湘潭大学
硕士学位论文
层布式钢纤维混凝土力学行为研究及在路面工程中的应用
姓名：刘小根
申请学位级别：硕士
专业：一般力学与力学基础
指导教师：尹久仁
20070501
摘要
作为一种具有比普通混凝土更优良的抗弯、抗裂、耐疲劳、耐磨耗、高韧度等力学性能的新型建筑材料，钢纤维混凝土已受很多建筑工程的青睐。但钢纤维混凝土的昂贵造价却大大地限制了它的发展与利用，因此，如何降低钢纤维混凝土造价的问题已受到人们的普遍关注。本文研究的层布式钢纤维混凝土（Layer Steel Fiber Reinforced Concrete，简称LSFRC）路面结构正顺应了这一思想，这种结构形式即把少量钢纤维均匀分布于路面板的上下表层一定厚度内，而中间仍为素混凝土。这种钢纤维混凝土路面结构在不影响其力学性能的条件下却明显地降低了钢纤维的用量，因此层布式钢纤维混凝土路面是一种值得进行理论研究和实践推广运用的路面结构型式。
本文主要从力学角度出发，研究了层布式钢纤维混凝土的力学性能及层布式钢纤维混凝土路面结构在行车荷载作用下的力学分析。
本文采用试验研究为手段，主要研究内容如下：
1、研究了水灰比、钢纤维体积掺量和钢纤维长径比对层布式钢纤维混凝土抗压、抗劈裂及抗折强度的影响规律，并同时观察其破坏形态。
2、对层布式钢纤维混凝土增强增韧机理进行了分析，提出了层布式钢纤维混凝土弯拉梁的理论分析模型。
3、通过混凝土三点弯曲试验研究了层布式钢纤维混凝土的断裂性能，分析钢纤维体积掺量和钢纤维长径比对层布式钢纤维混凝土的断裂性能的影响规律。
本文通过理论分析，建立路面力学模型，对层布式钢纤维混凝土路面进行行车荷载应力分析，提出了两种层布式钢纤维混凝土路面力学计算方法，并采用ANSYS有限元数值分析方法进行了层布式钢纤维混凝土路面应力分析。
本文简要地概述了层布式钢纤维混凝土路面的施工方法及质量保证措施，提出了层布式钢纤维混凝土这种路面结构的一些优缺点，期望通过这些工作能较全面地了解层布式钢纤维混凝土的性能并有助于工程实际应用。
关键词：层布式钢纤维混凝；抗折强度；劈裂强度；抗压强度；断裂性能；层布式钢纤混凝土路面；弹性层状体系；有限元分析；路面施工
Abstract
As a kind of new structural material, the steel fiber reinforced concrete have better mechanical performances such as bending resistance, crack resistance, anti-fatigue, anti-friction and high toughness than normal concrete and was used in many architectural constructions. But it was limited to being used and developed for the expensive of the steel fiber, so, how to reduce the construction cost of the steel fiber reinforced concrete is concerned by many scientist and engineer. It is clear that the layer steel fiber reinforced concrete pavement style which studied in this article is complied with this idea. Only a few steer fibers are used in the two surfaces of the road surface construction but in the middle place use normal concrete still in this kind of pattern structure. Under the condition that not influence the mechanics performance, this kind of pattern structure can be greatly reduced the amount of the steel fiber. So as a kind of pavement structure pattern layer steer fiber reinforced concrete pavement is worth to theory studying and extend using in practice.
In this paper the mechanical analysis way was used primary, the mechanics performance of layer steer fiber reinforced concrete was studied and the stress distribution of layer steer fiber reinforced concrete pavement under driving load function was analyzed.
In this paper the experiment research content to be as follows:
1. The affect law of w/c, length-diameter ratio and volumetric fraction of steel fiber have been experimentally studied on compressive strength，splitting strength，flexural strength of layer steel fiber reinforced concrete.
2. The reinforcement and the flexural bend strength model of layer steel fiber reinforced concrete has been analyzed.
3. The affect law of length-diameter ratio and volumetric fraction of steer fiber with three points flexural bend experiment studied on fracture performance of layer steel fiber reinforced concrete.
In this paper we also use theoretical analysis way, establishes mechanics model, analysis the stress of the pavement of layer steel fiber reinforced concrete, two analysis methods are given, the finite element analysis method also used to analysis the stress in this paper.
How to construction and how to guarantee the construction’s quality are summarized in briefly, proposed the merit and shortcoming of the layer steel fiber reinforced concrete . We wish we can know about comprehensively about the mechanical property of layer steel fiber reinforced concrete and can helpful project practical application with what we had down.
