 FC 高質量的示范高速公路；其核心技術將在多個領域輻射產生巨大社會經濟效益，并能帶動廣東省相關行業及產業鏈的發展，提高工程建設基礎材料的科技進步。

1 工程概況

根據“廣東省交通運輸廳推進綠色公路建設實施方案的通知”（粵交基〔2017〕591 號）、“轉發廣東省交通運輸廳關于印發廣東省推進綠色公路建設實施方案的通知”（粵交集基函〔2017〕5 號）內容，按照《廣東省推薦綠色公路建設實施方案》和《廣東省綠色公路建設技術指南（試行）》的要求，結合《大埔至潮州高速公路（含大埔至漳州支線）》（以下簡稱“本項目”）實際制定綠色公路建設實施方案（見圖 1）。

圖1 項目圖

本項目是廣東省高速公路網規劃的重要組成部分。路線全長 120.768 km，概算總投資 142.79 億元，大埔至潮州高速公路主線路線起于梅州市大埔縣大麻鎮，與梅州至大埔高速公路相接，經大埔縣高陂、光德，饒平縣新豐、三饒、浮濱、樟溪，終于潮州市饒平縣錢東鎮，接沈海高速公路汕汾段，設上徑（樞紐）、高陂、赤山（樞紐）、塘尾（樞紐）、光德、新豐、三饒、浮濱、中山樓（樞紐）、樟溪、黃都嶺（樞紐）11 處互通式立交。

為提升我國高速公路建設的技術水平，推動廣東省交通事業的全面發展，實現高速公路免維護高質量工程建設的百年大計，在本項目中采用了材料和工藝技術創新的應用研究，在普通 C40 混凝土中摻加 FC 纖維材料以提高道面工程質量，并通過科學嚴格的試驗比對，獲得了材料技術創新驗證。

2 普通 C40 混凝土室內試驗與橋面整體化層設計試驗結果

2.1 普通 C40 水泥混凝土配比設計試驗

室內試驗于 2019 年 4 月 26 日在某項目部工地試驗室進行，試驗條件按照混凝土配合比設計規范，選擇 P.O42.5 水泥，II 區中砂（砂率 38 %），碎石 16～31.5、10～20、5～10 mm 三個檔次，水膠比 0.36，聚羧酸減水劑 JB-ZSC（摻量 1.2 %）。依據 JTG E42-2005《公路工程集料試驗規程》，得到粗集料參數如表 1 所示，C40 混凝土配合比如表 2 所示。

表1 C40 混凝土粗集料參數

表2 C40 混凝土配合比

依據表 2 中 C40 混凝土配比將原材料干拌 30 s，濕拌 60 s。現場測得混凝土塌落度為 160 mm，分別制作抗壓、抗折強度試件各 3 組（見圖 2）。

圖2 C 40 混凝土標準試件

2.2 普通 C 40 混凝土試塊抗壓與抗折強度測試

經室內力學測試，可得試件的 7d 抗壓強度為 53.9MPa，抗折強度為 5.3 MPa；28 d 抗壓強度為55.0 MPa，抗折強度為 5.9 MPa（見圖 3）。

2.3 普通 C40 混凝土抗裂試驗

圖3 力學測試

將普通 C40 混凝土鏟入抗裂試驗的模具內，然后放在混凝土振動臺上振動成型，最后用鐵抹子和鋁合金刮尺在混凝土表面反復壓抹，直到達到工程所需表面光潔要求。試塊成型 2 h 后，每個試件各用 1 臺電風扇（直徑 450 mm）距離試件 200 mm 吹試件表面，連續直吹≥ 24 h，同時每個試件用 1 000 W 碘鎢燈在離試件表面高 1 100 mm 處照射不少于 24 h。試塊成型 10 h 后，每隔 1 h 觀察一次試塊表面的裂縫變化情況（見圖 4）。

圖4 抗裂試驗試塊制作及養護期觀察

試塊表面裂縫發展數量統計如表 3 所示。

表3 試塊表面裂縫發展數量統計

室外試驗：在室內測試和試驗的基礎上，為貼近工程實際環境和要求，選擇在本項目的丘屋大橋進行實地試驗，該橋地處低緩丘陵地段，橋梁上部結構采用先簡支后結構連續預制 T 梁、先簡支后結構連續剛構預制 T 梁。跨徑組合：左線 12×40=480 m，右線 13×40=520 m。橋梁交角為 90°，橋面鋪裝采用 10 cm 瀝青鋪裝＋防水層 +10 cm 厚 C40 混凝土整體化層。經28 d 養護成型后觀察，混凝土表層無裂縫，裂縫長度最大達 0 mm，最大寬度 0 mm。

