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摘要：文中主要介绍了聚丙烯腈纤维砼的特性，结合怀通（怀化——通道）高速公路隧道的聚丙烯腈纤维砼面层施工实例，说明了聚丙烯腈纤维砼在隧道水泥砼路面滑模摊铺施工中的配合比设计、原材料、拌合、运输及摊铺的质量控制。
关键词：公路；隧道；聚丙烯腈纤维砼；路面；滑模摊铺；质量控制
Abstract: this paper mainly introduces the polyacrylonitrile fibers of the concrete properties, with bosom tong (huaihua city-channel) highway tunnel polyacrylonitrile fibers concrete surface construction example, showing the polyacrylonitrile fibers in the tunnel concrete paving cement concrete road surface sliding mode in the construction of the mix proportion design, raw materials, white, transportation and paving quality control.
Keywords: highway; Tunnel; Polyacrylonitrile fiber concrete; Pavement; Sliding mode paving; Quality control
中图分类号：X734文献标识码：A 文章编号：
随着我国高速公路建设的快速发展，各种纤维砼在高速公路建设中得以广泛使用。雪峰山隧道为在建怀通（怀化——通道）高速公路湖南境内怀通段一座四车道高速公路隧道，隧道路面结构设计为27cm聚丙烯腈纤维砼面层。聚丙烯腈纤维掺量为1.0kg/m³，设计弯拉强度为5.0MPa。
1聚丙烯腈纤维砼的特性及配合比设计
1.1聚丙烯腈纤维砼的特性
聚丙烯腈纤维化学性质稳定，仅通过改变砼的物理结构面改善砼的性能，其纤维本身与砼其他材料不发生任何化学反应。聚丙烯腈纤维在砼中的作用主要有以下三点：
1）大幅度提高砼的抗裂能力，可以基本清除砼塑性裂缝、干缩裂缝和温缩裂缝。
2）有效提高砼的抗渗、抗冻性能。掺入聚丙烯腈纤维后由于有效地降低了砼的孔隙率，避免了连通细孔的形成，因而提高了砼的抗渗、抗冻性能。
3）增强砼的抗冲磨能力，明显减少砼的起尘、磷状片状破落等破损现象。
1.2聚丙烯腈纤维砼配合比设计注意事项
1）聚丙烯腈纤维与骨料、水泥等材料拌和后，纤维主要存在于砼的水泥砂浆中，因纤维对砂浆的牵引作用，拌和后的砼砂浆与粗骨料容易产生离析，和易性较差。此问题可以通过在普通砼基础上增加砂率1%~2%或采用中粗砂来解决，大幅增加砂率，使其在装车、运输过程中减少离析，因为纤维砼摊铺时不宜进行细观构造深度处理，加大砂率和采用中粗砂也有增加细观构造深度的作用。
2）聚丙烯腈纤维对砼单位用水量及抗折强度的影响。隧道设计采用深圳海川工程路威2002—Ⅱ型1.5dtex聚丙烯腈纤维，纤维长度为12mm。该纤维与水有很好的亲合性，与水相合稍作搅拌就能均匀悬浮于水中。1kg纤维在砼中可形成5.7亿根单丝纤维，其表面积和可达200~300m²。纤维参与砼搅拌后要吸附大量的自由水（1kg纤维和吸附5~6kg水），因而能明显降低砼的坍落度。聚丙烯腈纤维对砼的单位用水量及抗折强度的影响见表1~4.
