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)的一項創新制作方法，其中摻入高性能的鋼纖維，以減少混凝土的裂紋並構成抗彎曲的骨架。該方法能用以制作無接縫連續路面。對采用該方法實施的路面檢測結果是：裂紋開口小于1mm和裂紋兩邊的荷載傳遞達到100%。FRCCTM采用低含水率（110kg/m3）和低水泥用量，即280kg/m3(相當于重量比12%)，這能使鋼纖維發揮最佳效果。該混凝土密度高并具有高的碾壓能量：它的強度相當于常規的每立方米350公斤水泥用量的澆注式混凝土。FRCCTM用強制式攪拌機拌和、瀝青混凝土攤鋪機攤鋪、鋼輪振動壓路機和輪胎壓路機壓實。FRCCTM的厚度一般為8至20cm，常用厚度為10至18cm。

關鍵詞：路面水泥混凝土碾壓纖維鋼

1FRCCTM概述

經專利保護的FRCCTM方法(FiberreinforcedRollerCompactedConcrete)采用高強度碾壓混凝土和摻入高性能的錨固鋼纖維，能達到鋼筋混凝土的功能。其結果是：

實現無接縫連續路面；

裂紋開口類似于連續鋼筋混凝土(CRC)的開口，即小于1mm；

裂紋邊緣之間的負載傳遞達100%，從而消除了板塊間的振動聲；

與無鋼筋混凝土方案比較，可減小路面結構的厚度。

根據不同用途和具體要求，FRCCTM層上面可覆蓋以下的結構層：

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地坪或飛機、卡車停留坪：用微型混凝土以組成耐碳氫化合物作表面處理的磨耗層。

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國家標準NFP98128，它所達到的機械強度能使該材料歸納到該標準G5級的最高的技術要求。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。混凝土制作時摻入延遲塑化劑。含水率按改良Proctor試驗結果而定。

采用280kg水泥配方，FRCCTM混凝土的28天強度為：抗壓強度大于35MPa，劈裂抗拉強度大于3.8MPa，亦即其機械性能至少相當于常規的每立方米配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地坪開發中優選出的：這就是BekaertDramix80/60型粘結鋼纖維，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。鋼纖維的粘結成排是用一種能溶于水的粘結劑，這能防止使鋼纖維形成團狀，同時又能在適當時釋放鋼纖維，亦即在拌和中心內拌和混凝土時達到分散狀態。

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，例如在環形交叉口和環形路段與正常路段的連接處，在此，像平常路段的路面一樣，應為無接縫。

80/60鋼纖維是直徑為0.75mm長為60mm的鋼絲（80表示長徑比）。應指出每單位重量的相同長度的鋼纖維數量與直徑的平方成正比。相同重量的鋼纖維，直徑為0.75mm的鋼纖維數量為1mm鋼纖維的兩倍：因此，在1立方米混凝土內30kg的80/60可組成一個8000米直線長鋼纖維的網絡。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。

對不同的鋼纖維以相同的配量研究結果如圖1蘭色曲線所示：80/60的延展性有很長一段平臺，在3mm以下的裂紋開口狀態下，混凝土+鋼纖維組合料的抗彎強度相當于裂紋產生前的抗彎強度。該組合料的性能是優越的，對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備。

圖中注解：Bendingstrength(kN)抗彎強度（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度

1.3FRCCTM的制作和施工

FRCCTM的制作取決于現有設備。在中國，新建的高等級公路水泥混凝土路面施工工地一般規模都比較大，并且維持幾個月，這就允許搬遷大容量的混凝土拌和中心。摻入的鋼纖維數量對應于攪拌機的容量（例如2.5m3），並以陸續投料進行。鋼纖維的摻入或用每包20kg人工進行，或用自動配料器（如圖2）進行，該配料器把需用數量（以上例子中為75kg）的鋼纖維投到集料輸送帶上，或直接投入攪拌機內。

在歐洲特別是在法國，公路建造企業配有連續拌和中心，最大的達300m3/小時。與間歇式拌和中心比較，連續拌和中心的優點是在相同體積下生產量較大，流動性更好。它的攪拌機是連續喂料，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。FRCCTM也可在100m3/小時稱為“超級流動”拌和中心內制作，這類拌和中心只需兩輛牽引卡車從一工地拖到另一工地。連續喂料時，鋼纖維用一臺新型重量配料器摻入。該配料器能保證在生產過程中以±5%精度投配鋼纖維。