3 摻 FC 纖維材料 C 40 混凝土在橋面整體化層的設計應用

3.1 FC 纖維材料

FC 材料是由清華大學材料學院 FC 中心利用 10 年時間（2008 年 5 月-2018 年 5 月）刻苦攻關，為提高水泥與瀝青混凝土工程質量、延長使用壽命，減少維護費用而研發，具備全套自主知識產權，已于 2020 年 1 月由杜強華微（北京）高新材料科技公司升級為第七代。其核心技術（高強度、高模量、高抗堿、超大長徑比）和綜合指標較為先進，并由筆者單位探索了一整套現場施工工藝［1］。

3.2 工程案例

在“十五”期間，FC 纖維材料已經為國家重大工程和軍事工程應用，先后在博鰲論壇、蘇通大橋橋塔、鼎新機場、常州機場、赤峰機場、興城機場、北京大興國際機場、湖北鄂州水利工程、11230 工程等幾十項重點工程中應用，均達到設計要求；特別是在高鹽堿、高海撥、高寒及高溫差地區的應用，更加突顯了 FC 纖維材料的優點；其中某工程應用 FC 纖維材料的 4 條跑道、停機坪、滑行道總面積為 150 多萬 m2、使用 11 年未出現任何裂紋，實現了免維修［2］。

3.3 第三方檢測

2019 年 6 月 5 日委托第三方國家建筑工程質量監督檢驗中心復檢，第三方檢測報告圖片如圖 5、圖 6 所示。具體技術指標如表 4 所示。

按國際通行慣例，水泥混凝土摻加纖維的長徑比一般≤100，而 FC 材料能＞300（如國外纖維長度為0.9 cm，FC 材料纖維長度可做到 1.9、3.8、5.6 cm）；實現了重大及特殊混凝土工程需要的高強度、高模量、高韌性、低延伸率、高抗堿、超高大長徑比，能夠充分達到水泥及其混合材料的連接搭橋功能，有效阻止混凝土開裂［3］。

圖 6 每 m3 混凝土摻入 1.4 kg FC 纖維裂縫降低系數檢驗報告

表4 FC 材料技術指標

施工攪拌時，FC 材料能在混凝土中均勻分布、建立多維結構，徹底解決水泥混凝土和瀝青混凝土開裂、掉邊、掉角、收縮裂縫等通病；在公路、機場跑道、水利大壩、隧道、橋梁等工程中應用，能夠提高工程抗裂縫、抗磨損、耐久性、抗疲勞和抗沖擊性能，解決大體積、大面積混凝土極易開裂的世界性難題，實現抗凍融、抗鹽堿、抗腐蝕的優異性能，有效保障工程結構穩定運行安全［4-5］。

3.4 摻 FC 纖維 C40 混凝土配比設計

按照混凝土配合比設計規范，選擇 P.O 42.5 水泥，II 區中砂（砂率 39 %），碎石 16～31.5 mm、10～20 mm、5～10 mm 三個檔次，水膠比 0.36，聚羧酸減水劑 JBZSC（摻量 1.15 %），FC 纖維分 1.0 kg/m3、1.2 kg/m3、1.4 kg/m3三種摻量。依據 JTG E42-2005《公路工程集料試驗規程》，得到 C40 FC 纖維混凝土配合比如表 5 所示。依據表 5 中 C40 纖維混凝土配比，將混凝土原材料干拌 30 s，濕拌 60 s，確保混凝土中 FC 纖維分布均勻，無成團并絲現象。

表5 C40 FC 纖維混凝土配合比

3.5 摻 FC 纖維 C40 混凝土試塊抗壓及抗折強度測試

按 FC 纖維摻量 1.0、1.2、1.4 kg/m3分別制作抗壓、抗折強度試件各 3 組。經室內力學測試，可得試件 7 d 抗壓、抗折強度和 28 d 抗壓、抗折強度如表 6 所示。

表6 試件的抗壓、抗折強度統計

3.6 摻 FC 纖維 C40 水泥混凝土抗裂試驗

將拌制好的 3 種配合比的 FC 纖維混凝土分別鏟入抗裂防裂試驗模具內，然后放在混凝土振動臺上振動成型，最后用鐵抹子和鋁合金刮尺在混凝土表面反復壓抹，直到達到工程所需表面光潔要求。試塊成型 2 h 后，每個試件各用一臺電風扇（直徑 450 mm）距離試件 200 mm 吹試件表面，連續直吹≥ 24 h，同時每個試件用 1 000 w 碘鎢燈在離試件表面高 1 100 mm 處照射≥ 24 h。試塊成型 10 h 后，每隔 1 h 觀察一次試塊表面的裂縫變化情況（見圖 7）。