由表1可见，在砼单位用水量不变的情况下，随着纤维掺量的增加，砼坍落度显著下降。证明纤维在砼中吸附了自由水分，降低了砼的工作性能。
由表2可见，在保证砼坍落度基本相同情况下，随着纤维掺量的增加而调整单位用水量，可得到不同纤维掺量下可吸附的自由水分量。随着纤维掺量的增加，砼28d抗折强度增长幅度不大。可见水灰比增加对强度的损失降低了纤维对砼的增强。
由表3可见，在保证砼坍落度基本相同情况下，随着纤维掺量的增加调整减水剂掺量，砼抗折强度显著增加。纤维掺量为0.5%、1.0%、1.5%时，抗折强度分别增长4.5%、10.4%、14.6%。
由表4可见，在保证砼坍落度和水灰比相同情况下，随着纤维掺量的增加而调整单位用水量，砼抗折强度显著增加。纤维掺量为0.5%、1.0%、1.5%时抗折强度分别增长4.8%、14.2%18.9%。
从表2~4可知，纤维掺量1.0kg/m³时，砼抗折强度的增长幅度最大，从纤维增强抗折强度方面来讲，掺量1.0kg/m³是非常经济合理的。
3）聚丙烯腈纤维砼坍落度控制在30~40mm为最佳，因为纤维在砼中吸附的自由水并不与纤维发生化学反应，除与水泥发生水化反应所需水分外剩余的自由水存在于砼中均会影响其强度。
4）为改善聚丙烯腈纤维砼的和易性，要求掺入减水剂和引气剂或只掺引气型减水剂，即使对砼没有抗冻性要求也應掺入引气剂。因纤维在砼中降低了其和易性，掺入引气剂后，将显著降低水的表面张力，使砼拌和过程中形成大量微细气泡，从而减小纤维对砼砂浆的牵引作用，达到改善砼和易性的目的。引气剂掺量通过测定砼含气量来确定，对最大公称粒径为26.5mm且无抗冻性要求的砼，含气量控制在（3.5±0.5）%即可。本工程聚丙烯腈纤维砼含气量为3.8%。在聚丙烯腈砼中按超量替代法掺入一定粉煤灰也能有效改善砼的和易性。
表1在用水量相同情况下不同纤维掺量对砼坍落度的影响
注：减水剂用量为水泥用量的百分比，其他表相同
表2在坍落度相同情况下不同纤维掺量和用水量对砼强度的影响
表3在坍落度相同情况下不同纤维掺量和减水剂对砼强度的影响
表4在坍落度和水灰比相同情况下不同纤维掺量对砼强度的影响
2原材料
粗集料：湖南怀化永胜碎石厂生产的石灰石碎石，最大公称粒径为26.5mm，采用26.5~16mm、16~9.5mm、4.75~16mm三级备料。粗集料各项技术指标均达到Ⅱ级。
细集料：湖南怀化九龙砂场生产的天然河砂，细度模数在3.23.砂各项技术指标均达到Ⅱ级。
水泥：采用湖南省韶峰集团生产的韶峰牌P.O52.5水泥。
粉煤灰：湖南省湘潭电厂出产的Ⅱ级散装粉煤灰，细度为14.5%，烧矢量为4.2%，含水率为0.5%，需水量比为92%。
减水剂：湖南省湘潭宏远减水剂厂生产的HF—100高效减水剂，减水剂掺量为0.6%时实际减水率为15%。选定减水剂品种前，因水泥中的碱含量、硬石膏及混合材对减水剂吸附性影响较大，必须对减水剂与所用的水泥进行适应性检验，通过检测砼实际减水率、凝结时间、坍落度损失等指标来选定合适的减水剂，宜采用萘系或聚羚酸系列减水剂。本工程采用改性萘系高效减水剂。
引气剂：湖南省湘潭宏远减水剂厂生产的AE型引气剂。
聚丙烯腈纤维：路威2002—Ⅱ型网状纤维，线密度为1.44dtex，断裂强度为535MPa，断裂强力CV为21.52%，断裂伸长率为12.3%，断裂伸长率CV为15.08%，模量为12292MPa。
3聚丙烯腈纤维砼的搅拌
聚丙烯腈纤维砼搅拌时，先投入纤维、碎石和河砂，通过粗糙碎石的搅拌将纤维由束状变成单丝状，再加入水泥、水搅拌，使其均匀分布在砼砂浆中，此时无需另外延长搅拌时间即可将纤维搅拌均匀。如果纤维在各种原材料均投入后湿拌时加入，则要根据纤维的亲水性、搅拌站的搅拌方式与功率适当延长搅拌时间。新拌纤维砼可用手扳开目测纤维是否成单丝状并均匀分布来验证搅拌效果。
本工程采用德国M2型双卧连续搅拌站，投料顺序及搅拌时间如图1所示，砼搅拌后的纤维均呈单丝状均匀分布。纤维计量科根据设计用量计算出每拌砼纤维掺量，并可要求厂家按每拌砼纤维掺量包装成小包，投入时只需一拌一包，方便快捷。纤维掺量采用总量控制法，每天统计砼生产方量和纤维使用数量进行核算。
4聚丙烯腈纖维砼运输
本工程为山区高速公路，为保证砼在运输途中质量不受损失，采取如下四点措施：
1）运送砼的车辆装料前清净车厢，洒水湿润，排干积水。装料时，自卸车挪动车位，防止离析。
2）砼运输过程中保证路面畅通，路面接头填顺，减小运输车辆颠簸，防止砼的离析和自密，避免给砼卸料造成很大的难度。
3）烈日、大风、雨天和低温天气远距离运输时，用篷布等遮盖砼。
4）砼运输中坍落度损失控制在1cm以内，要求厂家在减水剂中添加保坍剂和缓凝剂来改善。
5聚丙烯腈纤维砼滑模摊铺
聚丙烯腈纤维砼滑模摊铺工艺与普通砼基本相同，在施工过程中控制以下二点：
