钢纤维碾压混凝土管理论文

摘要：碾压钢纤维混凝土FRCCTM(FiberreinforcedRollerCompactedConcrete)是碾压混凝土(RCC)的一项创新制作方法，其中掺入高性能的钢纤维，以减少混凝土的裂纹並构成抗弯曲的骨架。该方法能用以制作无接缝连续路面。对采用该方法实施的路面检测结果是：裂纹开口小于1mm和裂纹两边的荷载传递达到100%。FRCCTM采用低含水率（110kg/m3）和低水泥用量，即280kg/m3(相当于重量比12%)，这能使钢纤维发挥最佳效果。该混凝土密度高并具有高的碾压能量：它的强度相当于常规的每立方米350公斤水泥用量的浇注式混凝土。FRCCTM用强制式搅拌机拌和、沥青混凝土摊铺机摊铺、钢轮振动压路机和轮胎压路机压实。FRCCTM的厚度一般为8至20cm，常用厚度为10至18cm。

关键词：路面水泥混凝土碾压纤维钢

1FRCCTM概述

经专利保护的FRCCTM方法(FiberreinforcedRollerCompactedConcrete)采用高强度碾压混凝土和掺入高性能的锚固钢纤维，能达到钢筋混凝土的功能。其结果是：

实现无接缝连续路面；

裂纹开口类似于连续钢筋混凝土(CRC)的开口，即小于1mm；

裂纹边缘之间的负载传递达100%，从而消除了板块间的振动声；

与无钢筋混凝土方案比较，可减小路面结构的厚度。

根据不同用途和具体要求，FRCCTM层上面可覆盖以下的结构层：

作为路面：沥青混凝土磨耗层，由薄的、很薄的或透水性沥青碎石层；

作为承受重压的工业地坪或飞机、卡车停留坪：用微型混凝土以组成耐碳氫化合物作表面处理的磨耗层。

1.1用于FRCCTM方法的碾压混凝土特性

碾压混凝土的配方按照法国国家标准NFP98128，它所达到的机械强度能使该材料归纳到该标准G5级的最高的技术要求。采用的碎石集料的颗粒度为0~14mm，以限制其离析。水泥的配量一般每立方米混凝土为280kg。混凝土制作时掺入延迟塑化剂。含水率按改良Proctor试验结果而定。

采用280kg水泥配方，FRCCTM混凝土的28天强度为：抗压强度大于35MPa，劈裂抗拉强度大于3.8MPa，亦即其机械性能至少相当于常规的每立方米配330kg至350kg水泥的浇注式混凝土。

在裂纹方面，碾压混凝土由于含水率和水泥用量不大，其收缩率很小。再加上钢纤维的存在而使得混凝土内裂纹减少。

1.2用于FRCCTM方法的钢纤维

FRCCTM方法采用的钢纤维是从大面积无接缝或极小接缝工业地坪开发中优选出的：这就是BekaertDramix80/60型粘结钢纤维，是带高倾斜率弯钩的冷拉钢丝，能使混凝土具有高的延展性。钢纤维的粘结成排是用一种能溶于水的粘结剂，这能防止使钢纤维形成团状，同时又能在适当时释放钢纤维，亦即在拌和中心内拌和混凝土时达到分散状态。

钢纤维的最常用配量为每立方米混凝土30kg；在特殊情况下可用到35~40kg，例如在环形交叉口和环形路段与正常路段的连接处，在此，像平常路段的路面一样，应为无接缝。

80/60钢纤维是直径为0.75mm长为60mm的钢丝（80表示长径比）。应指出每单位重量的相同长度的钢纤维数量与直径的平方成正比。相同重量的钢纤维，直径为0.75mm的钢纤维数量为1mm钢纤维的两倍：因此，在1立方米混凝土内30kg的80/60可组成一个8000米直线长钢纤维的网络。该钢丝的弹性极限为1050N/mm2,可与直径为1mm弹性极限900N/mm2钢丝相比。这两因素说明80/60钢纤维的性能高于60/100钢纤维。

对不同的钢纤维以相同的配量研究结果如图1兰色曲线所示：80/60的延展性有很长一段平台，在3mm以下的裂纹开口状态下，混凝土+钢纤维组合料的抗弯强度相当于裂纹产生前的抗弯强度。该组合料的性能是优越的，对在使用中的路面而言，即使有小于1mm的裂纹，它还有足够的安全储备。