圖7 FC 纖維混凝土試塊裂縫測量

試塊表面裂縫發展數量統計如表 7 所示。

表7 摻 FC 纖維材料 C40 混凝土試塊裂縫數量統計

從表 7 可知，隨著 FC 纖維摻量的增加，試塊表面裂縫的數量減少，當 FC 纖維摻量達到 1.4 kg/m3及以上時，裂縫消失。

由上文所述，為了達到減少混凝土表面裂縫數量的目的，應在橋面整體化層混凝土中摻入 FC 纖維 1.0～1.4 kg/m3。普通 C40 混凝土與摻 FC 纖維材料 C 40 混凝土試塊的物理力學性能對比如表 8 所示。

表8 混凝土試塊物理力學性能對比

由表 8 可得，摻 FC 纖維材料 C40 混凝土試塊的抗壓強度相比普通 C40 混凝土提高了 2.7 %，抗折強度提高了 6.44 %，每 m3混凝土摻 1.2 kg FC 纖維試塊裂縫降低系數 η=99 無開裂，每 m3混凝土摻 1.4 kg FC 纖維試塊裂縫降低系數η=100無開裂。

4 摻 FC 纖維材料 C40 混凝土橋面整體化層施工

圖8 成型后的橋面整體化層C40 FC 纖維混凝土效果

室外工程試驗段：于 2019 年 9 月 8 日在丘屋大橋左幅第三聯整體化層澆筑；受業主委托，項目部在丘屋大橋左幅第三聯橋梁整體化層混凝土澆筑施工時采用了摻加 FC 纖維材料混凝土與橋面整體化層普通 C40 混凝土的對比試驗（摻加量分別為 1.0 kg/m3、1.2 kg/m3和1.41.0 kg/m3）。

施工流程為：泵送混凝土，三輥軸攤鋪，振搗，抹光機收面，土工布灑水養護。成型的橋面整體化層C40 FC 纖維混凝土效果如圖 8 所示。

5 摻 FC 纖維材料瀝青混凝土配比設計試驗

于 2020 年 4 月 12 日-2020 年 5 月 24 對瀝青下面層摻入 FC 纖維進行了比對試驗，并形成了以下成果。

1） 按照瀝青下面層試驗路總結會定下的級配曲線外摻入廠家建議的 FC 纖維和 FC 增強劑對比，各檔原材料比例和級配曲線圖如表 9 及圖 9 所示。

表9 各集料通過率

表10 馬歇爾試驗體積檢測指標

圖9 級配曲線圖

2）按 JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》操作方法分別對瀝青下面層最佳油石比 4.1 % 進行了瀝青混合料馬歇爾試驗、殘留穩定度、理論密度試驗、車轍試驗、滲水試驗、凍融劈裂試驗，如表 10～表 15 所示。

表11 FC 纖維摻入量 0 %

表12 FC 纖維每 m3 摻入量 3.6 %

表13 FC 纖維每 m3 摻入量 3.6 %（纖維+加 8 kg FC 增強劑）

表14 每 m3 加 8 kg FC 增強劑（無摻量 FC 纖維）

表15 FC 纖維每 m3 摻入量 4.6 %（加 8 kg FC 增強劑 +纖維）

結果表明：不同摻量的 FC 纖維（加入 FC 增強劑）的情況下對瀝青混凝土穩定度、水穩定性、車轍性能、凍融劈裂強度比明顯提高。

6 應用價值

6.1 成本分析

水泥混凝土成本分析：參照纖維混凝土國家行業標準，以 FC 纖維摻量 1.4 kg/m3×129.8 元=181.72 元為成本（含運費、稅費、工地技術指導、保險、投料、倉儲等費用），按照橋面 10 cm 厚的混凝土計算，每 m2為18.72元，（除因質量問題需要部分翻修等大宗費用外，僅橋面日常維護費（1 人員費、2 水費、3 車輛費、4 清洗設備等費用）就需約 15 元/m2×年；單從工程投資的直接成本看，確實有所上升；但從延長道面工程使用壽命和實現工程全壽命免維護方面計算，應用 FC 材料有顯著的經濟效益。

瀝青混凝土成本分析：瀝青混凝土每 m3摻加FC 材料 4.6 kg×129.8 元=597.08 元按照公路 5 cm 厚的瀝青混凝土計算每 m2為 29.86 元。單從工程投資的直接成本看，確實有所上升；但從延長路面工程使用壽命和實現工程全壽命免維護方面計算，應用 FC 材料的投資，僅占工程總投資額的 0.25 % 都不到（如果按單一的水泥混凝土和瀝青混凝土造價計算約 20 % 左右），業主得到的回報率是工程總投資的 100 %，即相當于獲得再建一個同等規模工程的效果。有顯著的經濟效益和社會價值［5］。