1）由于聚丙烯腈纤维对砼坍落度的影响，砼拌和坍落度宜控制在2.5~4cm，坍落度损失控制在1cm左右，现场坍落度宜控制在1.5~3cm。因为施工现场纤维砼稠度较大，操作滑模摊铺机应缓慢、匀速，振捣频率宜采用8000~11000r/min。施工现场聚丙烯腈纤维砼坍落度为1.5cm左右时，砼稍许有点干涩，但并无影响，振捣后较容易提浆，不会出现蜂窝麻面。
2）聚丙烯腈纤维砼细观抗滑构造施工与普通砼有所不同。一般砼在振捣密实并通过抹平器抹平后，表面浮有3mm后砂浆，而纤维主要存在于砼砂浆中，如果采用普通砼施工工艺进行习惯抗滑构造深度处理，拖布会拖起表面砂浆中的纤维并呈团状分布在砼面板表面，既影响砼美观，也违背了砼添加纤维防止砼表面收缩裂缝的初衷。对纤维砼，在细观抗滑构造施工时应采用一层抗渗土工布（光滑面接触砼表面）或加厚薄膜洒水湿润后作拉毛处理，布片接触路面的长度以5~10cm为宜，主要作用为消除砼表面砂浆因抹平器抹平后留下的滑动痕迹，而对细观抗滑构造处理为次要，细观构造深度只能通过采用中粗砂和加大砂率来实现。
6结语
隧道路面摊铺完工后对路面裂缝进行全面调查，均未发现断板和表面微裂缝。实践证明，聚丙烯腈纤维大大提高了砼抗裂能力，路面钻芯取样进行劈裂强度实验，将结果换算成弯拉强度，达到6.5MPa。
参考文献：
[1]JTG F—2003，公路水泥混凝土路面施工技术规范[S].
[2]CECS 38:2004，纤维混凝土结构技术规程[S].
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：公路；隧道；聚丙烯腈纤维砼；路面；滑模摊铺；质量控制
Abstract: this paper mainly introduces the polyacrylonitrile fibers of the concrete properties, with bosom tong (huaihua city-channel) highway tunnel polyacrylonitrile fibers concrete surface construction example, showing the polyacrylonitrile fibers in the tunnel concrete paving cement concrete road surface sliding mode in the construction of the mix proportion design, raw materials, white, transportation and paving quality control.
Keywords: highway; Tunnel; Polyacrylonitrile fiber concrete; Pavement; Sliding mode paving; Quality control
中图分类号：X734文献标识码：A 文章编号：
随着我国高速公路建设的快速发展，各种纤维砼在高速公路建设中得以广泛使用。雪峰山隧道为在建怀通（怀化——通道）高速公路湖南境内怀通段一座四车道高速公路隧道，隧道路面结构设计为27cm聚丙烯腈纤维砼面层。聚丙烯腈纤维掺量为1.0kg/m³，设计弯拉强度为5.0MPa。
1聚丙烯腈纤维砼的特性及配合比设计
1.1聚丙烯腈纤维砼的特性
聚丙烯腈纤维化学性质稳定，仅通过改变砼的物理结构面改善砼的性能，其纤维本身与砼其他材料不发生任何化学反应。聚丙烯腈纤维在砼中的作用主要有以下三点：
1）大幅度提高砼的抗裂能力，可以基本清除砼塑性裂缝、干缩裂缝和温缩裂缝。
2）有效提高砼的抗渗、抗冻性能。掺入聚丙烯腈纤维后由于有效地降低了砼的孔隙率，避免了连通细孔的形成，因而提高了砼的抗渗、抗冻性能。
3）增强砼的抗冲磨能力，明显减少砼的起尘、磷状片状破落等破损现象。
1.2聚丙烯腈纤维砼配合比设计注意事项
1）聚丙烯腈纤维与骨料、水泥等材料拌和后，纤维主要存在于砼的水泥砂浆中，因纤维对砂浆的牵引作用，拌和后的砼砂浆与粗骨料容易产生离析，和易性较差。此问题可以通过在普通砼基础上增加砂率1%~2%或采用中粗砂来解决，大幅增加砂率，使其在装车、运输过程中减少离析，因为纤维砼摊铺时不宜进行细观构造深度处理，加大砂率和采用中粗砂也有增加细观构造深度的作用。
2）聚丙烯腈纤维对砼单位用水量及抗折强度的影响。隧道设计采用深圳海川工程路威2002—Ⅱ型1.5dtex聚丙烯腈纤维，纤维长度为12mm。该纤维与水有很好的亲合性，与水相合稍作搅拌就能均匀悬浮于水中。1kg纤维在砼中可形成5.7亿根单丝纤维，其表面积和可达200~300m²。纤维参与砼搅拌后要吸附大量的自由水（1kg纤维和吸附5~6kg水），因而能明显降低砼的坍落度。聚丙烯腈纤维对砼的单位用水量及抗折强度的影响见表1~4.