Keywords：layer steer fiber reinforced concrete; flexural strength; Splitting strength;
compressive strength; fracture performance; layer steer fiber reinforced
concrete pavement; Elastic layered system; Finite element analysis; road
pavement construction
湘潭大学
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作者签名：日期：年月日
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作者签名：日期：年月日
导师签名：日期：年月日
第一章 绪论
1.1 钢纤维混凝土的发展概况及应用现状
随着1824年波特兰水泥的诞生，在1830年前后出现了混凝土，作为当时的一种新型建筑材料，混凝土以其骨料可以就地取材，构件易于成型的突出优点，日益广泛应用于土木和水利工程中。尤其是在19世纪中叶以后，伴随着钢铁的发展，人们把钢筋和混凝土结合起来，诞生了钢筋混凝土(Reinforced Concrete)这种新型的复合建筑材料，大大提高了结构的抗裂性能、刚度、承载能力和耐久性，从而使建筑业经历了一场革命。尽管混凝土的固有优点是高抗压强度，然而它也有固有弱点——如构件的自重大、易于塑性干缩开裂、抗疲劳能力低、韧性差、抗拉强度低(一般仅为抗压强度的7%－14%)、易产生裂纹、抗冲击性差等，限制了其在工程中的使用范围。这些弱点随着混凝土强度的提高显得尤为突出，因此，长期以来许多专家和学者不断探索改善混凝土性能(主要是提高抗拉性能，增强耐久性)的各种方法和途径，于是，提出了一种以传统素混凝土为基体的新型复合材料——纤维混凝土(Fiber Reinforced Concrete,简称SFRC)。
纤维混凝土最早出现于20世纪，1907年原苏联专家B. R .HekpocaaB开始用金属纤维增强混凝土。1910年，美国H. F. Porter即发表了有关短纤维增强混凝土的研究报告，建议把短纤维均匀地分散在混凝土中用以强化基体材料。1911年，美国Grahama曾把钢纤维掺入普通混凝土中得到了可以提高混凝土强度和耐久性的结论。到20世纪40年代，美、英、法、德等国科研人员先后公布了许多关于钢纤维来提高混凝土耐磨性和抗裂性、钢纤维混凝土制造工艺、改进纤维形状以提高纤维与混凝土基体的粘结强度等的研究报告。日本在第二次大战期间，由于军事需要，也曾进行过有关钢纤维混凝土方面的研究。但这些研究由于种种原因在当时均未达到实用的程度。1963年J. P. Romualdi和G. B. Batson发表了一系列关于利用钢纤维来约束混凝土裂缝开裂机理的研究报告，提出了钢纤维混凝土开裂强度决定因素，是由于拉伸应力起有效作用的钢纤维平均间距所决定的结论(即纤维间距论) [1],从而开始了这种新型复合材料的实用开发研究阶段。随着钢纤维混凝土的推广应用，美国混凝土学会增设了专门的纤维混凝土委员会(ACI 544)，国际标准化协会也增设了纤维水泥制品技术标准委员会（ISO TC 770）。1969年，美国批准了“混凝土和钢材组成的二相材料”专利，奠定了现今钢纤维混凝土技术的基础。但是由于钢纤维制作麻烦、价格昂贵，阻碍了它在实用化方面的发展。20世纪70年代，美国Batelle公司开发了熔抽技术，制造出廉价的钢纤维，为这种复
合材料在工程中的大面积推广应用创造了有利条件。此后的20多年，钢纤维混凝土在发达国家和发展中国家的开发研究受到了普遍重视，尤以日本、美国、英国进展最快。我国研究和应用钢纤维混凝土开始于20世纪70年代。近十多年来，钢纤维混凝土技术从理论到应用的发展异常迅速，在路面、机场道面、刚性防水屋面、桥面、工业建筑地面、隧道衬砌、轨枕、桩基、桥梁结构、耐火混凝土结构、防渗防水工程及修补工程等领域中得到了大面积的应用，涉及交通、矿山、水利、港口、土木建筑等许多工程领域。1991年经中国土木工程学会批准成立了纤维混凝土委员会，这标志着我国纤维混凝土技术的发展进入了一个新的阶段。1992年经中国工程建设标准化协会批准，编写了《钢纤维混凝土设计与施工规程》。