鋼纖維碾壓混凝土管理論文

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摘要：碾壓鋼纖維混凝土FRCCTM(FiberreinforcedRollerCompactedConcrete)是碾壓混凝土(RCC)的一項(xiàng)創(chuàng)新制作方法，其中摻入高性能的鋼纖維，以減少混凝土的裂紋並構(gòu)成抗彎曲的骨架。該方法能用以制作無接縫連續(xù)路面。對(duì)采用該方法實(shí)施的路面檢測(cè)結(jié)果是：裂紋開口小于1mm和裂紋兩邊的荷載傳遞達(dá)到100%。FRCCTM采用低含水率（110kg/m3）和低水泥用量，即280kg/m3(相當(dāng)于重量比12%)，這能使鋼纖維發(fā)揮最佳效果。該混凝土密度高并具有高的碾壓能量：它的強(qiáng)度相當(dāng)于常規(guī)的每立方米350公斤水泥用量的澆注式混凝土。FRCCTM用強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌和、瀝青混凝土攤鋪機(jī)攤鋪、鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)和輪胎壓路機(jī)壓實(shí)。FRCCTM的厚度一般為8至20cm，常用厚度為10至18cm。

關(guān)鍵詞：路面水泥混凝土碾壓纖維鋼

1FRCCTM概述

經(jīng)專利保護(hù)的FRCCTM方法(FiberreinforcedRollerCompactedConcrete)采用高強(qiáng)度碾壓混凝土和摻入高性能的錨固鋼纖維，能達(dá)到鋼筋混凝土的功能。其結(jié)果是：

實(shí)現(xiàn)無接縫連續(xù)路面；

裂紋開口類似于連續(xù)鋼筋混凝土(CRC)的開口，即小于1mm；

裂紋邊緣之間的負(fù)載傳遞達(dá)100%，從而消除了板塊間的振動(dòng)聲；

與無鋼筋混凝土方案比較，可減小路面結(jié)構(gòu)的厚度。

根據(jù)不同用途和具體要求，F(xiàn)RCCTM層上面可覆蓋以下的結(jié)構(gòu)層：

作為路面：瀝青混凝土磨耗層，由薄的、很薄的或透水性瀝青碎石層；

作為承受重壓的工業(yè)地坪或飛機(jī)、卡車停留坪：用微型混凝土以組成耐碳?xì)浠衔镒鞅砻嫣幚淼哪ズ膶印?/p>

1.1用于FRCCTM方法的碾壓混凝土特性

碾壓混凝土的配方按照法國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)NFP98128，它所達(dá)到的機(jī)械強(qiáng)度能使該材料歸納到該標(biāo)準(zhǔn)G5級(jí)的最高的技術(shù)要求。采用的碎石集料的顆粒度為0~14mm，以限制其離析。水泥的配量一般每立方米混凝土為280kg。混凝土制作時(shí)摻入延遲塑化劑。含水率按改良Proctor試驗(yàn)結(jié)果而定。

采用280kg水泥配方，F(xiàn)RCCTM混凝土的28天強(qiáng)度為：抗壓強(qiáng)度大于35MPa，劈裂抗拉強(qiáng)度大于3.8MPa，亦即其機(jī)械性能至少相當(dāng)于常規(guī)的每立方米配330kg至350kg水泥的澆注式混凝土。

在裂紋方面，碾壓混凝土由于含水率和水泥用量不大，其收縮率很小。再加上鋼纖維的存在而使得混凝土內(nèi)裂紋減少。

1.2用于FRCCTM方法的鋼纖維

FRCCTM方法采用的鋼纖維是從大面積無接縫或極小接縫工業(yè)地坪開發(fā)中優(yōu)選出的：這就是BekaertDramix80/60型粘結(jié)鋼纖維，是帶高傾斜率彎鉤的冷拉鋼絲，能使混凝土具有高的延展性。鋼纖維的粘結(jié)成排是用一種能溶于水的粘結(jié)劑，這能防止使鋼纖維形成團(tuán)狀，同時(shí)又能在適當(dāng)時(shí)釋放鋼纖維，亦即在拌和中心內(nèi)拌和混凝土?xí)r達(dá)到分散狀態(tài)。

鋼纖維的最常用配量為每立方米混凝土30kg；在特殊情況下可用到35~40kg，例如在環(huán)形交叉口和環(huán)形路段與正常路段的連接處，在此，像平常路段的路面一樣，應(yīng)為無接縫。

