摻 FC 纖維材料混凝土在橋面整體化層中的應(yīng)用研究

彭書成，雷 鳴，徐光波，張心強，徐 亮，牛擁軍

（1.杜強華微（北京）高新材料科技有限公司，北京 101407；2.廣東交通實業(yè)投資有限公司，廣東 廣州 510623；3.保利長大公司大潮項目部，廣東 廣州 510623；4.清華大學(xué)材料學(xué)院FC中心，北京 100084；5.中國航空港建設(shè)第三工程總隊 94968 部隊，北京 102602）

0 引言

在國家基本建設(shè)的大格局中，高等級公路占比很大，特別是隨著高速公路的發(fā)展，以水泥混凝土和瀝青混凝土為主的道面、橋梁和隧道等工程規(guī)模越來越大。本文以“建立高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)、高耐久、高壽命、高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定路面及橋梁、隧道無開裂的優(yōu)質(zhì)綠色工程規(guī)范，實現(xiàn)高耐久 FC 水泥混凝土、高性能 FC 瀝青混凝土、延長工程使用壽命、減少日常維護(hù)費用”為目標(biāo)，為廣東省高速公路工程建設(shè)“全壽命免維護(hù)”開創(chuàng)先河，創(chuàng)新引領(lǐng)我國首條 FC 高質(zhì)量的示范高速公路；其核心技術(shù)將在多個領(lǐng)域輻射產(chǎn)生巨大社會經(jīng)濟(jì)效益，并能帶動廣東省相關(guān)行業(yè)及產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，提高工程建設(shè)基礎(chǔ)材料的科技進(jìn)步。

1 工程概況

根據(jù)“廣東省交通運輸廳推進(jìn)綠色公路建設(shè)實施方案的通知”（粵交基〔2017〕591 號）、“轉(zhuǎn)發(fā)廣東省交通運輸廳關(guān)于印發(fā)廣東省推進(jìn)綠色公路建設(shè)實施方案的通知”（粵交集基函〔2017〕5 號）內(nèi)容，按照《廣東省推薦綠色公路建設(shè)實施方案》和《廣東省綠色公路建設(shè)技術(shù)指南（試行）》的要求，結(jié)合《大埔至潮州高速公路（含大埔至漳州支線）》（以下簡稱“本項目”）實際制定綠色公路建設(shè)實施方案（見圖 1）。

圖1 項目圖

本項目是廣東省高速公路網(wǎng)規(guī)劃的重要組成部分。路線全長 120.768 km，概算總投資 142.79 億元，大埔至潮州高速公路主線路線起于梅州市大埔縣大麻鎮(zhèn)，與梅州至大埔高速公路相接，經(jīng)大埔縣高陂、光德，饒平縣新豐、三饒、浮濱、樟溪，終于潮州市饒平縣錢東鎮(zhèn)，接沈海高速公路汕汾段，設(shè)上徑（樞紐）、高陂、赤山（樞紐）、塘尾（樞紐）、光德、新豐、三饒、浮濱、中山樓（樞紐）、樟溪、黃都嶺（樞紐）11 處互通式立交。

為提升我國高速公路建設(shè)的技術(shù)水平，推動廣東省交通事業(yè)的全面發(fā)展，實現(xiàn)高速公路免維護(hù)高質(zhì)量工程建設(shè)的百年大計，在本項目中采用了材料和工藝技術(shù)創(chuàng)新的應(yīng)用研究，在普通 C40 混凝土中摻加 FC 纖維材料以提高道面工程質(zhì)量，并通過科學(xué)嚴(yán)格的試驗比對，獲得了材料技術(shù)創(chuàng)新驗證。

2 普通 C40 混凝土室內(nèi)試驗與橋面整體化層設(shè)計試驗結(jié)果

2.1 普通 C40 水泥混凝土配比設(shè)計試驗

室內(nèi)試驗于 2019 年 4 月 26 日在某項目部工地試驗室進(jìn)行，試驗條件按照混凝土配合比設(shè)計規(guī)范，選擇 P.O42.5 水泥，II 區(qū)中砂（砂率 38 %），碎石 16～31.5、10～20、5～10 mm 三個檔次，水膠比 0.36，聚羧酸減水劑 JB-ZSC（摻量 1.2 %）。依據(jù) JTG E42-2005《公路工程集料試驗規(guī)程》，得到粗集料參數(shù)如表 1 所示，C40 混凝土配合比如表 2 所示。

表1 C40 混凝土粗集料參數(shù)