在《公路水泥混凝土路面设计规范》中，也制定了钢纤维混凝土路面及旧混凝土路面加铺层的设计方法，这说明我国钢纤维混凝土的研究已从试验研究阶段发展到推广应用阶段。从1986年到2002年我国共召开了九届全国纤维水泥与纤维混凝土学术会议，1997年在广州召开了国际纤维混凝土学术会议，这标志着我国纤维混凝土工程技术取得了较大进步，已逐渐步入国际先进行列。随着国内外工程界对钢纤维混凝土研究的不断深入，钢纤维混凝土的应用日益广泛，领域不断拓宽。除建筑结构构件（如墙板、楼板、框架结构节点等）外，已成功应用到公路路面、机场跑道、桥面铺装、薄壁水管、轨枕等方面。喷射钢纤维混凝土也己广泛应用于隧道与矿山巷道衬砌、桥梁加固、水工大坝防渗面板、桩头等工程，均取得了显著的经济效益[2]。随着钢纤维混凝土材质的提高、工艺的改进、机理探讨的逐步深入，现在已开始应用于新型长大建筑结构中。美国较有代表性的应用实例为德克萨斯州胡德保坦克停车场罩面工程，由于使用了钢纤维混凝土作护面材料(施工面积为22572m2)，使用寿命由原来的3～4年提高到25年。德国法兰克福国际机场跑道使用了掺粉煤灰的钢纤维混凝土，显著减小了铺面厚度，节约了大量投资。钢纤维混凝土成功用于我国贵州乌江预应力钢纤维混凝土(PFC)吊拉组合索桥。美国李贝坝修复遭受气蚀的泄水洞，美国德活夏达坝修复泄水池边墙和底板均用聚合物钢纤维混凝土现场修补，效果良好[3]。
1.2 钢纤维混凝土的优良性能
根据纤维增强机理的各种理论和大量试验数据分析，钢纤维混凝土的性能基本上决定于基体强度、纤维长径比(指钢纤维长度与直径或等效直径的比值)、钢纤维的体积率、纤维与基体的粘结强度以及纤维在基体中的分布和取向的影响等。与普通混凝土对比，钢纤维混凝土的基本特性见表1.1[4]。
通过表1.1的对比，可以看出钢纤维混凝土具有如下优点：
（1）强度和重量的比值增大。这是纤维混凝土具有优越经济性的重要指标，也是它具有广阔应用前景的重要保证。
表1.1 钢纤维混凝土的各种特性(
V=2%)
f
性能指标同普通混凝土对比
初期裂纹强度 1.5～2.0倍
拉伸及弯曲强度 1.5～1.8倍
伸长能力约2倍
压缩强度 1.0～1.3倍
抗剪强度 2.5～3.0倍
韧性 40～200倍
抗裂、疲劳强度得到改善
抗冲击性5～10倍
耐热性、耐腐蚀性显著改善
抗冻融性显著改善
（2）抗拉强度和主要由主拉应力控制的抗剪、抗弯强度明显提高。
（3）变形性能明显改善。钢纤维混凝土弹性阶段的变形性能与其他条件相同的素混凝土没有显著差别，受压弹性模量和泊松比与素混凝土基本相同。韧性是衡量塑性变形性能的重要指标，钢纤维混凝土的韧性比素混凝土大大提高。
（4）抗裂和抗疲劳性能有较大改善。由于钢纤维对混凝土的阻裂作用，钢纤维混凝土比素混凝土具有更好的软化后性能和抗疲劳性能。
（5）具有较好的物理耐久性和化学耐久性。钢纤维混凝土在各种物理因素作用下的耐久性一般来说都有不同程度的提高，其中耐久性、耐热性和抗气蚀性有显著提高，抗渗性能与素混凝土相比没有明显变化。国内外学者作了大量的耐化学腐蚀性试验和现场暴露试验，几乎得出一致的结论：钢纤维混凝土在空气、污水和海水中都表现出良好的耐腐蚀性[5]。
1.3 钢纤维混凝土存在的问题
钢纤维混凝土经过短短几十年的发展，在理论研究和实践应用上已经取得很大的进展，但钢纤维混凝土也有其固有的缺点，综观过去，大约可作如下分析：（1）纤维增强机理尚不够完善。目前一般采用的由罗缪弟和巴特森提出的纤维间距学说和以斯威梅等人提出的混合物法则都欠完善。至今对此仍有较大的争论。钢纤维混凝土是以少量的延性材料混入脆性基体中组成的复合材料，与玻璃增强机理和连续配筋的钢筋混凝土有很大不同，复合材料中钢纤维数量很少，又是不连续随机分布的，纤维的粘结性能千差万别，这都给理论分析带来困难。由于理论尚欠完善，影响了钢纤维混凝土物理力学性能的进一步提高，也影响了对钢纤维混凝土更经济合理的利用，并影响了钢纤维混凝土的进一步发展。
（2）钢纤维和基体的粘结强度不够。由于纤维与基体间存在一层弱介面层，这是影响复合材料性能进一步提高的重要原因。钢纤维混凝土结构破坏时，钢纤维往往是被拔出而不是被拉断，纤维的增强效应并未完全发挥。因此必须进一步改善和提高纤维与基体的粘结强度，才能显著地改善复合材料的性能。
