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纤维网混凝土路面应用研究
平顶山市公路总段 吕贵锋 贾顺德 郑 军
摘要 本文介绍了纤维网混凝土路面设计及施工工艺
关键词 纤维 混凝土 强度
The Application Study of Fibermesh Reinforced Concrete Pavement Lu Guifeng
Abstract This paper introduces the design and constrrction of Fibermesh reinforced concrete pavement.
Key words Fiberous Concrete Strengt
1. 前言
平顶山市——一个新兴的能源工业城市，近几年公路建设发展较快，现已拥有干线公路831公里，其中有水泥混凝土路面约百余公里，通过对现有水泥混凝土路面的调查，均有不同程度的出现断板、龟裂现象。虽然公路水泥混凝土路面设计期限为30年，但实际政常运营使用寿命均不足10年，加之水泥混凝土路面出现损坏后，一方面养护修补困难较大，另一方面也造成了负面的社会影响。在实施修补过程中，我们也曾试图在旧混凝土路面上加3-5cm沥青混凝土路面面层予以改善，但效果不尽理想。在短时间内出现裂纹、起层，甚至跑飞现象，尤其在交通量日益增加，重型运输车辆有增无减的情况下，对经久耐用水泥混凝土路面从设计到施工都顾虑重重。针对这种情况，平顶山市公路管理总段设计室、试验室等部门于1997年5月专门成立了水泥混凝土路面加强系统应用研究小组，在广泛查阅国内外资料的基础上，研究探讨了用聚丙烯纤维网进行水泥混凝土路面的加强（以下聚丙烯纤维网简称纤维网），通常水泥混凝土路面面板设计厚为24-25cm，通过计算和试验有关资料，在实际施工中针对不同路段采用几种加入纤维网的方式，使水泥混凝土面板予以加强、探讨用纤维网混凝土代替钢筋混凝土应用技术，通过近一年的通车运营，使用效果良好。
聚丙烯纤维网（纤维网）是美国军队工程师团于八十年代中期研制成功的一种新型水泥混凝土加强筋材料，适用于公路路面、机场跑道、桥涵、隧道、港口码头、水工建筑物等混凝土工程的加强，已在世界60多个国家广泛应用，效果显著。
我国于1996年前后引进该聚丙烯纤维，并逐步在有关混凝土工程中应用，然而从中国市场总代理：西安博赛特纤维网砼有限公司提供的资料来看，聚丙烯纤维混凝土路面应用技术在我省沿未研究应用。
2. 纤维网水泥混凝土路面设计
2.1 纤维网的化学和物理特性
纤维网的主要化学物理特性如下：
| 吸水性 | 无 |
| 比重 | 0.91 |
| 纤维长度 | 12-51mm |
| 熔点 | 160-170℃ |
| 燃点 | 590℃ |
| 热传导性 | 低 |
| 酸碱阻抗 | 高 |
| 张力强度 | 560-770Mpa |
| 杨氏弹性系数 | 350Mpa |
2.2 纤维网的功能
根据有关国外大量的试验文献资料分析，纤维网在混凝土中的作用主要起到加强作用，其主要功能可归纳为：
①抑制混凝土的塑性收缩开裂
②提高混凝土的坚韧性和延展性
③提高混凝土抗渗性
④提高混凝土抗冲击能力
⑤提高混凝土抗碎和耐磨能力
⑥防止钢筋腐蚀等
⑦取代钢筋混凝土公路路面
2.3 纤维网混凝土的所用材料
①聚丙烯纤维网采用西安博赛特纤维网砼有限公司提供的美国纤维网公司生产的合成纤维，成品袋每袋0.9kg，纤维长19mm。
②水泥。经抽样检验采用平顶山水泥厂生产的525#普通硅酸盐水泥。
③碎石。通过对部分石料厂家的取样试验，并考虑经济因素，确定采用平顶山姚孟石灰石机械加工的碎石（其有关技术要求见表1和表2）。
混凝土碎石技术要求
表1
| 项目 | 技术要求 |
| 颗粒级配 | 见表2 |
| 石料技术等级 | ≥3 |
| 压碎值 | 16-20 |
| 针、片状颗粒含量（%） | ≤15 |
| 硫化物及硫酸盐含量（%） | ≤1 |
| 含泥量（冲洗法）（%） | ≤1 |
碎石标准级配范围 表2
|
级配范围
|
粒径（mm）
|
筛孔尺寸（圆孔）（mm）
|
|||||||
|
40
|
30
|
25
|
20
|
15
|
10
|
5
|
2.5
|
||
|
通过百分率（以质量计）（%）
|
|||||||||