圖2連續作業拌和廠中添加BekaertDramix80/60鋼纖維的配料器

FRCCTM是用常規的翻斗卡車運輸，而不用攪拌運輸車。FRCCTM路面的施工按照法國國家標準NFP98-115進行。該材料采用帶振動臺的瀝青混凝土攤鋪機攤鋪，最好用高振動力的HPC平臺，這樣能達到高質量的平整度。碾壓設備包括一臺高頻振動壓路機和一臺輪胎式碾壓機，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到良好的密度。FRCCTM混凝土的養生采用瀝青乳液（除非想用常規養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力的環形交叉口或交通信號燈控制區；

或者用一層厚2.5cm的很薄碎石料。

LROP試驗室在現場的檢測和在試驗室的試驗結果證明FRCCTM和瀝青磨耗層之間的粘結達到兩瀝青層之間的相同粘結強度。

2FRCCTM方法：一項降低成本的創新

2.1FRCCTM路面結構的尺寸確定

十多年來，大尺寸無接縫工業地坪應用了鋼纖維混凝土，為此而進行的大尺寸確定的研究和實驗能評價鋼纖維對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，應屬于4級鋼纖維混凝土，它能使允許應力加大1.4倍。然而為了對FRCCTM的尺寸確定保留足夠的安全富裕度，只按1.26倍加大，這相當于3級鋼纖維混凝土。

FRCCTM結構能組成一種抗彎構架，也是減少裂紋的手段。在這點上，作為參考，雖然按鋼材的相應彈性極限的當量計算是近似的，按鋼材的彈性極限為1050N/mm2和30kg/m3的鋼纖維配量計，FRCCTM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的連續配筋混凝土。

像所有創新技術一樣，FRCCTM尺寸計算的參數首先是建立在試驗室的試驗結果和在現場施工后的檢測結果上。隨著時間推移，對初始數據按需要可能作一些調整。目前，在繁忙和重載交通量下使用六年多后，對使用中的FRCCTM現場得出令人滿意的評價，使人們初步肯定所采用的尺寸計算參數的正確性。

2.2在歐洲對FRCCTM技術的經濟性評價

圖3的曲線示出各種材料的相應疲勞曲線斜度，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，以及當交通量再增加時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,有關材料按稅后平均單位售價計。作為結論，在低交通量下FRCCTM路面沒有競爭力，但對交通量每天每向500輛以上重載卡車的情況，FRCCTM路面比性能最好的改性瀝青路面能節省8%至10%的造價。交通量越增大，節省越多。

同樣，從可持續發展角度來看，就每天承受500輛重載卡車的交通量的路面而言，FRCCTM方案能比EME2節省昂貴的碎石料15%，比良好級配瀝青+碎石料節省35%。

在中歐和東歐，前蘇聯陣營國家的標準軸載曾為8.5噸。過渡到歐洲的11.5噸的軸載后，在所有這些國家內即普遍引起路面破壞，到處造成約10cm深的車轍和國道網路面結構過渡疲勞。特別是在波蘭和羅馬尼亞，除了一些可能向國際銀行貸款或專營轉讓的新高速公路規劃項目外，FRCCTM技術的潛在市場是在國道網更新中的應用。

在波蘭，經受車轍的國道的常用加強技術是：在刨平擠出的材料后，鋪上15cm的良好級配瀝青混合料+5cm瀝青混凝土作為磨耗層。圖5示出，按同等結構強度，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，此加強路面每平米可節省費用10至12%。

縱座標：厚度（cm）;橫座標：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：成本，美元;橫座標：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波蘭國道用FRCCTM強化方案比較

2.3在中國對FRCCTM技術的經濟性評價

在CTI與山西省交通規劃勘察設計院之間的技術轉讓框架內，2003年秋在中國山西省計劃建立一個FRCCTM試驗工程。這是一條2x2車道120000m2的即12km長新建路面的國道一級公路。該路面處在運輸煤炭的礦區，將承受每天每向2500輛超載重載卡車的交通量，軸載經常達19噸。其他的FRCCTM項目正在與上海市城建部門商談中。