（3）钢纤维混凝土的拌和、振捣、成型比较困难。虽然目前已有不少成功经验，但实际应用时，仍会碰到不少问题。例如，现场浇筑的钢纤维混凝土性能指标，往往低于实验室里数值，尤其是抗压强度。在纤维含量较大时，常会产生抗压强度低于素混凝土强度的反常现象。钢纤维搅拌不均使钢纤维结团往往难以保证混凝土质量。而且，从目前施工水平来看，2%～2.5%的含量已达到极限，很难提高钢纤维在混凝土中的含量，因此，完善和改进施工工具及施工措施是目前急需解决的问题。
（4）钢纤维价格太高。这是影响钢纤维混凝土推广应用的主要障碍，因此，寻求改进钢纤维混凝土生产方式，充分利用钢纤维在混凝土中的增强效应，降低成本，是发展钢纤维混凝土必需解决的关键问题。
（5）钢纤维混凝土的耐久性还缺乏令人信服的数据。这个问题是大家关心的。作为结构构件，特别是水工、海港建筑物更是如此。所以，长久的耐久性试验，尤其是对实际应用工程的长期观察，仍是十分必要的[6]。
1.4 钢纤维混凝土增强基本理论综述
研究钢纤维混凝土的增强机理，是提高钢纤维对混凝土增强、增韧和阻裂效应，从本质上改善其物理、力学、化学性能，并造就材料新性能的理论基础，也是进行钢纤维混凝土性能设计的依据。只有机理弄清楚了，才能建立起性能设计和结构设计的科学方法，并达到充分发挥钢纤维与基体复合效应的目的。现有钢纤维混凝土的基本理论，是在纤维增强塑料、纤维增强金属的基础上运用和发展起来的。由于钢纤维混凝土的组成与结构的多相、多组分和非均质性，加以钢纤维的“乱向”与“短”的特性，它比纤维增强塑料等要复杂得多，如何能使增强机理充分体现其自身特性，仍在不断探讨、完善和发展之中。对钢纤维混凝土增强机理的现阶段研究，主要依据两种理论：一种是运用复合材料力学理论(混合率法则)；第二种是建立在断裂力学基础上的纤维间距理论。所有其他理论均可认为是以这两个理论为基础经综合完善而发展起来的。当今的研究又进一步深化到界面细观结构和由此而产生的界面效应、钢纤维混凝土微观结构与宏观行为的关系等。
1.4.1复合材料力学理论(混合率法则)
复合材料力学理论用于分析纤维增韧、增强混凝土时是将复合材料视为多相体系，钢纤维混凝土简化为纤维相、混凝土相的两相复合材料，复合材料的性能
为各相性能的加和值。最先将该理论用于钢纤维混凝土的有：英国的R. N. Samy, P. S. Mangat, A. C. Hannant 、美国的A. E. Naaman 等人[7]。 1.4.1.1 单向增强理论
首先研究图1.1的简单复合体，假定：
（1）纤维连续均匀平行排列，并且受力方向一致；
（2）纤维与基体粘结完好，即两者产生相同应变,无相对滑动； （3）纤维与基体均呈弹性变形，横向变形相等。
基体
ft
f ft f
图1.1复合材料受力情况简图
根据弹性叠加原理有：
fc f m F F F =+ (1.1)
式中fc F 、f F 、分别表示复合体、纤维、基体受的力。
m F 将fc fc fc F A σ=、f f f F A σ=、m m F m A σ=代入式(1.1)并除以复合体截面面积得：
CO
A (1)fc f f m m f f m f σσρσρσρσρ=+=+? (1.2)
式中 ：σ、ρ为应力、体积掺量。下标fc 、f 、分别表示复合体、纤维、基体。
m 复合体的弹性模量fc E 为应力σ对应变ε的一阶导数：
d ()d ()d ()d ()d d d d d fc f f f
f f f
m m m m m m
d fc
f
fc
f
fc
m fc m f f f fc
σρσσρρσρσσρρεερεερ????=
+
+
+
????ε 由 d d 0,0,d d d d d f m
fc f fc fc m ρρεεεεε==== 则有
d d d d d d fc f m
f m fc
f
m
σσσρρεεε=+
即 (1)fc f f m m f f m f E E E E E ρρρρ=+=+? (1.3)
当考虑纤维不连续影响时，仍假定纤维沿受力方向平行均匀分布，但纤维为短纤维分布是不连续的，考虑某一个截面的受力状态，如图1.2所示。
图1.2 不连续单向排列纤维混凝土的受力状态
这时纤维的拉力与粘结力平衡：
214
4
f l f f
f d l d π
πητσ= (1.4)
f f f
l d ση
τ= (1.5)
式中 f l 、f d —纤维长度直径；
τ—纤维与基体的粘结应力平均值； l η—有效粘结长度系数。 由式(1.2)和式(1.5)可得