|
连续
|
5-40
|
95-100
|
55-69
|
39-54
|
25-40
|
14-27
|
5-15
|
0-5
|
\
|
|
5-30
|
\
|
95-100
|
67-77
|
44-59
|
25-40
|
11-24
|
3-12
|
0-5
|
|
|
5-20
|
\
|
\
|
\
|
95-100
|
55-69
|
25-40
|
3-15
|
0-5
|
|
④砂。采用叶县沙河或鲁山沙河砂，其细度模数为2.37-3.2，属中砂或粗砂（其技术要求见表3和表4）
河砂技术要求 表3
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项目
|
技术要求
|
|
颗粒级配
|
见表4
|
|
含泥量（冲洗法）（%）
|
≤3
|
|
硫化物及硫酸盐含量（%）
|
≤1
|
|
有机物含量（比色法）
|
颜色不深于标准深液的颜色
|
河砂标准级配范围 表4
|
筛孔尺寸（mm）
|
||||||
| 圆孔 |
方孔
|
|||||
|
10
|
5
|
2.5
|
1.25
|
0.60
|
0.30
|
0.15
|
|
通过百分率（以质量计）（%）
|
||||||
|
100
|
90-100
|
75-100
|
50-90
|
30-59
|
8-30
|
0-10
|
⑤水。采用天然无污染水或饮用水。采用非饮用水时，硫酸盐含量应小于2.7mg/cm3，含盐量不超过5mg/cm3,PH值大于4。
2.4 纤维网混凝土设计
根据国外纤维网混凝土施工有关资料及纤维网提供商要求，原设计30#混凝土混合比设计不做改变，但为提高强度，水灰比应控制在W/C=0.46。掺入体积率经室内试验，并参考提供商提供的资料，最佳按每立方米混凝土掺入0.9kg。
在施工过程中，为尽早了解实际所配纤维混凝土达到的强度，进行
了抗折强度试验和抗压强度试验。掺入率按每立方米混凝土0.9kg计，28天抗折强度和抗压强度分别为6.8Mpa和39.4Mpa。其配合比设计根据设计弯拉强度，耐久性、耐磨性及简易性等要求和经济合理的原则，选用原材料，通过计算、试验和必要的调整，确定混凝土单位体积中各种组成材料的用量，配合比的设计强度fc=kfcm,其中k=1.1fcm=5.0。表5是室内试验确定的最佳配合比。
室内试验最佳配合比 表5
| 材料 | 水泥 | 水 | 碎石 | 中砂 | 纤维 |
| 数量kg/m3 | 367 | 165 | 1288 | 675 | 0.9 |
2.4.1 结构设计
根据原设计混凝土面板厚度24cm，根据资料及试验分析，结合技术经济情况采用两种结构。
①根据计算资料，减薄混凝土路面为18cm。同时按每m3混凝土加入聚丙烯纤维网0.9kg施工。
②24cm水泥混凝土路面厚度不变，在面板上层8cm内按每m3混凝土加入0.9kg设计。
3. 纤维网混凝土路面施工工艺
3.1 纤维网水泥混凝土路面施工工序
根据平东线目前的施工机具和施工工艺，施工的主要工序为：备料和混合料配比设计—测量放样—基层检验和整修—支立模板和安设钢筋—拌和混凝土—运输混凝土—摊铺混凝土—振捣混凝土—表面整修—接缝施工—养生—拆模—填嵌缝料。
3.2 施工方案及要点
1）试验段宽9m,长200m分两段施工，各长100m，其中一段长100m，混凝土厚18cm，全掺纤维网；另一段长100m，厚24cm，表8cm掺入纤维网。
2）对于18cm厚试验路段，现有模板在支护中需对基层稍作处理，即将现有模板嵌入6cm，以便于施工。或将基层抬高6cm也可。
3）对于24cm厚试验路段下层16cm先铺筑、振捣，然后紧接着施工上层8cm纤维网混凝土，时间安排上应紧凑。
4）对于拉杆、传力杆及假缝长度的设置与其它施工路段相同。
5）对于24cm厚向18厚过渡段，如不抬高基层5cm，应对模板下基层处理，在10cm内平缓过渡，以不影响行车为宜。
3.3 纤维网水泥混凝土路面施工注意事项
聚丙烯纤维网混凝土的施工与一般混凝土施工工序基本相同。配合比不做调整，主要以下工序稍加注意。
①混凝土拌和：混凝土拌和与一般混凝土拌和相同，应准确称量各种材料，水和水泥误差为1%，集料为3%，待混凝土拌和好准备出料前，按1立方米混凝土加入0.9kg聚丙烯纤维网计量加入，然后强制拌和2-3分钟后与正常混凝土一样出料运输。