由表1可见，在砼单位用水量不变的情况下，随着纤维掺量的增加，砼坍落度显著下降。证明纤维在砼中吸附了自由水分，降低了砼的工作性能。
由表2可见，在保证砼坍落度基本相同情况下，随着纤维掺量的增加而调整单位用水量，可得到不同纤维掺量下可吸附的自由水分量。随着纤维掺量的增加，砼28d抗折强度增长幅度不大。可见水灰比增加对强度的损失降低了纤维对砼的增强。
由表3可见，在保证砼坍落度基本相同情况下，随着纤维掺量的增加调整减水剂掺量，砼抗折强度显著增加。纤维掺量为0.5%、1.0%、1.5%时，抗折强度分别增长4.5%、10.4%、14.6%。
由表4可见，在保证砼坍落度和水灰比相同情况下，随着纤维掺量的增加而调整单位用水量，砼抗折强度显著增加。纤维掺量为0.5%、1.0%、1.5%时抗折强度分别增长4.8%、14.2%18.9%。
从表2~4可知，纤维掺量1.0kg/m³时，砼抗折强度的增长幅度最大，从纤维增强抗折强度方面来讲，掺量1.0kg/m³是非常经济合理的。
3）聚丙烯腈纤维砼坍落度控制在30~40mm为最佳，因为纤维在砼中吸附的自由水并不与纤维发生化学反应，除与水泥发生水化反应所需水分外剩余的自由水存在于砼中均会影响其强度。
4）为改善聚丙烯腈纤维砼的和易性，要求掺入减水剂和引气剂或只掺引气型减水剂，即使对砼没有抗冻性要求也應掺入引气剂。因纤维在砼中降低了其和易性，掺入引气剂后，将显著降低水的表面张力，使砼拌和过程中形成大量微细气泡，从而减小纤维对砼砂浆的牵引作用，达到改善砼和易性的目的。引气剂掺量通过测定砼含气量来确定，对最大公称粒径为26.5mm且无抗冻性要求的砼，含气量控制在（3.5±0.5）%即可。本工程聚丙烯腈纤维砼含气量为3.8%。在聚丙烯腈砼中按超量替代法掺入一定粉煤灰也能有效改善砼的和易性。
表1在用水量相同情况下不同纤维掺量对砼坍落度的影响
注：减水剂用量为水泥用量的百分比，其他表相同
表2在坍落度相同情况下不同纤维掺量和用水量对砼强度的影响
表3在坍落度相同情况下不同纤维掺量和减水剂对砼强度的影响
表4在坍落度和水灰比相同情况下不同纤维掺量对砼强度的影响
2原材料
粗集料：湖南怀化永胜碎石厂生产的石灰石碎石，最大公称粒径为26.5mm，采用26.5~16mm、16~9.5mm、4.75~16mm三级备料。粗集料各项技术指标均达到Ⅱ级。
细集料：湖南怀化九龙砂场生产的天然河砂，细度模数在3.23.砂各项技术指标均达到Ⅱ级。
水泥：采用湖南省韶峰集团生产的韶峰牌P.O52.5水泥。
粉煤灰：湖南省湘潭电厂出产的Ⅱ级散装粉煤灰，细度为14.5%，烧矢量为4.2%，含水率为0.5%，需水量比为92%。
减水剂：湖南省湘潭宏远减水剂厂生产的HF—100高效减水剂，减水剂掺量为0.6%时实际减水率为15%。选定减水剂品种前，因水泥中的碱含量、硬石膏及混合材对减水剂吸附性影响较大，必须对减水剂与所用的水泥进行适应性检验，通过检测砼实际减水率、凝结时间、坍落度损失等指标来选定合适的减水剂，宜采用萘系或聚羚酸系列减水剂。本工程采用改性萘系高效减水剂。
引气剂：湖南省湘潭宏远减水剂厂生产的AE型引气剂。