表2 C40 混凝土配合比

依據(jù)表 2 中 C40 混凝土配比將原材料干拌 30 s，濕拌 60 s。現(xiàn)場測得混凝土塌落度為 160 mm，分別制作抗壓、抗折強度試件各 3 組（見圖 2）。

圖2 C 40 混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件

2.2 普通 C 40 混凝土試塊抗壓與抗折強度測試

經(jīng)室內(nèi)力學(xué)測試，可得試件的 7d 抗壓強度為 53.9MPa，抗折強度為 5.3 MPa；28 d 抗壓強度為55.0 MPa，抗折強度為 5.9 MPa（見圖 3）。

2.3 普通 C40 混凝土抗裂試驗

圖3 力學(xué)測試

將普通 C40 混凝土鏟入抗裂試驗的模具內(nèi)，然后放在混凝土振動臺上振動成型，最后用鐵抹子和鋁合金刮尺在混凝土表面反復(fù)壓抹，直到達(dá)到工程所需表面光潔要求。試塊成型 2 h 后，每個試件各用 1 臺電風(fēng)扇（直徑 450 mm）距離試件 200 mm 吹試件表面，連續(xù)直吹≥ 24 h，同時每個試件用 1 000 W 碘鎢燈在離試件表面高 1 100 mm 處照射不少于 24 h。試塊成型 10 h 后，每隔 1 h 觀察一次試塊表面的裂縫變化情況（見圖 4）。

圖4 抗裂試驗試塊制作及養(yǎng)護(hù)期觀察

試塊表面裂縫發(fā)展數(shù)量統(tǒng)計如表 3 所示。

表3 試塊表面裂縫發(fā)展數(shù)量統(tǒng)計

室外試驗：在室內(nèi)測試和試驗的基礎(chǔ)上，為貼近工程實際環(huán)境和要求，選擇在本項目的丘屋大橋進(jìn)行實地試驗，該橋地處低緩丘陵地段，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)預(yù)制 T 梁、先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)剛構(gòu)預(yù)制 T 梁。跨徑組合：左線 12×40=480 m，右線 13×40=520 m。橋梁交角為 90°，橋面鋪裝采用 10 cm 瀝青鋪裝＋防水層 +10 cm 厚 C40 混凝土整體化層。經(jīng)28 d 養(yǎng)護(hù)成型后觀察，混凝土表層無裂縫，裂縫長度最大達(dá) 0 mm，最大寬度 0 mm。

3 摻 FC 纖維材料 C 40 混凝土在橋面整體化層的設(shè)計應(yīng)用

3.1 FC 纖維材料

FC 材料是由清華大學(xué)材料學(xué)院 FC 中心利用 10 年時間（2008 年 5 月-2018 年 5 月）刻苦攻關(guān)，為提高水泥與瀝青混凝土工程質(zhì)量、延長使用壽命，減少維護(hù)費用而研發(fā)，具備全套自主知識產(chǎn)權(quán)，已于 2020 年 1 月由杜強華微（北京）高新材料科技公司升級為第七代。其核心技術(shù)（高強度、高模量、高抗堿、超大長徑比）和綜合指標(biāo)較為先進(jìn)，并由筆者單位探索了一整套現(xiàn)場施工工藝［1］。

3.2 工程案例

在“十五”期間，F(xiàn)C 纖維材料已經(jīng)為國家重大工程和軍事工程應(yīng)用，先后在博鰲論壇、蘇通大橋橋塔、鼎新機場、常州機場、赤峰機場、興城機場、北京大興國際機場、湖北鄂州水利工程、11230 工程等幾十項重點工程中應(yīng)用，均達(dá)到設(shè)計要求；特別是在高鹽堿、高海撥、高寒及高溫差地區(qū)的應(yīng)用，更加突顯了 FC 纖維材料的優(yōu)點；其中某工程應(yīng)用 FC 纖維材料的 4 條跑道、停機坪、滑行道總面積為 150 多萬 m2、使用 11 年未出現(xiàn)任何裂紋，實現(xiàn)了免維修［2］。

3.3 第三方檢測

2019 年 6 月 5 日委托第三方國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心復(fù)檢，第三方檢測報告圖片如圖 5、圖 6 所示。具體技術(shù)指標(biāo)如表 4 所示。

按國際通行慣例，水泥混凝土摻加纖維的長徑比一般≤100，而 FC 材料能＞300（如國外纖維長度為0.9 cm，F(xiàn)C 材料纖維長度可做到 1.9、3.8、5.6 cm）；實現(xiàn)了重大及特殊混凝土工程需要的高強度、高模量、高韌性、低延伸率、高抗堿、超高大長徑比，能夠充分達(dá)到水泥及其混合材料的連接搭橋功能，有效阻止混凝土開裂［3］。