图中注解：Bendingstrength(kN)抗弯强度（kN）Crackwidth(mm)裂缝宽度（mm）

“Total”anchoragefiber"“全锚固式”钢纤维

图1采用不同钢纤维的混凝土性能比较-混凝土开裂后钢纤维的抗弯强度

1.3FRCCTM的制作和施工

FRCCTM的制作取决于现有设备。在中国，新建的高等级公路水泥混凝土路面施工工地一般规模都比较大，并且维持几个月，这就允许搬迁大容量的混凝土拌和中心。掺入的钢纤维数量对应于搅拌机的容量（例如2.5m3），並以陆续投料进行。钢纤维的掺入或用每包20kg人工进行，或用自动配料器（如图2）进行，该配料器把需用数量（以上例子中为75kg）的钢纤维投到集料输送带上，或直接投入搅拌机内。

在欧洲特别是在法国，公路建造企业配有连续拌和中心，最大的达300m3/小时。与间歇式拌和中心比较，连续拌和中心的优点是在相同体积下生产量较大，流动性更好。它的搅拌机是连续喂料，而不是分批投料，它采用一套集料和水泥精密重量配料系统。FRCCTM也可在100m3/小时称为“超级流动”拌和中心内制作，这类拌和中心只需两辆牵引卡车从一工地拖到另一工地。连续喂料时，钢纤维用一台新型重量配料器掺入。该配料器能保证在生产过程中以±5%精度投配钢纤维。

图2连续作业拌和厂中添加BekaertDramix80/60钢纤维的配料器

FRCCTM是用常规的翻斗卡车运输，而不用搅拌运输车。FRCCTM路面的施工按照法国国家标准NFP98-115进行。该材料采用带振动台的沥青混凝土摊铺机摊铺，最好用高振动力的HPC平台，这样能达到高质量的平整度。碾压设备包括一台高频振动压路机和一台轮胎式碾压机，每轮胎加载3至5吨。FRCCTM厚度一般为8至20cm，这就能使路面碾压后在层底达到良好的密度。FRCCTM混凝土的养生采用沥青乳液（除非想用常规养生混合物的混凝土表面）。

1.4铺在FRCCTM上的磨耗层

铺在FRCCTM上的磨耗层一般由以下碎石料组成：

或者用一层厚4cm掺35/50沥青的薄碎石料，特别用于须承受剪切应力的环形交叉口或交通信号灯控制区；

或者用一层厚2.5cm的很薄碎石料。

LROP试验室在现场的检测和在试验室的试验结果证明FRCCTM和沥青磨耗层之间的粘结达到两沥青层之间的相同粘结强度。

2FRCCTM方法：一项降低成本的创新

2.1FRCCTM路面结构的尺寸确定

十多年来，大尺寸无接缝工业地坪应用了钢纤维混凝土，为此而进行的大尺寸确定的研究和实验能评价钢纤维对混凝土所起到的抗弯作用。其方法是建立在混凝土板块弯曲破裂后在混凝土+钢纤维混合料内钢纤维所消耗的能量。按能量方法与无钢筋混凝土比较，Dramix80/60钢纤维以每立方米混凝土30kg的配量，应属于4级钢纤维混凝土，它能使允许应力加大1.4倍。然而为了对FRCCTM的尺寸确定保留足够的安全富裕度，只按1.26倍加大，这相当于3级钢纤维混凝土。

FRCCTM结构能组成一种抗弯构架，也是减少裂纹的手段。在这点上，作为参考，虽然按钢材的相应弹性极限的当量计算是近似的，按钢材的弹性极限为1050N/mm2和30kg/m3的钢纤维配量计，FRCCTM可比得上钢筋体积含量为0.67%的CRC，即弹性极限为500N/mm2的52kg/m3的连续配筋混凝土。

像所有创新技术一样，FRCCTM尺寸计算的参数首先是建立在试验室的试验结果和在现场施工后的检测结果上。隨着时间推移，对初始数据按需要可能作一些调整。目前，在繁忙和重载交通量下使用六年多后，对使用中的FRCCTM现场得出令人滿意的评价，使人们初步肯定所采用的尺寸计算参数的正确性。

