纤维混凝土的力学性能及其在路面工程中的应用研究

李昕　王颖

摘 要：纤维混凝土是纤维和混凝土的结合体，是一种被广泛应用在工程上的新型材料，具有耐疲劳、抗弯、抗裂等优势，文章通过介绍不同纤维类型的特性，研究纤维混凝土的组成成分及力学性能，重点分析纤维混凝土在路面工程上的应用。

关键词：纤维混凝土；力学性能；路面工程；木质素纤维

1 纤维类型及其特性

纤维混凝土中使用的纤维可以分为有机纤维和无机纤维两种，有机纤维包括聚丙烯纤维、尼龙纤维、聚酯人造纤维，较多采用的是聚丙烯纤维和木质素纤维。无机纤维较多采用的是钢纤维，包括住密克丝胶合钢纤维、铣削钢纤维、熔抽钢纤维、剪切钢纤维等。

聚丙烯纤维又名杜拉纤维，是塑料纤维的一种，呈半透明网状，颜色为白色，结构为束状单丝结构，将其放进混凝土进行搅拌会呈单丝状分散开。聚丙烯纤维无吸水性，纤维长度范围为12～15mm，燃点590℃，熔点为160～70℃，比重为0.91，热传导能力较低，张力强度为560～770MPa，酸碱阻抗性较高，杨氏弹性模量为350MPa。

木质素纤维是植物类纤维，由木材经过一定化学处理后得到。纤维结构是多孔、凹凸不平、带状弯曲的，有较强的吸水能力，且具有良好的分散性、韧性等优势。木质素纤维呈棉絮状，颜色为灰色或浅绿色。对其加工处理时温度控制在260℃以上，通常情况下木质素纤维不易被酸碱溶剂所腐蚀，温度和化学稳定性较好，亦不会影响到环境和人体健康。

钢纤维是采用不同方式对低碳钢加工而得到的，如铣削钢纤维是铣削特定钢锭而成，该纤维等效直径0.8mm，长32mm，呈月牙状。在混凝土中容易搅拌，不起团，且经一定处理后不易生锈。住密克丝胶合钢纤维使采用高速回转方式将钢水甩出，快速冷却得出。纤维断面呈现月牙形，横截面长度范围为20～60mm，可增强混凝土握裹力。钢纤维具有较高的强度，可提高利用效率。

2 纤维混凝土的组成材料

纤维混凝土的构成材料有纤维、碎石、水、水泥、砂以及其他外加剂。混凝土中对于碎石强度和耐磨性有一定要求，压碎值（mm）16～20；石料技术等级≥3；含泥量（冲洗法）≤1%；片、针状颗粒含量≤15%；磨耗率≤4%；硫化物及硫酸盐含量≤1%.材料中使用的是饮用水或者无污染天然水。若采用非饮用水，含盐量要小于5mg/cm3，硫酸盐含量不能超过2.7mg/cm3，pH值必须大于4。

水泥混凝土路面要求混凝土有一定的强度，可抗渗和耐磨，路面强度要求高于30#。因此选择水泥标号不能低于525#。钢纤维混凝土路面的渗透性要求较高，水泥采用硅酸盐水泥，用量大于300kg/m3。

纤维混凝土中多使用河砂，选择粗砂或者中砂，细度模数控制在2.3～3.2范围内，技术要求为.轻物质含量≤1%；含泥量≤3%；云母含量≤2%；硫化物及硫酸盐含量≤1%。

3 纤维混凝土力学性能及路面应用

3.1 钢纤维混凝土

3.1.1 力学性能

抗裂性：若耐力情况控制不变，钢纤维混凝土具有较强的变形能力，在出现裂缝时变形能力使素混凝土的两倍，出现裂缝后，钢纤维在裂缝之间的连接还能够抑制变形扩展。钢纤维混凝土中掺入的钢纤维扩大，可显著增大其韧性，韧性能力为素混凝土的30倍之多。