②混凝土表面整修：由于掺入聚丙烯纤维网以后，混凝土的坍落度明显降低，振捣后与一般混凝土不同，出浆量相应减少，应及时进行表面整修抹平，抹平中表面可能存在部分纤维影响抹平，这时应人工拍打抹平。
③压纹和假缝锯割：现场施工温度及条件相同时，压纹和假缝割应比一般混凝土滞后约半小时至1小时，这样可以避免因聚丙烯纤维网存在出现纹和缝边的拉毛现象，试验段施工中应根据现场条件、气温及经验、试验确定。
3.4 试件制备
施工时应按现场摊销的混凝土制备试件，200m长度内，分两个100m试验段，各做抗压和抗弯拉试件两组，即抗压试件4组，抗弯拉试件4组，抗压试件采用尺寸为150×150×150mm试模，抗弯拉试件采用尺寸为150×150×550mm试模，对于分2层施工的100m路段，试模制备时上层用5cm聚丙烯纤维网混凝土，以便试件与实际施工达到相同的强度要求。
3.5 纤维网掺入数量
①100m厚,18cm段，混凝土方量为100m×9m×1.18m=162m3,按每立方混凝土加入0.9kg纤维计，共需纤维162m3×0.9=146kg。
②100m长,厚24cm段，上层8cm混凝土为100m×9m×0.08m=72m3，按每立方混凝土加入0.9kg计，共需纤维72m3×0.9=65kg。
③以上需211kg，以每kg148元计，其需31228元。
总之，聚丙烯纤维网混凝土施工，没有较为特殊的施工工艺要求，只是在普通混凝土中以每立方混凝土加入0.9kg的成品聚丙烯纤维网强制拌和，拌和后每立方混凝土中将均匀分布长1.9cm710万根聚丙烯纤维，施工中应准确计量控制拌和机方量，正确计量加入聚丙烯纤维网，聚丙烯纤维网的加入应用秤称量。
4. 纤维网混凝土路面试验结果（见表6）
|
混凝土名称
|
配合比
|
缓凝减水剂 | R28抗折强度（Mpa） | R28抗压强度（Mpa） |
|
水泥:砂
|
||||
|
石:水
|
||||
|
普通混凝土
|
367:675
|
0.5%
|
5.3
|
26.4
|
|
1288:165
|
||||
|
纤维网混凝土
|
367:675
|
0.5%
|
6.8
|
39.4
|
|
128:165
|
表6数据为两组试验结果的平均值，纤维网混凝土抗折强度比普通混凝土抗折强度提高28.3%,抗压强度提高8%。
5. 经济效益和社会效益
经过对纤维网混凝土公路路面的应用研究，从技术经济角度分析，该项目具备良好的经济效益和社会效益。
5.1 经济效益
根据现有水泥混凝土路面设计规范规定，板厚采用试算法确定，只要荷载应力和温度应力之和在1.03fcm和0.95fcm范围之内，初估厚度即可做为设计厚度，近几年来，平顶山市水泥混凝土路面面板一般设计为24cm厚；从现有试验资料和实践来看，纤维混凝土路面可以代替钢筋混凝土路面；就平顶山地区来讲，整个情况比较见表7。
12m宽1km水泥混凝土路面造价及性能对比表
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混凝土类别
|
掺入方法
|
每平方米造价
|
每公里造价(万元)
|
抗折强度(Mpa)
|
抗压强度(Mpa)
|
|
素混凝土板厚24cm
|
不掺
|
75
|
90
|
5.3
|
26.4
|
|
钢筋混凝土板厚24cm
|
不掺
|
115
|
138
|
-
|
-
|
|
聚丙烯纤维网混凝土24cm厚
|
表层8cm掺入
|
85
|
102
|
-
|
-
|
|
聚丙烯纤维网混凝土18cm厚
|
全掺入
|
98
|
117.6
|
6.8
|
39.4
|
从以上对比资料来看，加强后的混凝土比普通素混凝土造价都高，但从抗折、抗压强度上来比，抗折、抗压强度提高较多，从使用性能来讲，纤维网混凝土只能与强度接近的钢筋混凝土对比。
①聚丙烯纤维网混凝土厚24cm ,表层8cm内掺入纤维网时，比钢筋混凝土每km节约投资138-102=36万元。
②聚丙烯纤维网混凝土厚18cm全掺入时，节约投资138-117.6=20.4万元。
5.2 社会效益
公路是公共基础设施，公路质量的好坏直接影响着党在人民群众中的形象，社会效益主要表现在：
①由于公路使用寿命增加，大大降低养护成本；
②由于路面质量经久耐用，给旅客和货物运输创造了条件，车速的提高降低了运输成本。