80/60鋼纖維是直徑為0.75mm長(zhǎng)為60mm的鋼絲（80表示長(zhǎng)徑比）。應(yīng)指出每單位重量的相同長(zhǎng)度的鋼纖維數(shù)量與直徑的平方成正比。相同重量的鋼纖維，直徑為0.75mm的鋼纖維數(shù)量為1mm鋼纖維的兩倍：因此，在1立方米混凝土內(nèi)30kg的80/60可組成一個(gè)8000米直線長(zhǎng)鋼纖維的網(wǎng)絡(luò)。該鋼絲的彈性極限為1050N/mm2,可與直徑為1mm彈性極限900N/mm2鋼絲相比。這兩因素說明80/60鋼纖維的性能高于60/100鋼纖維。

對(duì)不同的鋼纖維以相同的配量研究結(jié)果如圖1蘭色曲線所示：80/60的延展性有很長(zhǎng)一段平臺(tái)，在3mm以下的裂紋開口狀態(tài)下，混凝土+鋼纖維組合料的抗彎強(qiáng)度相當(dāng)于裂紋產(chǎn)生前的抗彎強(qiáng)度。該組合料的性能是優(yōu)越的，對(duì)在使用中的路面而言，即使有小于1mm的裂紋，它還有足夠的安全儲(chǔ)備。

圖中注解：Bendingstrength(kN)抗彎強(qiáng)度（kN）Crackwidth(mm)裂縫寬度（mm）

“Total”anchoragefiber"“全錨固式”鋼纖維

圖1采用不同鋼纖維的混凝土性能比較-混凝土開裂后鋼纖維的抗彎強(qiáng)度

1.3FRCCTM的制作和施工

FRCCTM的制作取決于現(xiàn)有設(shè)備。在中國(guó)，新建的高等級(jí)公路水泥混凝土路面施工工地一般規(guī)模都比較大，并且維持幾個(gè)月，這就允許搬遷大容量的混凝土拌和中心。摻入的鋼纖維數(shù)量對(duì)應(yīng)于攪拌機(jī)的容量（例如2.5m3），並以陸續(xù)投料進(jìn)行。鋼纖維的摻入或用每包20kg人工進(jìn)行，或用自動(dòng)配料器（如圖2）進(jìn)行，該配料器把需用數(shù)量（以上例子中為75kg）的鋼纖維投到集料輸送帶上，或直接投入攪拌機(jī)內(nèi)。

在歐洲特別是在法國(guó)，公路建造企業(yè)配有連續(xù)拌和中心，最大的達(dá)300m3/小時(shí)。與間歇式拌和中心比較，連續(xù)拌和中心的優(yōu)點(diǎn)是在相同體積下生產(chǎn)量較大，流動(dòng)性更好。它的攪拌機(jī)是連續(xù)喂料，而不是分批投料，它采用一套集料和水泥精密重量配料系統(tǒng)。FRCCTM也可在100m3/小時(shí)稱為“超級(jí)流動(dòng)”拌和中心內(nèi)制作，這類拌和中心只需兩輛牽引卡車從一工地拖到另一工地。連續(xù)喂料時(shí)，鋼纖維用一臺(tái)新型重量配料器摻入。該配料器能保證在生產(chǎn)過程中以±5%精度投配鋼纖維。

圖2連續(xù)作業(yè)拌和廠中添加BekaertDramix80/60鋼纖維的配料器

FRCCTM是用常規(guī)的翻斗卡車運(yùn)輸，而不用攪拌運(yùn)輸車。FRCCTM路面的施工按照法國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)NFP98-115進(jìn)行。該材料采用帶振動(dòng)臺(tái)的瀝青混凝土攤鋪機(jī)攤鋪，最好用高振動(dòng)力的HPC平臺(tái)，這樣能達(dá)到高質(zhì)量的平整度。碾壓設(shè)備包括一臺(tái)高頻振動(dòng)壓路機(jī)和一臺(tái)輪胎式碾壓機(jī)，每輪胎加載3至5噸。FRCCTM厚度一般為8至20cm，這就能使路面碾壓后在層底達(dá)到良好的密度。FRCCTM混凝土的養(yǎng)生采用瀝青乳液（除非想用常規(guī)養(yǎng)生混合物的混凝土表面）。

1.4鋪在FRCCTM上的磨耗層

鋪在FRCCTM上的磨耗層一般由以下碎石料組成：

或者用一層厚4cm摻35/50瀝青的薄碎石料，特別用于須承受剪切應(yīng)力的環(huán)形交叉口或交通信號(hào)燈控制區(qū)；

或者用一層厚2.5cm的很薄碎石料。

LROP試驗(yàn)室在現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)和在試驗(yàn)室的試驗(yàn)結(jié)果證明FRCCTM和瀝青磨耗層之間的粘結(jié)達(dá)到兩瀝青層之間的相同粘結(jié)強(qiáng)度。