抗剪强度：混凝土中掺进的钢纤维越多，其抗剪强度越大，若掺进0.5%的钢纤维，去抗剪强度是素混凝土的1.5倍。此外，混凝土的抗弯强度也会因钢纤维的长细比发生变化。

抗冲击强度：钢纤维混凝土有较强的吸能能力，所以抗冲击强度较高，是素混凝土的5～10倍。

弹性模量：钢纤维混凝土中掺进2%至3%的钢纤维时，弹性模量无明显改变，与素混凝土几乎一致，但掺进钢纤维量越大，弹性模量会越大。

3.1.2 路面应用

钢纤维混凝土在我国路面工程上主要运用于桥面、高级路面以及机场跑道，包括修补工程和新建工程。钢纤维混凝土所具有的较高的韧性和力学性能，可以承受激烈的冲击力和反复荷载，初次产生裂缝较小，在不承受荷载的情况下可以恢复，且可将其制作成井盖，成本较低又可达到要求，且不用担心被盗，有助于提高经济效益和社会效益。

3.2 木质素纤维

3.2.1 力学性能

韧性及分散性：木质素纤维结构是凹凸不平、多孔的，有较好的分散性、抗裂性及韧性。

抗裂性：木质素有较强的吸水能力，抗裂性能较好。

3.2.2 路面应用

木质素在路面工程中是不可或缺的稳定剂，它可以与其他物质混合使用，运用在混凝土中可有效增加混凝土强度和表面附着力，在路面建筑中起到防护、填充作用。通常木与其他纤维共同掺入混凝土中，增加其稳定性，多用于荷载较重的交通路端，城市中的汽车站、港口码头以及道路交叉口等路面。

3.3 聚丙烯纤维混凝土

3.3.1 力学性能

抗折性：聚丙烯纤维不起团不生锈，其中含有较多的单丝，可以抑制混凝土塑性收缩，运用到路面工程中，可有效降低路面断板和开裂的发生率。聚丙烯纤维具有良好抗折性能，有助于增高路面使用时间，其抗折强度受聚丙烯纤维含量控制，会随着纤维含量持续增加呈现先升高后降低的规律，因此，纤维控制量有限制。

抗压性：聚丙烯纤维网可使混凝土结构发生改变，从而使混凝土初次裂缝有所较少，增高混凝土的抗压性。

耐久性和渗透能力：混凝土中掺入适量的短切聚丙烯能够提高致密性，进而增强混凝土耐久性和抗渗透能力。

3.3.2 路面应用

如平顶山市的平东线中姚孟一段路面，路宽12m，日常交通量大，荷载重，时常出现路面损坏现象，相关管理局决定采用聚丙烯纤维混凝土重新这段路路面，使用聚丙烯纤维建筑的路面载荷量高，不易出现裂缝，一年的使用时间无错台和断板现象。从投入成本来算，相比普通混凝土来说，聚丙烯纤维混凝土造价虽增加，但其使用寿命较长，路面质量高，相对应的减少养护工作。和钢纤维混凝土建筑相比，没公里路面路面造价节约成本25万至30万，综合来看，在路面工程中使用聚丙烯纤维混凝土性价比较高，尤其对于人数较多，对交通要求较高的地区，在路面建筑的选材方面，可多考虑使用聚丙烯纤维混凝土。

参考文献

[1] 付传清，彭兆雄，屠一军等.掺废旧橡胶颗粒纤维混凝土在路面工程中应用的可行性分析[J].混凝土，2015（05）：149-153.

[2] 王乾坤.钢纤维混凝土路面的力学性能研究[J].中国水运（下半月），2015（06）：232-233.

[3] 王艳，赵凯月，宋战平等.钢-聚丙烯混杂纤维混凝土研究进展[J].硅酸盐通报，2015（07）：1885-1890.

[4] 梅利峰.纤维和膨胀剂的混凝土路面开裂及力学性能研究[J].工程建设与设计，2016（01）：137-140.

基金项目：文章为不同掺量的木质素纤维混凝土的基本力学性质实验研究课题研究成果，项目编号：2014QJ02。