圖 6 每 m3 混凝土摻入 1.4 kg FC 纖維裂縫降低系數(shù)檢驗報告

表4 FC 材料技術(shù)指標(biāo)

施工攪拌時，F(xiàn)C 材料能在混凝土中均勻分布、建立多維結(jié)構(gòu)，徹底解決水泥混凝土和瀝青混凝土開裂、掉邊、掉角、收縮裂縫等通??；在公路、機場跑道、水利大壩、隧道、橋梁等工程中應(yīng)用，能夠提高工程抗裂縫、抗磨損、耐久性、抗疲勞和抗沖擊性能，解決大體積、大面積混凝土極易開裂的世界性難題，實現(xiàn)抗凍融、抗鹽堿、抗腐蝕的優(yōu)異性能，有效保障工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定運行安全［4-5］。

3.4 摻 FC 纖維 C40 混凝土配比設(shè)計

按照混凝土配合比設(shè)計規(guī)范，選擇 P.O 42.5 水泥，II 區(qū)中砂（砂率 39 %），碎石 16～31.5 mm、10～20 mm、5～10 mm 三個檔次，水膠比 0.36，聚羧酸減水劑 JBZSC（摻量 1.15 %），F(xiàn)C 纖維分 1.0 kg/m3、1.2 kg/m3、1.4 kg/m3三種摻量。依據(jù) JTG E42-2005《公路工程集料試驗規(guī)程》，得到 C40 FC 纖維混凝土配合比如表 5 所示。依據(jù)表 5 中 C40 纖維混凝土配比，將混凝土原材料干拌 30 s，濕拌 60 s，確?；炷林?FC 纖維分布均勻，無成團(tuán)并絲現(xiàn)象。

表5 C40 FC 纖維混凝土配合比

3.5 摻 FC 纖維 C40 混凝土試塊抗壓及抗折強度測試

按 FC 纖維摻量 1.0、1.2、1.4 kg/m3分別制作抗壓、抗折強度試件各 3 組。經(jīng)室內(nèi)力學(xué)測試，可得試件 7 d 抗壓、抗折強度和 28 d 抗壓、抗折強度如表 6 所示。

表6 試件的抗壓、抗折強度統(tǒng)計

3.6 摻 FC 纖維 C40 水泥混凝土抗裂試驗

將拌制好的 3 種配合比的 FC 纖維混凝土分別鏟入抗裂防裂試驗?zāi)＞邇?nèi)，然后放在混凝土振動臺上振動成型，最后用鐵抹子和鋁合金刮尺在混凝土表面反復(fù)壓抹，直到達(dá)到工程所需表面光潔要求。試塊成型 2 h 后，每個試件各用一臺電風(fēng)扇（直徑 450 mm）距離試件 200 mm 吹試件表面，連續(xù)直吹≥ 24 h，同時每個試件用 1 000 w 碘鎢燈在離試件表面高 1 100 mm 處照射≥ 24 h。試塊成型 10 h 后，每隔 1 h 觀察一次試塊表面的裂縫變化情況（見圖 7）。

圖7 FC 纖維混凝土試塊裂縫測量

試塊表面裂縫發(fā)展數(shù)量統(tǒng)計如表 7 所示。

表7 摻 FC 纖維材料 C40 混凝土試塊裂縫數(shù)量統(tǒng)計

從表 7 可知，隨著 FC 纖維摻量的增加，試塊表面裂縫的數(shù)量減少，當(dāng) FC 纖維摻量達(dá)到 1.4 kg/m3及以上時，裂縫消失。

由上文所述，為了達(dá)到減少混凝土表面裂縫數(shù)量的目的，應(yīng)在橋面整體化層混凝土中摻入 FC 纖維 1.0～1.4 kg/m3。普通 C40 混凝土與摻 FC 纖維材料 C 40 混凝土試塊的物理力學(xué)性能對比如表 8 所示。

表8 混凝土試塊物理力學(xué)性能對比

由表 8 可得，摻 FC 纖維材料 C40 混凝土試塊的抗壓強度相比普通 C40 混凝土提高了 2.7 %，抗折強度提高了 6.44 %，每 m3混凝土摻 1.2 kg FC 纖維試塊裂縫降低系數(shù) η=99 無開裂，每 m3混凝土摻 1.4 kg FC 纖維試塊裂縫降低系數(shù)η=100無開裂。