6.2 全壽命期質量安全

水泥混凝土橋面、隧道工程的滲漏、凍融、掉邊掉角等質量通病，究其原因都是因為收縮裂縫造成的質量問題。應用 FC 材料能綜合提高混凝土抗裂性、耐久性、抗疲勞和抗沖擊等性能，實現橋梁等工程整體化層結構優化，全面提升橋面、隧道等工程結構質量、延長工程使用壽命，為國家節省維修成本與重建費用，最終實現提升工程結構的安全運行與整體質量。

在現有水泥混凝土道面施工技術的基礎上，通過摻加 FC 材料，在一定程度上提高工程的質量安全冗余，應該是簡單易行的技術工藝。因此，在大面積、大體積混凝土工程中，應用 FC 材料技術，減免維護費用，用小投入換長壽命，是可行且有益的技術創新。

6.3 研究意義

6.3.1 小結

1）對比普通 C40 混凝土與摻 FC 纖維材料 C40 混凝土試塊的物理力學性能：相比普通 C40 混凝土，摻 FC 纖維材料 C40 混凝土的抗壓強度提升了 2.7 %；抗折強度提升了 6.44 %。

2）對比普通 C40 混凝土與摻 FC 纖維材料 C40 混凝土裂縫數量。

①普通 C40 混凝土。加熱的同時用電風扇吹 8 h 后開裂，裂縫最大寬度為 0.4 mm，裂縫長度為 550、100、80、40、70 、50 、90、90 mm。

②摻 FC 纖維材料混凝土（每 m3摻 1.2 kg）。加熱的同時用電風扇吹 8 h 后開裂，裂縫最大寬度為 0.1mm，裂縫長度為 70 mm；裂縫降低系數 η=99 無開裂。

③摻 FC 纖維材料混凝土（每 m3摻 1.4 kg）：加熱的同時用電風扇吹 8 h 后未出現裂縫；裂縫降低系數η=100 無開裂。

3）隨著 FC 纖維材料摻量的增加，水泥混凝土和瀝青混凝土的抗裂性能提升顯著，當混凝土中摻入 FC 纖維材料 1.4 kg/m3時，施工后的混凝土縫數量得到有效控制。

4）路面和橋面整體化層摻 FC 纖維材料 C40 混凝土裂縫比普通 C40 混凝土整體化層裂縫大大減少；應用 FC 材料，能在一定程度上提高工程的質量安全冗余，緩解因事故、超載、災害和其他意外造成的破壞程度。

6.3.2 創新點

1）解決關鍵點維護難題。廣東省高速公路多處于山區和丘陵起伏地帶，橋梁眾多，混凝土面層質量尤為重要，若因質量問題頻繁維修，勢必造成通行效率減低甚至斷路。應用摻加 FC 纖維材料的混凝土技術進行橋面整體化層施工，大幅度提升橋梁工程質量，實現全壽命周期免維護，基本可以消除橋梁等關鍵點“卡脖子”維護問題，性價比很高。

2）改善公路全壽命期質量。由于公路施工是分工、分段、分時進行，普通混凝土會因材料、工藝、技術和維護等因素影響，在全壽命期質量上會形成較大的分段梯度變化，從而影響運營水平。應用摻加 FC 纖維材料的混凝土技術基本可以消除因維護、氣象和運輸強度造成的質量變化，使全壽命期質量整體變化趨于平滑，保持公路運輸的平穩運行。

3）便于現有工程升級改造。由于 FC 纖維材料特殊的結構形式和優越的長徑比，具有很強的粘結力和握裹力，因此可通過維護施工對原面層進行簡單的糙化處理，然后用摻加 FC 纖維材料混凝土覆蓋施工，從而實現面層質量等級的跨越，減低了改造工程成本。

7 結語

本文通過試驗對比和工程實踐，驗證了摻 FC 纖維材料的 C40 水泥混凝土和瀝青混凝土在橋面整體化層施工中的質量優勢，對提高公路建設質量和提升交通運營水平提供了很好的技術支撐。通過進一步優化 FC 纖維材料產品系列和性價比，將具備良好的應用前景，為我國公路高質量、高標準、高耐久、全壽命免維護及國家綠色高速公路建設的發展開創先河、總結經驗、向全國推廣應用、為國家節省重復投資、為國家達到世界級高水平領先發展作出貢獻。