（吉林建筑大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春 130118）

0 引言

當(dāng)代廣泛使用的水泥混凝土路面，在降低維護(hù)成同時(shí)保證了路面穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。國家交通實(shí)業(yè)飛速發(fā)展，隨之而來的是，車輛的負(fù)荷越來越大，載重、附重型需求日益提升，導(dǎo)致水泥混凝土路面的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到現(xiàn)階段國內(nèi)的普遍需求。水泥混凝土路面斷裂、損壞和表面脫落現(xiàn)象十分常見，路面維護(hù)壓力極重。大量研究表明，纖維的摻入可以改善混凝土中的薄弱項(xiàng)，降低其脆性，在混凝土基材中摻加各類纖維是提高混凝土韌性的最有效途徑[1]。因此，當(dāng)代混凝土不僅滿足高抗壓強(qiáng)度、高抗拉強(qiáng)度等需求，在施工的過程中，可塑性也極強(qiáng)，完工后，較比水泥混凝土強(qiáng)度更高、韌性更大、防滲效果更佳。故在混凝土性能更迭的過程中，成為了不可或缺的一階段。

1 活性粉末混凝土的研究

國內(nèi)外的學(xué)者對(duì)活性粉末混凝土材料有不同的定義與擴(kuò)展，而且國外學(xué)者更加關(guān)注其物理力性能，想要抗壓強(qiáng)度達(dá)到150MPa，然而國內(nèi)學(xué)者除了對(duì)物理力學(xué)性能指標(biāo)有一定要求外，對(duì)制備工藝方法也有所限定，使制備技術(shù)方便簡單[2]。法國布伊格公司積極研究高性能混凝土，1993年研制出新型混凝土材料（ReactivePowder Concrete，縮寫RPC），其優(yōu)越的承載能力、靈活性以及極好的耐受型在新型混凝土材料中獨(dú)樹一幟，投入使用后其體積穩(wěn)定性更得到了肯定。為了推進(jìn)高性能水泥基材料特性的研究，1993年同年，活性粉末混凝土成功開發(fā)，繼高強(qiáng)度高性能混凝土之后，這種體積穩(wěn)定性相媲美但性能上更高強(qiáng)、韌性卓越、耐受強(qiáng)的新型混凝土研制成功，將新型混凝土的研究帶入了一個(gè)新的階段。

以多孔非均質(zhì)材料著稱的RPC，微觀結(jié)構(gòu)是控制材料強(qiáng)度硬度的直接原因，孔的結(jié)構(gòu)直接決定材料密度、硬度、耐受等性能，究其原因則是高堆積密度（混合固體顆粒體系）對(duì)材料的影響。

因此RPC制備的基本原理和最重要的方法：一、降低孔隙率；二、優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)；三、提高孔隙密度；四、添加纖維材料。

活性粉末混凝土在過去十幾年廣泛應(yīng)用，RPC替代常見混凝土實(shí)用于多項(xiàng)工程，降低彎曲部件的橫截面高度，進(jìn)一步增加工程中部件的剛度和使用壽命。大大改善了工程材料的性能，而且為工程結(jié)構(gòu)的進(jìn)步奠定了基礎(chǔ)。在市政建設(shè)中還充分利用RPC的高強(qiáng)性、高密實(shí)性、高抗折性、以及高耐磨性等優(yōu)良特性廣泛應(yīng)用于道路等工程，大大減少了道路修補(bǔ)及更換的頻率，延長了路面的使用壽命，取得了良好的效果。

2 鋼纖維混凝土的研究

二十世紀(jì)初期，鋼纖維混凝土（Steel fiber concrete，簡稱SFRC）初露鋒芒，均勻的在混凝土中不斷加入鋼纖維，在控制纖維量到均衡水平后得到的增強(qiáng)型材料，是當(dāng)時(shí)混凝土研發(fā)的新思路，除了其優(yōu)良的抗壓能力、卓越的耐疲勞性外，研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，常規(guī)材料由于溫度壓力的作用，會(huì)產(chǎn)生裂縫；甚至隨著持續(xù)壓力，造成裂縫持續(xù)擴(kuò)展，鋼纖維的摻入能很好的抑制這種現(xiàn)象。因此，將其應(yīng)用到道路橋梁工程之中能夠提高道路橋梁的抗拉能力和抗彎能力。