4 摻 FC 纖維材料 C40 混凝土橋面整體化層施工

圖8 成型后的橋面整體化層C40 FC 纖維混凝土效果

室外工程試驗段：于 2019 年 9 月 8 日在丘屋大橋左幅第三聯(lián)整體化層澆筑；受業(yè)主委托，項目部在丘屋大橋左幅第三聯(lián)橋梁整體化層混凝土澆筑施工時采用了摻加 FC 纖維材料混凝土與橋面整體化層普通 C40 混凝土的對比試驗（摻加量分別為 1.0 kg/m3、1.2 kg/m3和1.41.0 kg/m3）。

施工流程為：泵送混凝土，三輥軸攤鋪，振搗，抹光機收面，土工布灑水養(yǎng)護(hù)。成型的橋面整體化層C40 FC 纖維混凝土效果如圖 8 所示。

5 摻 FC 纖維材料瀝青混凝土配比設(shè)計試驗

于 2020 年 4 月 12 日-2020 年 5 月 24 對瀝青下面層摻入 FC 纖維進(jìn)行了比對試驗，并形成了以下成果。

1） 按照瀝青下面層試驗路總結(jié)會定下的級配曲線外摻入廠家建議的 FC 纖維和 FC 增強劑對比，各檔原材料比例和級配曲線圖如表 9 及圖 9 所示。

表9 各集料通過率

表10 馬歇爾試驗體積檢測指標(biāo)

圖9 級配曲線圖

2）按 JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》操作方法分別對瀝青下面層最佳油石比 4.1 % 進(jìn)行了瀝青混合料馬歇爾試驗、殘留穩(wěn)定度、理論密度試驗、車轍試驗、滲水試驗、凍融劈裂試驗，如表 10～表 15 所示。

表11 FC 纖維摻入量 0 %

表12 FC 纖維每 m3 摻入量 3.6 %

表13 FC 纖維每 m3 摻入量 3.6 %（纖維+加 8 kg FC 增強劑）

表14 每 m3 加 8 kg FC 增強劑（無摻量 FC 纖維）

表15 FC 纖維每 m3 摻入量 4.6 %（加 8 kg FC 增強劑 +纖維）

結(jié)果表明：不同摻量的 FC 纖維（加入 FC 增強劑）的情況下對瀝青混凝土穩(wěn)定度、水穩(wěn)定性、車轍性能、凍融劈裂強度比明顯提高。

6 應(yīng)用價值

6.1 成本分析

水泥混凝土成本分析：參照纖維混凝土國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以 FC 纖維摻量 1.4 kg/m3×129.8 元=181.72 元為成本（含運費、稅費、工地技術(shù)指導(dǎo)、保險、投料、倉儲等費用），按照橋面 10 cm 厚的混凝土計算，每 m2為18.72元，（除因質(zhì)量問題需要部分翻修等大宗費用外，僅橋面日常維護(hù)費（1 人員費、2 水費、3 車輛費、4 清洗設(shè)備等費用）就需約 15 元/m2×年；單從工程投資的直接成本看，確實有所上升；但從延長道面工程使用壽命和實現(xiàn)工程全壽命免維護(hù)方面計算，應(yīng)用 FC 材料有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

瀝青混凝土成本分析：瀝青混凝土每 m3摻加FC 材料 4.6 kg×129.8 元=597.08 元按照公路 5 cm 厚的瀝青混凝土計算每 m2為 29.86 元。單從工程投資的直接成本看，確實有所上升；但從延長路面工程使用壽命和實現(xiàn)工程全壽命免維護(hù)方面計算，應(yīng)用 FC 材料的投資，僅占工程總投資額的 0.25 % 都不到（如果按單一的水泥混凝土和瀝青混凝土造價計算約 20 % 左右），業(yè)主得到的回報率是工程總投資的 100 %，即相當(dāng)于獲得再建一個同等規(guī)模工程的效果。有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會價值［5］。

6.2 全壽命期質(zhì)量安全

水泥混凝土橋面、隧道工程的滲漏、凍融、掉邊掉角等質(zhì)量通病，究其原因都是因為收縮裂縫造成的質(zhì)量問題。應(yīng)用 FC 材料能綜合提高混凝土抗裂性、耐久性、抗疲勞和抗沖擊等性能，實現(xiàn)橋梁等工程整體化層結(jié)構(gòu)優(yōu)化，全面提升橋面、隧道等工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量、延長工程使用壽命，為國家節(jié)省維修成本與重建費用，最終實現(xiàn)提升工程結(jié)構(gòu)的安全運行與整體質(zhì)量。