(1)f fc m f l
f
l d f σσρη=?+ρ (1.6)
1.4.1.2 纤维的方向有效系数
前面的分析都是假定纤维排列方向与受力方向是一致的，但现实中纤维在混凝土中的排列和分布是随机的，当采用特殊工艺时，可能出现纤维一维定向分布，也可能是二维定向或乱向，而大多数情况下纤维混凝土是三维乱向分布的。可以设想，当纤维方向与复合体受力方向一致时，纤维增强效率最佳，而纤维方向与复合体受力方向垂直时，增强效率最小。为了描述纤维方向与增强效率的关系，提出了纤维方向有效系数的概念，用θη表示。纤维方向有效系数为所有纤维沿纤维方向上的受力在复合体受力方向上投影，和与同体积纤维按复合体受力方向定向排列时的受力之和的比值。
当纤维一维定向排列时，其与复合体受力方向夹角为θ时，方向系数
cos θηθ= (1.7)
二维随机分布时，可用图1.3的模型推导θη。
2
2
2
cos 0.637d π
θηθθπ
π
==
≈∫ (1.8)
三维随机分布时，可用图1.4所示，假定纤维分布的概率分别为θ、φ的概率相等，于是有
22
22
cos cos 4
d d 0.405(2)ππθθφηφθππ
==∫∫= (1.9)
y
图1.3纤维二维乱向分布模型 图1.4纤维三维分布模型
1.4.2 纤维间距理论
纤维间距理论是在1963年由J.P.Romualdi 和J.B.Batson 提出的。该理论建立在线弹性断裂力学的基础上，认为混凝土内部有尺度不同的微裂缝、孔隙和缺陷，在施加外力时，孔、缝部位产生大的应力集中，引起裂缝的扩展，最终导致结构破坏。在脆性基体中掺入钢纤维，提高了混凝土的抗拉强度，减少与缩小了裂缝源的尺度和数量，缓和了裂缝尖端应力集中程度，在复合材料结构形成和受力破坏的过程中，有效的提高了复合材料受力前后阻止裂缝引发与扩展的能力，达到纤维对混凝土的增强与增韧的目的。
Romualdi 先从顺向连续纤维增韧、增强混凝土入手，假定纤维沿拉力方向以棋盘状均匀分布于基体中，如图1.5a 所示。纤维间距为，裂缝半宽为，发生在纤维所围成的区域中心。在拉力作用下，邻接与裂缝的纤维周围将产生如图1.5b 所示的粘结应力分布图形。粘结应力s a τ对裂缝尖端产生一个反向的应力，从而降低裂缝尖端的应力集中程度，纤维对裂缝的扩展起约束作用。此时，裂纹尖端产生一个与基体裂纹尖端相反的应力强度因子，总应力强度因子降低为：
T f K K K σ=? (1.10)
或
()T fc IC K K στπ
=
?≤ (1.11)
式中 —复合材料实际应力强度因子
T K K σ、f K —外力作用下无纤维时应力强度因子，因纤维掺入产生相反的应力强度因子
IC K —临界应力强度因子 a —裂缝半宽
fc σ—沿纤维方向施加的均匀拉应力
τ—纤维对混凝土裂后附加应变的阻力在纤维与基体界面上产生的最大
剪应力
a)
b) 图 1.5 Romualdi 的纤维约束模型
当时，材料发生断裂破坏，根据这一理论，Romualdi
等提出纤维间距对混凝土抗拉强度有显著影响的观点。若设2
=T
I K K ≥C s a 度fc f 计算公式为
fc f =
== ( 1.12) 式中 —钢纤维混凝土临界应力强度因子
IC K Y —与裂缝形状有关的常数
K —与、有关的常数
IC K Y s —定向长纤维平均距离
Romualdi 对定向钢纤维混凝土试件进行了弯拉与劈拉试验，进一步提出钢纤维混凝土的强度只由纤维的平均间距控制的观点。
1.5 本课题提出的背景、研究的内容、方法和意义
随着我国公路建设事业的发展，水泥混凝土路面的铺筑越来越多，但混凝土是一种脆性材料，在内部和表面有许多缺陷，抗拉、抗剪和抗冲击性能均较弱。在外载及温度、湿度等自然环境因素作用下，易产生裂纹、裂缝，继而断裂破坏，影响混凝土路面的使用年限。钢纤维混凝土(简称为SFRC)是在普通混凝土中掺入乱向分布的钢纤维所形成的一种新型复合材料。它不仅具有普通混凝土的优良性能，同时由于钢纤维的存在限制了裂缝的开展，从而使原来本质上是脆性的混凝土材料呈现出很高的抗裂和裂缝滞后、大的延性和韧性、优良的抗拉、抗折、抗冲击、耐磨损、抗疲劳的特性。用钢纤维混凝土铺筑的路面面层可以明显地减薄混凝土板厚，延长缩缝间距，减少接缝数量，改善路面性能，进而减少工作量，缩短工期，减少唧泥、错台等病害，既延长使用寿命又保证行车舒适性。正是由于钢纤维混凝土上述优良特性，使其在许多路面工程领域中得到了应用，钢纤维混凝土面板一般应用于公路路面、机场跑道、桥面、停车场和收费站广场等场所。