鋼纖維作為發(fā)展和應(yīng)用比較早的纖維材料，如圖1。在混凝土中添加鋼纖維是提升混凝土性能的重要手段之一：大多數(shù)研究人員通過力學(xué)試驗(yàn)對(duì)RPC的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度進(jìn)行研究，且多集中于結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本力學(xué)性能和設(shè)計(jì)計(jì)算理論等方面。目前鋼纖維的最佳摻量研究結(jié)論存在些許不同。

圖1 鋼纖維

20 年來，我國在鋼纖維混凝土的發(fā)展中，控制彎拉強(qiáng)度，研究的鋼纖維水泥混凝土路面的進(jìn)程從未止步。近年來，在高速公路建設(shè)中已經(jīng)開始較大規(guī)模的采用鋼纖維水泥混凝土路面，如圖2。

圖2 路面結(jié)構(gòu)對(duì)比

Park等人[3]研究將不同長度的鋼纖維混摻，探索符合材料抗拉力學(xué)能限度。結(jié)果顯示，當(dāng)短纖維體積含量在0%-1.5%之間，長纖維的體積含量保持在1.0%時(shí)，若以其材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線為衡量基準(zhǔn)，長纖維是決定基準(zhǔn)的重要因素，反之短纖維則更好的塑造了混雜體系多點(diǎn)開裂、應(yīng)變硬化的優(yōu)異性能，兩者各承其重。在實(shí)驗(yàn)中，不斷添加纖維量，在不同的階段混合物的延展性以及極限拉應(yīng)力漸強(qiáng)，但材料裂紋數(shù)目也更多，表面塑性斷裂情況也越來越嚴(yán)重。

在路面材料的探索中，未解決纖維混合問題的學(xué)者數(shù)不勝數(shù)，朱海棠等在纖維水泥混凝土斷裂性能實(shí)驗(yàn)中，控制鋼纖維體積率為1.5%，發(fā)現(xiàn)與聚丙烯纖維的混合效應(yīng)提高不少，斷裂性能低的水泥混凝土得到很大改善。

夏冬桃等[4]對(duì)不同尺寸和不同類型的聚丙烯纖維、鋼纖維混摻的纖維混凝土進(jìn)行了軸心受拉試驗(yàn)，得出了混摻纖維應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

為提高混凝土的可塑性與耐受性，周曉潔[5]等在混凝土中加入了鋼纖維、聚丙纖維以及玄武巖纖維等纖維，發(fā)現(xiàn)混凝土的彎曲韌性、耐受性等性能均有顯著提升，由此可見鋼纖維的變量控制是改善混凝土彎曲性能的重要切入點(diǎn)。

杰德爾別克[6]等在探究纖維混凝土的實(shí)驗(yàn)中加入1%體積的鋼纖維可以提高劈裂抗拉強(qiáng)度53.9%。如果剛纖維加入體積超過2%，則其抗壓、劈拉強(qiáng)度甚至低于普通混凝土。

陳建海[7]采用26cm厚的層布鋼纖維混凝土面板結(jié)構(gòu)，分別距頂面和底面各3cm布鋼纖維，鋼纖維摻量為1.57kg/m2，進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，層布鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度較素混凝土有約10%的提高，并且在混凝土路面板下層布鋼纖維對(duì)混凝土的抗彎強(qiáng)度有超過20%的提高。

崔大戴[8]在對(duì)鋼纖維混凝土路面設(shè)計(jì)方法與路用性能的研究中，采用端鉤型鋼纖維，纖維長為25-40mm，長徑比為50-80，直徑為0.5mm，纖維摻量為0.4%-1.0%。鋼纖維的摻入使混凝土材料的抗折強(qiáng)度與普通混凝土相比分別提高幅度2%-52%。

鄭智軍[9]根據(jù)公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范（JTG F30-2003）中的規(guī)定，鋼纖維用量按占混凝土的體積百分率計(jì)，摻量為0.6%-1.2%，研究鋼纖維摻量與鋼纖維混凝土路面的抗折強(qiáng)度與的關(guān)系。傳統(tǒng)思路中：混凝土耐折強(qiáng)度隨著鋼纖維原材的含量添加遞增。而在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)實(shí)況并未如此，鋼纖維摻量為大于0.8%，并未性能凸顯反而不明顯，綜合試驗(yàn)結(jié)果，混凝土路面中0.8%鋼纖維摻量能達(dá)到最佳預(yù)期效果。