相對于西歐所作的關于各種不同材料的對比分析結果，盡管由于中國的物價水平普遍比西歐低20%到30%，經濟性的估價仍然是有利于FRCCTM。我們可觀察到對每天單向500輛重載卡車的交通量，FRCCTM仍有經濟性優勢，交通量越增加時這優勢越會增大。

更準確來看，圖7示出結構上相當的兩種高速公路路面的比較。該例子是湖北省一項常用的路面結構，它符合交通部頒布的國家行業標準，亦即一項較厚的半剛性路面，其瀝青材料厚18cm。FRCCTM方案（在湖北省其單價為75US$/m3，在上海約為80US$/m3）可節省8至10%，而瀝青與碎石料消耗可節省30%。

縱座標：成本（美元）;橫座標：重載卡車（3.5噸）單向日交通量（輛）

圖6FRCCTM相對于瀝青混凝土和CRC的經濟性比較

左圖:瀝青方案右圖:FRCCTM方案

圖7中國湖北省新高速公路FRCCTM路面方案

可注意到中國水泥是質優價廉，為了減少進口瀝青而選用半剛性結構。根據中國交通部的指令，為了再利用熱電站發電的副產品，底基層的水泥經常用粉煤灰來替代，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的。

作為對中國情況的結論，必須強調，從國家角度來看，為了采用國產產品並減少瀝青進口，不惜放寬對裂紋的考慮，特別是采用粉煤灰方面。在這背景下，可以看到FRCCTM技術能給出一個對應的答案，這答案一方面能滿足了交通部規定的經濟要求，另一方面又能滿足減少裂紋從而改善路面質量的技術要求。因此FRCCTM方法在中國的發展前景是巨大的，當然條件是在現場實施中以事實來確認所期望的經濟優勢，并且每一開發階段即使是最小的也必須取得成功。

3建立在成功經驗上的技術要求

相對于瀝青技術而言，FRCCTM方法具有常規的澆注式混凝土技術的優點：

它能消除路面車轍問題，

只要建造時尺寸確定正確，它能保證很長的路面使用壽命，從而減少護養費用，僅僅需要定期更新瀝青磨耗層。

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

LROP工作組在現場所取得的樣芯和檢測證明了FRCCTM的裂紋開口在整個板塊厚度上為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出現的。采用每立方米FRCCTM摻入30kg的鋼纖維時，相應的裂紋間距約為30至60m。

必須強調：

CRC路面與FRCCTM路面在裂紋上存在的差距，后者是無損害的；

用水性結合料處理的集料，它的裂縫只有幾毫米，特別是在中國采用了粉煤灰膠結料，其經濟優點是不能否定的，但裂縫開口邊緣之間的負載傳遞質量就受到一些影響。

有人提出FRCCTM的裂紋內鋼纖維的腐蝕問題。茲提醒這點，二十多年來，對使用中的CRC所作的觀察證明了對開口小于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載是由碎石料傳遞，而不是由鋼纖維傳遞。

根據以上觀察結果，盡管下述操作不一定是必須的，FRCCTM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。然而如要保持其密封性，每2至3年須重復一次這操作，這意味著必須進行一次費用不高的養護並在操作期間局部封閉道路。

曾經實施300m長的FRCCTM試驗路段，該路段采用每立方米混凝土摻入40kg的鋼纖維配量。經過三個冬季后，該路段出現不到1m長的裂紋開端，並且有不透過瀝青磨耗層的微型裂紋時使用很好。目前對該評價作出定論還過早，還必須進行更多的實驗和現場檢測。然而根據這些成績，作為技術要求可以提出一些方向性意見，在應用FRCCTM技術時可提出兩檔使用等級：

（1）“標準”用途級，相應于30kg的鋼纖維配量，會出一些現開口小于1mm的裂紋，其負載傳遞良好（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，FRCCTM產品對重交通量路面是很有競爭力，并能滿足業主尋找創新技術以降低成本的要求。

（2）“高檔”用途級，相應于40kg的鋼纖維配量，達到連續的、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路面形象特別挑剔的業主需求。代價是外加10kg鋼纖維配量，使每平米路面造價增加6至8%。這會顯著的降低FRCCTM技術相對于瀝青方案的競爭力。

參考資料

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