2.2在欧洲对FRCCTM技术的经济性评价

图3的曲线示出各种材料的相应疲劳曲线斜度，亦即沥青混凝土为1/5，水泥混凝土为1/16。从图中还可以看出，高模量沥青混凝土EME2和FRCCTM的相应厚度在每天单向200辆重载卡车的交通量处是相等的，以及当交通量再增加时FRCCTM的厚度增加慢于沥青混凝土。

图4给出在不同交通量下用不同路面的每平方米成本比较,有关材料按税后平均单位售价计。作为结论，在低交通量下FRCCTM路面没有竞争力，但对交通量每天每向500辆以上重载卡车的情况，FRCCTM路面比性能最好的改性沥青路面能节省8%至10%的造价。交通量越增大，节省越多。

同样，从可持续发展角度來看，就每天承受500辆重载卡车的交通量的路面而言，FRCCTM方案能比EME2节省昂贵的碎石料15%，比良好级配沥青+碎石料节省35%。

在中欧和东欧，前苏联阵营国家的标准轴载曾为8.5吨。过渡到欧洲的11.5吨的轴载后，在所有这些国家内即普遍引起路面破坏，到处造成约10cm深的车辙和国道网路面结构过渡疲劳。特别是在波兰和罗马尼亚，除了一些可能向国际银行贷款或专营转让的新高速公路规划项目外，FRCCTM技术的潜在市场是在国道网更新中的应用。

在波兰，经受车辙的国道的常用加强技术是：在刨平挤出的材料后，铺上15cm的良好级配沥青混合料+5cm沥青混凝土作为磨耗层。图5示出，按同等结构强度，10cm的FRCCTM+4cm掺35/50沥青薄碎石料层方案是彻底解决车辙问题的办法，同时，此加强路面每平米可节省费用10至12%。

纵座标：厚度（cm）;横座标：重载卡车（3.5吨）单向日交通量（辆）

图3路基承载能力为E=120MPa的路面厚度比较

纵座标：成本，美元;横座标：重载卡车（3.5吨）单向日交通量，辆

图4欧洲按不同交通量各种路面的每平米成本比较

左图:沥青方案右图:FRCCTM方案

图5波兰国道用FRCCTM强化方案比较

2.3在中国对FRCCTM技术的经济性评价

在CTI与山西省交通规划勘察设计院之间的技术转让框架内，2003年秋在中国山西省计划建立一个FRCCTM试验工程。这是一条2x2车道120000m2的即12km长新建路面的国道一级公路。该路面处在运输煤炭的矿区，将承受每天每向2500辆超载重载卡车的交通量，轴载经常达19吨。其他的FRCCTM项目正在与上海市城建部门商谈中。

相对于西欧所作的关于各种不同材料的对比分析结果，尽管由于中国的物价水平普遍比西欧低20%到30%，经济性的估价仍然是有利于FRCCTM。我们可观察到对每天单向500辆重载卡车的交通量，FRCCTM仍有经济性优势，交通量越增加时这优势越会增大。

更准确來看，图7示出结构上相当的两种高速公路路面的比较。该例子是湖北省一项常用的路面结构，它符合交通部颁布的国家行业标准，亦即一项较厚的半刚性路面，其沥青材料厚18cm。FRCCTM方案（在湖北省其单价为75US$/m3，在上海约为80US$/m3）可节省8至10%，而沥青与碎石料消耗可节省30%。

纵座标：成本（美元）;横座标：重载卡车（3.5吨）单向日交通量（辆）

图6FRCCTM相对于沥青混凝土和CRC的经济性比较

左图:沥青方案右图:FRCCTM方案

图7中国湖北省新高速公路FRCCTM路面方案

可注意到中国水泥是质优价廉，为了减少进口沥青而选用半刚性结构。根据中国交通部的指令，为了再利用热电站发电的副产品，底基层的水泥经常用粉煤灰來替代，特别是在山西省。还可注意到FRCCTM用的Dramix80/60钢纤维是由Bekaert公司在上海的分公司生产的。