2FRCCTM方法：一項(xiàng)降低成本的創(chuàng)新

2.1FRCCTM路面結(jié)構(gòu)的尺寸確定

十多年來，大尺寸無接縫工業(yè)地坪應(yīng)用了鋼纖維混凝土，為此而進(jìn)行的大尺寸確定的研究和實(shí)驗(yàn)?zāi)茉u(píng)價(jià)鋼纖維對(duì)混凝土所起到的抗彎作用。其方法是建立在混凝土板塊彎曲破裂后在混凝土+鋼纖維混合料內(nèi)鋼纖維所消耗的能量。按能量方法與無鋼筋混凝土比較，Dramix80/60鋼纖維以每立方米混凝土30kg的配量，應(yīng)屬于4級(jí)鋼纖維混凝土，它能使允許應(yīng)力加大1.4倍。然而為了對(duì)FRCCTM的尺寸確定保留足夠的安全富裕度，只按1.26倍加大，這相當(dāng)于3級(jí)鋼纖維混凝土。

FRCCTM結(jié)構(gòu)能組成一種抗彎構(gòu)架，也是減少裂紋的手段。在這點(diǎn)上，作為參考，雖然按鋼材的相應(yīng)彈性極限的當(dāng)量計(jì)算是近似的，按鋼材的彈性極限為1050N/mm2和30kg/m3的鋼纖維配量計(jì)，F(xiàn)RCCTM可比得上鋼筋體積含量為0.67%的CRC，即彈性極限為500N/mm2的52kg/m3的連續(xù)配筋混凝土。

像所有創(chuàng)新技術(shù)一樣，F(xiàn)RCCTM尺寸計(jì)算的參數(shù)首先是建立在試驗(yàn)室的試驗(yàn)結(jié)果和在現(xiàn)場(chǎng)施工后的檢測(cè)結(jié)果上。隨著時(shí)間推移，對(duì)初始數(shù)據(jù)按需要可能作一些調(diào)整。目前，在繁忙和重載交通量下使用六年多后，對(duì)使用中的FRCCTM現(xiàn)場(chǎng)得出令人滿意的評(píng)價(jià)，使人們初步肯定所采用的尺寸計(jì)算參數(shù)的正確性。

2.2在歐洲對(duì)FRCCTM技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

圖3的曲線示出各種材料的相應(yīng)疲勞曲線斜度，亦即瀝青混凝土為1/5，水泥混凝土為1/16。從圖中還可以看出，高模量瀝青混凝土EME2和FRCCTM的相應(yīng)厚度在每天單向200輛重載卡車的交通量處是相等的，以及當(dāng)交通量再增加時(shí)FRCCTM的厚度增加慢于瀝青混凝土。

圖4給出在不同交通量下用不同路面的每平方米成本比較,有關(guān)材料按稅后平均單位售價(jià)計(jì)。作為結(jié)論，在低交通量下FRCCTM路面沒有競(jìng)爭(zhēng)力，但對(duì)交通量每天每向500輛以上重載卡車的情況，F(xiàn)RCCTM路面比性能最好的改性瀝青路面能節(jié)省8%至10%的造價(jià)。交通量越增大，節(jié)省越多。

同樣，從可持續(xù)發(fā)展角度來看，就每天承受500輛重載卡車的交通量的路面而言，F(xiàn)RCCTM方案能比EME2節(jié)省昂貴的碎石料15%，比良好級(jí)配瀝青+碎石料節(jié)省35%。

在中歐和東歐，前蘇聯(lián)陣營(yíng)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)軸載曾為8.5噸。過渡到歐洲的11.5噸的軸載后，在所有這些國(guó)家內(nèi)即普遍引起路面破壞，到處造成約10cm深的車轍和國(guó)道網(wǎng)路面結(jié)構(gòu)過渡疲勞。特別是在波蘭和羅馬尼亞，除了一些可能向國(guó)際銀行貸款或?qū)I(yíng)轉(zhuǎn)讓的新高速公路規(guī)劃項(xiàng)目外，F(xiàn)RCCTM技術(shù)的潛在市場(chǎng)是在國(guó)道網(wǎng)更新中的應(yīng)用。