然而，钢纤维混凝土固有的缺陷却在另一方面限制了钢纤维的发展，由于钢纤维混凝土不易搅拌均匀，在搅拌过程中纤维易结团，影响钢纤维混凝土的质量，特别是每立方混凝土需掺钢纤维80kg-120kg，昂贵的钢纤维增加了工程的造价让业主难以接受，这些因素严重地制约了钢纤维混凝土在路面工程中的应用。为此，必须探索一种技术可行，施工方便，经济合理的新型钢纤维混凝土路面结构形式，为推广钢纤维在混凝土路面运用创造良好的条件。
鉴于混凝土路面板的底层和表层拉应力最大[6]，如能将钢纤维混凝土分层布置在表层和底层，而中间仍采用素混凝土（Normal Concrete,简称NC），可以充分地发挥钢纤维在混凝土中的作用。为此，湖北省公路局、武汉东州科技发展公司和武汉理工大学联合提出了层布式钢纤维混凝土路面结构(Layer Steel Fiber Reinforced Concrete，简称LSFRC)，即把少量钢纤维均匀分布于路面板的上下表层一定厚度内，而中间仍为素混凝土[8]。这种钢纤维混凝土路面结构在不影响其力学性能的条件下却明显地降低了钢纤维的用量，同时也避免了钢纤维混凝土在搅拌过程时易出现纤维结团现象，并为使用高长径比钢纤维提供了条件。这种路面建造技术已在湖北、湖南、江西、浙江、河南、陕西几十处公路路段上进行了试点或应用，效果良好[9]。由于层布式钢纤维混凝土路面结构的研究还处于起步阶段，因此，对这一种全新的路面结构进行相关的理论研究，为推广其在路面工程运用提供科学依据与实践经验是我们需要紧迫做的工作。
本文主要从力学角度出发研究层布式钢纤维混凝土及其路面结构的力学性能。主要研究内容有：
（1）通过试验对比，研究水灰比、钢纤维体积掺量和钢纤维长径比对层布式钢纤维混凝土抗压、抗劈裂及抗折性能的影响规律，并同时观察其破坏形态。
（2）采用三点弯曲试验研究层布式钢纤维混凝土的断裂性能，研究钢纤维体积掺量和钢纤维长径比对断裂性能的影响规律。
（3）建立力学模型，对层布式钢纤维混凝土路面进行行车荷载路面力学分析，为层布式钢纤维混凝土路面设计提供理论基础。
（4）结合试验结果，简要探讨层布式钢纤维混凝土路面施工方法及相关质量保证措施。
期望通过这些工作能较全面地了解层布式钢纤维混凝土及其路面结构的性能并有助于工程实际应用。
第二章 层布式钢纤维混凝土基本力学性能试验研究 2.1 概述
本章主要通过混凝土抗压、抗劈裂和抗折试验，并描绘出抗折试验的荷载-
挠度全曲线，分析层布式钢纤维混凝土的力学性能。阐述水灰比、钢纤维体积掺
量和长径比对层布式钢纤维混凝土力学性能的影响规律，并通过对比同条件下层
布式钢纤维混凝土与素混凝土和钢纤维混凝土的力学性能，了解层布式钢纤维混
凝土相对于其它两种混凝土的不同特性及优缺点，阐述了层布式钢纤维混凝土的
增强与增韧基理。同时，建立层布式钢纤维混凝土弯拉梁理论模型，通过理论结
果与试验结果比较，确定模型结构参数，为层布式钢纤维混凝土路面力学分析提
供理论基础。
2.2 原材料
(1) 水泥：湘乡韶峰水泥厂生产的P.O32.5普通硅酸盐水泥；
(2) 细骨料：为湘江河沙，细度模数为2.8，含泥量为0.3%；
(3) 粗骨料：为5mm-20mm连续级配卵石，来自湘江；
(4) 水：普通自来水；
(5) 钢纤维：株洲南方钢纤维有限责任公司生产的波纹型钢纤维，钢纤维具
体指标见表2.1。
表2.1 钢纤维指标检测数据
序号检验项目标准要求检测结果
1 抗拉强度(MPa) ≥600 685
30±10% 30.8
2 长度(mm)
±10% 0.67
3 等效直径(mm) 0.65
4 弯曲性能(弯心3mm)冷弯90o，9/10不断10/10不断
2.3 试件制作及配合比
本次试验试件尺寸为：抗压、劈裂试验试件为150mm×150mm×150mm的立
方体，四点弯曲抗折试验试件为150mm×150mm×550mm的棱柱体。层布式钢纤
维混凝土试件制作如下：(1) 按设计配合比搅拌混凝土试料；(2) 将少量试料平铺
于试模底部，稍振密实整平，形成约2cm后的混凝土层；(3) 将称好的钢纤维均
匀二维乱向地铺撒在整平的混凝土表面上；(4) 继续向试模内添加试料，注意不要碰乱钢纤维，要求直至振实抹平后混凝土上表面离试模顶部约2cm左右为止；