3 聚丙烯纖維的研究

20 世紀(jì)80年代初，聚丙烯纖維開始大量應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)跑道、高層建筑地下室等工程中[10]。

纖維的研究中國對(duì)其起步較晚。美國在20世紀(jì)90年代初，就生產(chǎn)了可用于混凝土的纖維，并通過商業(yè)渠道進(jìn)入中國。纖維類型如圖3，這是在中國大規(guī)模應(yīng)用纖維混凝土的機(jī)會(huì)。這為纖維混凝土的使用帶來了新的維度。纖維混凝土在中國工程界應(yīng)用的新高潮正在逼近。

聚丙烯纖維

國內(nèi)研究者主要集中于纖維混凝土的力學(xué)性能的研究，華淵、孫家瑛、楊兆鵬等人，他們對(duì)聚丙烯纖維混凝土進(jìn)行了大量的研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，摻量聚丙烯纖維的高性能混凝土的抗折強(qiáng)度、脆性和韌性性能有明顯的提高。

Hsie等[11]為了探索混凝土韌性，在混合材料中控制了聚丙烯纖維長度。發(fā)現(xiàn)混雜聚丙纖維對(duì)已開裂或有開裂跡象的混凝土的韌性、彎曲度影響極小。

對(duì)于聚丙烯纖維對(duì)混凝土的收縮變形的影響，研究結(jié)果不太一樣。Zollo等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，若在混凝土中摻加體積率為0.1%-0.3%的聚丙烯纖維，可使混凝土的塑性收縮減少12%-25%[12]。

Karahan O等人對(duì)聚丙烯纖維的幾何尺寸對(duì)混凝土塑性收縮裂縫影響進(jìn)行了研究[13]?？刂评w維摻入量在0.1%至0.3%時(shí)，塑性收縮率得到很好的控制，而聚丙烯的體積含量低，纖維對(duì)塑性收縮率和混凝土的開裂具有良好的控制。

普通混凝土路面起步于國外，但在國內(nèi)早期工程中也采用率極高，路面龜裂現(xiàn)象比比皆是，我國廣州環(huán)城高速公路的第三期工程則采用了聚丙烯纖維混凝土修復(fù)，取得了很好的效果。河南、四川等其他省份還在高質(zhì)量的公路收費(fèi)站和隧道混凝土的表面上使用聚丙烯纖維，以確保這些部分的最大使用壽命[14]。在橋面上，聚丙烯纖維也得到了很好的應(yīng)用。

4 有待進(jìn)一步研究的問題

大量的研究結(jié)果顯示，混雜纖維混凝土中的混合纖維有助于提高混凝土的道路性能，如抗凍性、抗撕裂性和抗疲勞性等優(yōu)異性能。作為纖維混凝土的主要研究方向之一，目前混雜纖維混凝土的研究還存在一些局限性。活性粉末混凝土的化學(xué)組成與微觀結(jié)構(gòu)還需進(jìn)一步探討。

介于科研范圍局限化，混雜纖維混凝土僅于理想狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)、實(shí)用上有很大局限性，大量混雜纖維實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目仍在普通混凝土的研究上止步不前。研究中發(fā)現(xiàn)，若提高混凝土的綜合性能，就意味著，賦予其更復(fù)雜的構(gòu)成及微觀結(jié)構(gòu)。對(duì)混雜纖維之間的相互作用與效應(yīng)暫還處于繼續(xù)探索狀態(tài)。目前，宏觀纖維的混雜是現(xiàn)在主流的混雜纖維研究方向，典型就是納米技術(shù)。迄今為止，納米技術(shù)在材料工程的海量使用，展現(xiàn)了其的科研潛力。此后納米級(jí)纖維與其他纖維混雜的能否研究出新的方向，也值得探索。如將納米級(jí)纖維與其他纖維優(yōu)勢(shì)結(jié)合、劣勢(shì)互補(bǔ)，對(duì)混凝土材料的發(fā)展將極具科研意義。