聚丙烯腈纤维：路威2002—Ⅱ型网状纤维，线密度为1.44dtex，断裂强度为535MPa，断裂强力CV为21.52%，断裂伸长率为12.3%，断裂伸长率CV为15.08%，模量为12292MPa。
3聚丙烯腈纤维砼的搅拌
聚丙烯腈纤维砼搅拌时，先投入纤维、碎石和河砂，通过粗糙碎石的搅拌将纤维由束状变成单丝状，再加入水泥、水搅拌，使其均匀分布在砼砂浆中，此时无需另外延长搅拌时间即可将纤维搅拌均匀。如果纤维在各种原材料均投入后湿拌时加入，则要根据纤维的亲水性、搅拌站的搅拌方式与功率适当延长搅拌时间。新拌纤维砼可用手扳开目测纤维是否成单丝状并均匀分布来验证搅拌效果。
本工程采用德国M2型双卧连续搅拌站，投料顺序及搅拌时间如图1所示，砼搅拌后的纤维均呈单丝状均匀分布。纤维计量科根据设计用量计算出每拌砼纤维掺量，并可要求厂家按每拌砼纤维掺量包装成小包，投入时只需一拌一包，方便快捷。纤维掺量采用总量控制法，每天统计砼生产方量和纤维使用数量进行核算。
4聚丙烯腈纖维砼运输
本工程为山区高速公路，为保证砼在运输途中质量不受损失，采取如下四点措施：
1）运送砼的车辆装料前清净车厢，洒水湿润，排干积水。装料时，自卸车挪动车位，防止离析。
2）砼运输过程中保证路面畅通，路面接头填顺，减小运输车辆颠簸，防止砼的离析和自密，避免给砼卸料造成很大的难度。
3）烈日、大风、雨天和低温天气远距离运输时，用篷布等遮盖砼。
4）砼运输中坍落度损失控制在1cm以内，要求厂家在减水剂中添加保坍剂和缓凝剂来改善。
5聚丙烯腈纤维砼滑模摊铺
聚丙烯腈纤维砼滑模摊铺工艺与普通砼基本相同，在施工过程中控制以下二点：
1）由于聚丙烯腈纤维对砼坍落度的影响，砼拌和坍落度宜控制在2.5~4cm，坍落度损失控制在1cm左右，现场坍落度宜控制在1.5~3cm。因为施工现场纤维砼稠度较大，操作滑模摊铺机应缓慢、匀速，振捣频率宜采用8000~11000r/min。施工现场聚丙烯腈纤维砼坍落度为1.5cm左右时，砼稍许有点干涩，但并无影响，振捣后较容易提浆，不会出现蜂窝麻面。
2）聚丙烯腈纤维砼细观抗滑构造施工与普通砼有所不同。一般砼在振捣密实并通过抹平器抹平后，表面浮有3mm后砂浆，而纤维主要存在于砼砂浆中，如果采用普通砼施工工艺进行习惯抗滑构造深度处理，拖布会拖起表面砂浆中的纤维并呈团状分布在砼面板表面，既影响砼美观，也违背了砼添加纤维防止砼表面收缩裂缝的初衷。对纤维砼，在细观抗滑构造施工时应采用一层抗渗土工布（光滑面接触砼表面）或加厚薄膜洒水湿润后作拉毛处理，布片接触路面的长度以5~10cm为宜，主要作用为消除砼表面砂浆因抹平器抹平后留下的滑动痕迹，而对细观抗滑构造处理为次要，细观构造深度只能通过采用中粗砂和加大砂率来实现。
6结语
隧道路面摊铺完工后对路面裂缝进行全面调查，均未发现断板和表面微裂缝。实践证明，聚丙烯腈纤维大大提高了砼抗裂能力，路面钻芯取样进行劈裂强度实验，将结果换算成弯拉强度，达到6.5MPa。
参考文献：
[1]JTG F—2003，公路水泥混凝土路面施工技术规范[S].
[2]CECS 38:2004，纤维混凝土结构技术规程[S].
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。