(5 )铺撒第二层钢纤维，添入少量混凝土，振实抹平收浆；(6) 24小时后拆模，将试块放入标准养护室内养护28天，准备试验。
试验采用两种水灰比为0.40和0.45，层布式钢纤维混凝土钢纤维体积掺量在1%-3%之间，体积掺量按其增强层厚的2cm折算，即若掺量为1%，则立方体试块每层撒布钢纤维重量计算公式为：撒布面积 (0.15 m×0.15m)×折算厚度(0.02m)×体积掺量(1.0%)×钢纤维密度(7800kg/m3)=35g。钢纤维长径比为40、80、120。试验配合比均参照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2000)[10]和《钢纤维混凝土试验方法标准》(CECS13：89)[11]进行，试验配合比见表2.2及表2.3所示。
表2.2 水灰比为0.45时各试件材料质量配合比
试件编号
水泥
(kg/m3)
细骨料
(kg/m3)
粗骨料
(kg/m3)
水
(kg/m3)
钢纤维
(kg/m3)
NC 400 561
1309
180 0 SFRC1.5-40 444 771 1109 200 120 LSFRC1.0-40 400 561 1309 180 21 LSFRC1.5-40 400 561 1309 180 31.5 LSFRC2.0-40 400 561 1309 180 42 LSFRC2.5-40 400 561 1309 180 52.5 LSFRC3.0-40 400 561 1309 180 63 LSFRC1.5-80 400 561 1309 180 31.5 LSFRC1.5-120 400 561 1309 180 31.5
表2.3 水灰比为0.40时各试件材料质量配合比
试件编号水泥(kg/m3) 细骨料
(kg/m3)
粗骨料
(kg/m3)
水
(kg/m3)
钢纤维
(kg/m3)
NC 450 582
1238
180 0 SFRC1.5-40 500 750 1080 200 120 LSFRC1.0-40 450 582 1238 180 21 LSFRC1.5-40 450 582 1238 180 31.5 LSFRC2.0-40 450 582 1238 180 42 LSFRC2.5-40 450 582 1238 180 52.5 LSFRC3.0-40 450 582 1238 180 63 LSFRC1.5-80 450 582 1238 180 31.5 LSFRC1.5-120 450 582 1238 180 31.5
备注：编号中NC 代表素（普通）混凝土，SFRC 代表钢纤维混凝土，LSFRC 代表层布式钢纤维混凝土，“-”前面的数字为钢纤维体积掺量百分比，后面数字为钢纤维长径比。
2.4 试验原理与方法简述
2.4.1 抗压试验
抗压试验强度按下式计算
max
,fc cu F f A
=
(2.1) 式中：
,fc cu f —钢纤维混凝土立方体抗压强度(MPa)
max F —最大荷载(N)
A —试件承受面积(mm 2)
2.4.2 劈裂试验
劈裂试验装置如图2.1所示。其中垫条为钢质弧形垫条，在垫条与试件之间应垫木质垫板，它的宽为15mm-20mm ，厚约为3.4mm,长度应小于试件的边长，并且不得重复使用。
木质垫板
图2.1 劈裂试件安放简图
如图2.1所示，在施加载荷的时候，通过弧形垫条及垫板的作用会在试件中间与上下两垫板垂直的截面上产生了一条线载荷，该线载荷在靠近垫板的附近为压力，但是由于垫板本身具有一定的厚度，所以此压力不会使试件发生局部承压破坏。但在该断面远离上下两垫板的中部会产生均匀的水平方向上的拉应力，当拉应力达到混凝土抗拉强度时，试件沿中间的垂直截面就会被劈裂断裂。此时应力值就是钢纤维混凝土的劈裂抗拉强度。根据弹性理论，此拉应力值可按式 2.2进行计算[12]。
2
20.637t P P
R a A π=
=
(2.2) 其中
t R ——混凝土劈裂抗拉强度(MPa)
P ——最大荷载
a ——劈裂抗拉立方体试件的边长 A ——试件的劈裂面积，2A a =
2.4.3 抗折试验
四点弯曲抗折试验装置示意图见图 2.3。四分点加载时，最大弯矩发生在两加载点之间，其破坏断面随机地发生在此区间最薄弱的部位。采用这种加载方法，在两个集中荷载之间的区段没有剪力，形成纯弯矩段，弯矩为M 且保持不变，即