在波蘭，經(jīng)受車轍的國(guó)道的常用加強(qiáng)技術(shù)是：在刨平擠出的材料后，鋪上15cm的良好級(jí)配瀝青混合料+5cm瀝青混凝土作為磨耗層。圖5示出，按同等結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，10cm的FRCCTM+4cm摻35/50瀝青薄碎石料層方案是徹底解決車轍問題的辦法，同時(shí)，此加強(qiáng)路面每平米可節(jié)省費(fèi)用10至12%。

縱座標(biāo)：厚度（cm）;橫座標(biāo)：重載卡車（3.5噸）單向日交通量（輛）

圖3路基承載能力為E=120MPa的路面厚度比較

縱座標(biāo)：成本，美元;橫座標(biāo)：重載卡車（3.5噸）單向日交通量，輛

圖4歐洲按不同交通量各種路面的每平米成本比較

左圖:瀝青方案右圖:FRCCTM方案

圖5波蘭國(guó)道用FRCCTM強(qiáng)化方案比較

2.3在中國(guó)對(duì)FRCCTM技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

在CTI與山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院之間的技術(shù)轉(zhuǎn)讓框架內(nèi)，2003年秋在中國(guó)山西省計(jì)劃建立一個(gè)FRCCTM試驗(yàn)工程。這是一條2x2車道120000m2的即12km長(zhǎng)新建路面的國(guó)道一級(jí)公路。該路面處在運(yùn)輸煤炭的礦區(qū)，將承受每天每向2500輛超載重載卡車的交通量，軸載經(jīng)常達(dá)19噸。其他的FRCCTM項(xiàng)目正在與上海市城建部門商談中。

相對(duì)于西歐所作的關(guān)于各種不同材料的對(duì)比分析結(jié)果，盡管由于中國(guó)的物價(jià)水平普遍比西歐低20%到30%，經(jīng)濟(jì)性的估價(jià)仍然是有利于FRCCTM。我們可觀察到對(duì)每天單向500輛重載卡車的交通量，F(xiàn)RCCTM仍有經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，交通量越增加時(shí)這優(yōu)勢(shì)越會(huì)增大。

更準(zhǔn)確來看，圖7示出結(jié)構(gòu)上相當(dāng)?shù)膬煞N高速公路路面的比較。該例子是湖北省一項(xiàng)常用的路面結(jié)構(gòu)，它符合交通部頒布的國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，亦即一項(xiàng)較厚的半剛性路面，其瀝青材料厚18cm。FRCCTM方案（在湖北省其單價(jià)為75US$/m3，在上海約為80US$/m3）可節(jié)省8至10%，而瀝青與碎石料消耗可節(jié)省30%。

縱座標(biāo)：成本（美元）;橫座標(biāo)：重載卡車（3.5噸）單向日交通量（輛）

圖6FRCCTM相對(duì)于瀝青混凝土和CRC的經(jīng)濟(jì)性比較

左圖:瀝青方案右圖:FRCCTM方案

圖7中國(guó)湖北省新高速公路FRCCTM路面方案

可注意到中國(guó)水泥是質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，為了減少進(jìn)口瀝青而選用半剛性結(jié)構(gòu)。根據(jù)中國(guó)交通部的指令，為了再利用熱電站發(fā)電的副產(chǎn)品，底基層的水泥經(jīng)常用粉煤灰來替代，特別是在山西省。還可注意到FRCCTM用的Dramix80/60鋼纖維是由Bekaert公司在上海的分公司生產(chǎn)的。

作為對(duì)中國(guó)情況的結(jié)論，必須強(qiáng)調(diào)，從國(guó)家角度來看，為了采用國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品並減少瀝青進(jìn)口，不惜放寬對(duì)裂紋的考慮，特別是采用粉煤灰方面。在這背景下，可以看到FRCCTM技術(shù)能給出一個(gè)對(duì)應(yīng)的答案，這答案一方面能滿足了交通部規(guī)定的經(jīng)濟(jì)要求，另一方面又能滿足減少裂紋從而改善路面質(zhì)量的技術(shù)要求。因此FRCCTM方法在中國(guó)的發(fā)展前景是巨大的，當(dāng)然條件是在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施中以事實(shí)來確認(rèn)所期望的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，并且每一開發(fā)階段即使是最小的也必須取得成功。

3建立在成功經(jīng)驗(yàn)上的技術(shù)要求

相對(duì)于瀝青技術(shù)而言，F(xiàn)RCCTM方法具有常規(guī)的澆注式混凝土技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：