作为对中国情况的结论，必须强调，从国家角度來看，为了采用国产产品並减少沥青进口，不惜放宽对裂纹的考虑，特别是采用粉煤灰方面。在这背景下，可以看到FRCCTM技术能给出一个对应的答案，这答案一方面能滿足了交通部规定的经济要求，另一方面又能滿足减少裂纹从而改善路面质量的技术要求。因此FRCCTM方法在中国的发展前景是巨大的，当然条件是在现场实施中以事实來确认所期望的经济优势，并且每一开发阶段即使是最小的也必须取得成功。

3建立在成功经验上的技术要求

相对于沥青技术而言，FRCCTM方法具有常规的浇注式混凝土技术的优点：

它能消除路面车辙问题，

只要建造时尺寸确定正确，它能保证很长的路面使用寿命，从而减少护养费用，仅仅需要定期更新沥青磨耗层。

水泥混凝土本质上承受结合料凝结时的收缩，因而具有干缩和温缩应力而产生裂纹的缺点。FRCCTM所用的混凝土在这点上也不例外，尽管由于采用较低的水泥和水的配量以减少收缩率，并达到高的机械性能。掺入钢纤维也正是为减少FRCCTM的裂纹：因此应确定这种裂纹的可接受的极限。

LROP工作组在现场所取得的样芯和检测证明了FRCCTM的裂纹开口在整个板块厚度上为0.8至1mm，裂纹两边缘之间的荷载传递为100%。FRCCTM的小梁试件同样证明存在开口为0.2至0.3mm的许多微型裂纹，这些微型裂纹在沥青磨耗层表面上是肉眼看不见甚至是不会出现的。采用每立方米FRCCTM掺入30kg的钢纤维时，相应的裂纹间距约为30至60m。

必须强调：

CRC路面与FRCCTM路面在裂纹上存在的差距，后者是无损害的；

用水性结合料处理的集料，它的裂缝只有几毫米，特别是在中国采用了粉煤灰胶结料，其经济优点是不能否定的，但裂缝开口边缘之间的负载传递质量就受到一些影响。

有人提出FRCCTM的裂纹内钢纤维的腐蚀问题。兹提醒这点，二十多年来，对使用中的CRC所作的观察证明了对开口小于1mm的裂纹：

在裂缝处钢纤维几乎未被腐蚀，甚至路面没有覆盖沥青磨耗层，也如此；

裂缝开口边缘之间的负载是由碎石料传递，而不是由钢纤维传递。

根据以上观察结果，尽管下述操作不一定是必须的，FRCCTM的裂纹可在10cm宽度上摊铺沥青乳化液使之密封。（该操作类似于返修沥青碎石料后密封一接缝的操作）。车辆用户几乎察觉不了这点。然而如要保持其密封性，每2至3年须重复一次这操作，这意味着必须进行一次费用不高的养护並在操作期间局部封闭道路。

曾经实施300m长的FRCCTM试验路段，该路段采用每立方米混凝土掺入40kg的钢纤维配量。经过三个冬季后，该路段出现不到1m长的裂纹开端，並且有不透过沥青磨耗层的微型裂纹时使用很好。目前对该评价作出定论还过早，还必须进行更多的实验和现场检测。然而根据这些成绩，作为技术要求可以提出一些方向性意见，在应用FRCCTM技术时可提出两档使用等级：

（1）“标准”用途级，相应于30kg的钢纤维配量，会出一些现开口小于1mm的裂纹，其负载传递良好（亦即可与CRC裂纹相比，但裂纹间距为30至60m，而不是CRC的3m至5m）。有如上述第2部分所示，FRCCTM产品对重交通量路面是很有竞争力，并能满足业主寻找创新技术以降低成本的要求。

（2）“高档”用途级，相应于40kg的钢纤维配量，达到连续的、抗车辙的和几乎无裂纹的路面要求，是为了滿足要求十分高并且对路面形象特别挑剔的业主需求。代价是外加10kg钢纤维配量，使每平米路面造价增加6至8%。这会显著的降低FRCCTM技术相对于沥青方案的竞争力。

参考资料

FICHEROULLE,B.(2001)FiberreinforcedRollerCompactedConcrete,foracontinuouscementconcreteroad.在巴黎IRF会议上发言和CD-Rom演示。