在現(xiàn)有水泥混凝土道面施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過摻加 FC 材料，在一定程度上提高工程的質(zhì)量安全冗余，應(yīng)該是簡單易行的技術(shù)工藝。因此，在大面積、大體積混凝土工程中，應(yīng)用 FC 材料技術(shù)，減免維護(hù)費用，用小投入換長壽命，是可行且有益的技術(shù)創(chuàng)新。

6.3 研究意義

6.3.1 小結(jié)

1）對比普通 C40 混凝土與摻 FC 纖維材料 C40 混凝土試塊的物理力學(xué)性能：相比普通 C40 混凝土，摻 FC 纖維材料 C40 混凝土的抗壓強度提升了 2.7 %；抗折強度提升了 6.44 %。

2）對比普通 C40 混凝土與摻 FC 纖維材料 C40 混凝土裂縫數(shù)量。

①普通 C40 混凝土。加熱的同時用電風(fēng)扇吹 8 h 后開裂，裂縫最大寬度為 0.4 mm，裂縫長度為 550、100、80、40、70 、50 、90、90 mm。

②摻 FC 纖維材料混凝土（每 m3摻 1.2 kg）。加熱的同時用電風(fēng)扇吹 8 h 后開裂，裂縫最大寬度為 0.1mm，裂縫長度為 70 mm；裂縫降低系數(shù) η=99 無開裂。

③摻 FC 纖維材料混凝土（每 m3摻 1.4 kg）：加熱的同時用電風(fēng)扇吹 8 h 后未出現(xiàn)裂縫；裂縫降低系數(shù)η=100 無開裂。

3）隨著 FC 纖維材料摻量的增加，水泥混凝土和瀝青混凝土的抗裂性能提升顯著，當(dāng)混凝土中摻入 FC 纖維材料 1.4 kg/m3時，施工后的混凝土縫數(shù)量得到有效控制。

4）路面和橋面整體化層摻 FC 纖維材料 C40 混凝土裂縫比普通 C40 混凝土整體化層裂縫大大減少；應(yīng)用 FC 材料，能在一定程度上提高工程的質(zhì)量安全冗余，緩解因事故、超載、災(zāi)害和其他意外造成的破壞程度。

6.3.2 創(chuàng)新點

1）解決關(guān)鍵點維護(hù)難題。廣東省高速公路多處于山區(qū)和丘陵起伏地帶，橋梁眾多，混凝土面層質(zhì)量尤為重要，若因質(zhì)量問題頻繁維修，勢必造成通行效率減低甚至斷路。應(yīng)用摻加 FC 纖維材料的混凝土技術(shù)進(jìn)行橋面整體化層施工，大幅度提升橋梁工程質(zhì)量，實現(xiàn)全壽命周期免維護(hù)，基本可以消除橋梁等關(guān)鍵點“卡脖子”維護(hù)問題，性價比很高。

2）改善公路全壽命期質(zhì)量。由于公路施工是分工、分段、分時進(jìn)行，普通混凝土?xí)虿牧?、工藝、技術(shù)和維護(hù)等因素影響，在全壽命期質(zhì)量上會形成較大的分段梯度變化，從而影響運營水平。應(yīng)用摻加 FC 纖維材料的混凝土技術(shù)基本可以消除因維護(hù)、氣象和運輸強度造成的質(zhì)量變化，使全壽命期質(zhì)量整體變化趨于平滑，保持公路運輸?shù)钠椒€(wěn)運行。

3）便于現(xiàn)有工程升級改造。由于 FC 纖維材料特殊的結(jié)構(gòu)形式和優(yōu)越的長徑比，具有很強的粘結(jié)力和握裹力，因此可通過維護(hù)施工對原面層進(jìn)行簡單的糙化處理，然后用摻加 FC 纖維材料混凝土覆蓋施工，從而實現(xiàn)面層質(zhì)量等級的跨越，減低了改造工程成本。

7 結(jié)語

本文通過試驗對比和工程實踐，驗證了摻 FC 纖維材料的 C40 水泥混凝土和瀝青混凝土在橋面整體化層施工中的質(zhì)量優(yōu)勢，對提高公路建設(shè)質(zhì)量和提升交通運營水平提供了很好的技術(shù)支撐。通過進(jìn)一步優(yōu)化 FC 纖維材料產(chǎn)品系列和性價比，將具備良好的應(yīng)用前景，為我國公路高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)、高耐久、全壽命免維護(hù)及國家綠色高速公路建設(shè)的發(fā)展開創(chuàng)先河、總結(jié)經(jīng)驗、向全國推廣應(yīng)用、為國家節(jié)省重復(fù)投資、為國家達(dá)到世界級高水平領(lǐng)先發(fā)展作出貢獻(xiàn)。