它能消除路面車轍問題，

只要建造時(shí)尺寸確定正確，它能保證很長(zhǎng)的路面使用壽命，從而減少護(hù)養(yǎng)費(fèi)用，僅僅需要定期更新瀝青磨耗層。

水泥混凝土本質(zhì)上承受結(jié)合料凝結(jié)時(shí)的收縮，因而具有干縮和溫縮應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋的缺點(diǎn)。FRCCTM所用的混凝土在這點(diǎn)上也不例外，盡管由于采用較低的水泥和水的配量以減少收縮率，并達(dá)到高的機(jī)械性能。摻入鋼纖維也正是為減少FRCCTM的裂紋：因此應(yīng)確定這種裂紋的可接受的極限。

LROP工作組在現(xiàn)場(chǎng)所取得的樣芯和檢測(cè)證明了FRCCTM的裂紋開口在整個(gè)板塊厚度上為0.8至1mm，裂紋兩邊緣之間的荷載傳遞為100%。FRCCTM的小梁試件同樣證明存在開口為0.2至0.3mm的許多微型裂紋，這些微型裂紋在瀝青磨耗層表面上是肉眼看不見甚至是不會(huì)出現(xiàn)的。采用每立方米FRCCTM摻入30kg的鋼纖維時(shí)，相應(yīng)的裂紋間距約為30至60m。

必須強(qiáng)調(diào)：

CRC路面與FRCCTM路面在裂紋上存在的差距，后者是無損害的；

用水性結(jié)合料處理的集料，它的裂縫只有幾毫米，特別是在中國(guó)采用了粉煤灰膠結(jié)料，其經(jīng)濟(jì)優(yōu)點(diǎn)是不能否定的，但裂縫開口邊緣之間的負(fù)載傳遞質(zhì)量就受到一些影響。

有人提出FRCCTM的裂紋內(nèi)鋼纖維的腐蝕問題。茲提醒這點(diǎn)，二十多年來，對(duì)使用中的CRC所作的觀察證明了對(duì)開口小于1mm的裂紋：

在裂縫處鋼纖維幾乎未被腐蝕，甚至路面沒有覆蓋瀝青磨耗層，也如此；

裂縫開口邊緣之間的負(fù)載是由碎石料傳遞，而不是由鋼纖維傳遞。

根據(jù)以上觀察結(jié)果，盡管下述操作不一定是必須的，F(xiàn)RCCTM的裂紋可在10cm寬度上攤鋪瀝青乳化液使之密封。（該操作類似于返修瀝青碎石料后密封一接縫的操作）。車輛用戶幾乎察覺不了這點(diǎn)。然而如要保持其密封性，每2至3年須重復(fù)一次這操作，這意味著必須進(jìn)行一次費(fèi)用不高的養(yǎng)護(hù)並在操作期間局部封閉道路。

曾經(jīng)實(shí)施300m長(zhǎng)的FRCCTM試驗(yàn)路段，該路段采用每立方米混凝土摻入40kg的鋼纖維配量。經(jīng)過三個(gè)冬季后，該路段出現(xiàn)不到1m長(zhǎng)的裂紋開端，並且有不透過瀝青磨耗層的微型裂紋時(shí)使用很好。目前對(duì)該評(píng)價(jià)作出定論還過早，還必須進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。然而根據(jù)這些成績(jī)，作為技術(shù)要求可以提出一些方向性意見，在應(yīng)用FRCCTM技術(shù)時(shí)可提出兩檔使用等級(jí)：

（1）“標(biāo)準(zhǔn)”用途級(jí)，相應(yīng)于30kg的鋼纖維配量，會(huì)出一些現(xiàn)開口小于1mm的裂紋，其負(fù)載傳遞良好（亦即可與CRC裂紋相比，但裂紋間距為30至60m，而不是CRC的3m至5m）。有如上述第2部分所示，F(xiàn)RCCTM產(chǎn)品對(duì)重交通量路面是很有競(jìng)爭(zhēng)力，并能滿足業(yè)主尋找創(chuàng)新技術(shù)以降低成本的要求。

（2）“高檔”用途級(jí)，相應(yīng)于40kg的鋼纖維配量，達(dá)到連續(xù)的、抗車轍的和幾乎無裂紋的路面要求，是為了滿足要求十分高并且對(duì)路面形象特別挑剔的業(yè)主需求。代價(jià)是外加10kg鋼纖維配量，使每平米路面造價(jià)增加6至8%。這會(huì)顯著的降低FRCCTM技術(shù)相對(duì)于瀝青方案的競(jìng)爭(zhēng)力。

參考資料

FICHEROULLE,B.(2001)FiberreinforcedRollerCompactedConcrete,foracontinuouscementconcreteroad.在巴黎IRF會(huì)議上發(fā)言和CD-Rom演示。