/6M PL =。根据纯弯矩段梁断面内应力分布计算的三个基本假设：(1)中性轴上、下的压应变为线性变化；(2) 中性轴上、下压应力和拉应力为线性变化；(3) 拉伸弹性模量等于压缩弹性模量。由此可得矩形断面梁的抗折强度计算公式为[12][13]
2
f PL
R bh =
(2.3) 式中
f R —混凝土抗折强度(MPa) P —抗折强度试验破坏荷载(N) L —支座间距(mm) h —梁断面高度(mm) b —梁断面的宽度(mm)
图2.3 抗折试验示意图
所有力学试验均遵照《普通混凝土力学性能试验方法》(GB50081-2002)进行，试件测试时要求收浆面朝上。抗压，抗劈裂试验均在SYS—2000型数显试验机(图
2.4)上进行，四点弯曲抗折试验在WAW-Y300微机控制电液伺服万能试验机(图2.5)上进行，并通过数据处理设备自动采集试验数据和绘出荷载-挠度全曲线图。
图2.4 SYS—2000型数显试验机图2.5 WAW-Y300微机控制电液
伺服万能试验机
2.5试验结果与分析
混凝土力学性能试验结果见表2.4
表2.4 层布式钢纤维混凝土配合比及力学性能试验结果
试件编号砂率水灰比
(W/C) 抗压强
度/MPa
劈裂强
度/MPa
抗折强
度MPa
NC 0.30
0.45
25.8 2.13 3.71 SFRC1.5-40 0.41 0.45 26.4 2.88 4.84 LSFRC1.0-40 0.30 0.45 26.6 2.20 4.26 LSFRC1.5-40 0.30 0.45 27.5 2.32 4.44 LSFRC2.0-40 0.30 0.45 27.8 2.41 4.70 LSFRC2.5-40 0.30 0.45 27.1 2.48 5.02 LSFRC3.0-40 0.30 0.45 26.5 2.55 4.85 LSFRC1.5-80 0.30 0.45 27.2 2.48 5.04 LSFRC1.5-120 0.30 0.45 27.5 2.56 5.17 NC 0.32
0.40
34.7 2.61 4.84 SFRC1.5-40 0.41 0.40 35.6 3.58 6.94 LSFRC1.0-40 0.32 0.40 35.2 2.88 6.0 LSFRC1.5-40 0.32 0.40 35.8 2.94 6.31 LSFRC2.0-40 0.32 0.40 35.4 3.01 6.55 LSFRC2.5-40 0.32 0.40 35.9 3.21 7.33 LSFRC3.0-40 0.32 0.40 36.3 3.30 7.0 LSFRC1.5-80 0.32 0.40 35.8 3.26 6.96 LSFRC1.5-120 0.32 0.40 36.0 3.37 7.54
2.5.1 抗压试验分析
由表2.4和图2.6可以看出，层布式钢纤维混凝土的抗压强度虽较素混凝土 有一定的提高，但增加的幅度并不明显，钢纤维体积掺量与长径比对抗压强度也影响甚微，层布式钢纤维混凝土的抗压强度还是取决于混凝土基材的本身性能。
16
1820222426283032343638404244
C o m p r e s s i v S t r e n g t h /M P a
Volumertric Fraction of Steel Fiber/%
图2.6 钢纤维体积掺量和抗压强度关系
2.5.2 劈裂试验分析
根据表2.4结果，可以得出以下结论：
（1）层布式钢纤维混凝土的劈裂强度比相应的素混凝土的劈裂强度均有所提高。
（2）相同钢纤维长径比下，随着钢纤维体积掺量的增加，层布式钢纤维混凝土的劈裂强度也随着增加(图2.7)，当W/C=0.4时，钢纤维体积掺量为(1.0、1.5、
2.0、2.5、
3.0)%时较素混凝土提高了(10.34、12.64、15.32、22.99、26.44)%，当W/C=0.45时，钢纤维体积掺量为(1.0、1.5、2.0、2.5、3.0)%时较素混凝土提高了(3.2、8.9、13.14、
16.43、19.12)%。在此也可以看出较低水灰比混凝土比较高水灰比的混凝土能使钢纤维增强效应更好。
1.6
1.8
2.02.22.42.62.8
3.03.2
3.4S p l i t t i n g S t r e n g t h /M P a
Volumertric Fraction of Steel Fiber
图2.7 钢纤维体积掺量和劈裂强度关系