美国高新技术软纤维——路面加强筋在中国的推广与发展

摘要：本文着重介绍了两种应用于砼路面和沥青砼路面的软纤维加强筋。通过对不同类型软纤维的比较，以及纤维砼和纤维沥青砼混凝土在中国的应用报告和工程案例来说明软纤维加强筋作为新型路面添加材料的重要性和未来的发展。

关键词：纤维网（Fibermesh®/Fibernet™） 博尼维（BoniFiber®） 纤维加强筋 纤维混凝土 网状聚丙烯纤维 聚酯纤维 S-152高性能聚合纤维

一． 前言

    随着中国公路交通的发展、交通量的增大、轴重增加、交通渠化等对高等级公路、重点桥面隧道、市政交通，收费站等主要路面都提出了更高的要求。目前加强砼及沥青砼路面，改善砼路面的使用品质，延长路面的使用寿命，提高投资效益是中国交通部门所面临的重要课题。参考国外的发展动态和作法，借鉴国外先进路面技术，引进国外路面新材料，是"事半功倍"的有效捷径。

    软纤维加强砼及沥青砼实际上就是掺入合成纤维的砼及沥青砼。早在30年前，英国西部海岸工程中就把剁碎的聚丙烯掺入到混凝土块体中。用这些块体砌成防坡堤。在中国民间，人们就把麦秆剁碎、用切断的毛发搅拌到泥土中，建造土坯墙体等工程。其原理都是解决块体/墙体的非结构性开裂，并起到加强筋作用。直到20世纪70年代末，80年代初纤维混凝土技术才有进一步的发展，欧洲和美国取得了一系列有价值的成果，尤其在美国已进入了商品化阶段。

    美国高新技术软纤维--砼及沥青砼路面加强筋：

    ⑴纤维网（Fibermesh®/Fibernet™）--混凝土聚丙烯纤维次要加强筋

    ⑵博尼维（BoniFiber®）--沥青混凝土聚酯纤维加强筋

是二十世纪八十年代美国的专利产品。九十年代中期由西安博赛特公司引入中国并开始推广应用。

二．纤维混凝土路面

    纤维加强混凝土，即：混凝土纤维加强筋，其应用机理早已被混凝土工程界认同。本文不再赘述，而纤维的种类、纤维的材料一直是国内外工程界人士研究的课题。按纤维的种类划分，通常分为硬纤维和软纤维。硬纤维是由不同工艺制作的拉、拔、扎、切钢纤维；软纤维是由合成纤维制成，按其材料分为玻璃纤维，尼伦纤维，聚丙烯纤维等。经过国内外众多专业工程师多年来对不同种类纤维的应用研究，并对其使用效果跟踪、调查，归纳总结如下：

1．钢纤维

    钢纤维虽然具有高强度、耐高温、高弯曲弹性、高取向等路用性能。但其金属腐蚀是影响其功能的根源，它增加了混凝土的导电性，因而助长了电解化学腐蚀；其次金属与混凝土的不相融性，使其与混凝土混合后粘附性能较差，握裹力低；另外由于金属的磨损系数小于混凝土，使得钢纤维混凝土路面产生后期效应--"凸尖现象"，对车轮的磨损非常不利。鉴于上述几种原因，近几年来钢纤维在混凝土路面的推广应用严重受阻。

2．合成纤维

    合成纤维是继钢纤维混凝土后发展起来的软纤维混凝土。由于其是惰性材料，不受混凝土碱性环境影响而衰变，也不吸收湿气，换言之，它不随时间的增长而损失长度，同时它还具有高强度、高弯曲弹性、高延伸率、高取向性、易拌和等路用性能。尤其是在纤维混凝土路面应用中，完全克服了钢纤维混凝土路面出现的"腐蚀锈"、"凸尖"等路面现象。因此，合成纤维混凝土的发展非常迅速。
    合成纤维混凝土对纤维的要求，主要有两个方面：

    ①纤维的抗拉强度 ②如何解决纤维的均匀分布。

    ⑴合成纤维的抗拉强度

    众所周知，合成纤维的抗拉强度比之钢纤维有较大的不同，因此，要达到最佳抗拉强度，必须要考虑的是纤维材料的选择和纤维成形的工艺过程。

    玻璃纤维的抗拉强度由其材料所决定，可以达到1400~1500Mpa，对混凝土不仅增韧效果好，而且增强效果也很好。但由于玻璃纤维太脆，以致在搅拌过程中，极易断裂，为了解决搅拌过程中的纤维发生断裂，必须采取非常严格的工艺操作过程，以致使玻璃纤维在混凝土中的应用受到制约。

    尼伦纤维的抗拉强度，根据其材料性质和加工工艺，通常只能达到200~300Mpa，这样对混凝土的增强效果就受到很大的影响。

    聚丙烯纤维作为混凝土的掺合料已被世界上60多个国家接受。因为聚丙烯材料是一种居玻璃和尼伦之间的中性材料，其抗拉强度根据不同的工艺过程，通常可达到300Mpa~800Mpa。虽比之玻璃纤维低，但经过特殊工艺成形的聚丙烯纤维，已可以与钢纤维相媲美（钢纤维抗拉强度为600Mpa左右）。换言之，其抗拉强度已达到了纤维混凝土要求的最佳强度。同时也避免了玻璃纤维极脆易断的弊端。因此，目前在国内外纤维混凝土的应用中，聚丙烯纤维最为受宠。

    合成纤维的工艺成形，通常都是采用的"喷丝"工艺，即溶化-喷丝-冷成形过程，纤维成单丝状，截面为圆形，丝表面光滑。此类单丝纤维除各自的抗拉强度有不同外，都有一个共同的弱点，即：由于纤维表面光滑、截面呈圆形，因此与混凝土的亲和性，握裹力都有欠缺。

    二十世纪八十年初美国合成工业公司，根据美军工师团的发明专利生产出了一种纤维网--聚丙烯纤维。其工艺成形过程与上述的合成纤维工艺过程完全不同，它是一种特殊"拉丝"工艺，它能使材料分子结构重新排列，即：纤伸-纤化-剪切成形过程。该纤维丝结构成片状体，沿其纵向平行地切有若干切缝，使其片状体成为是由若干平行排列的单丝纤维的集合体，横向拉开，呈网状结构，用力撕拉即成为一根根单丝 [1] 。由于此单丝纤维是经过纤伸，通常要经过两次纤伸过程，加上聚丙烯纤维的专用配方，因此，纤维的抗拉强度可达到560Mpa~770Mpa此种聚丙烯纤维统称纤维网或网状纤维。此纤维网的单丝，截面为不规则矩形，丝表面粗糙，在与混凝土掺合中，由于表面粗糙，截面呈不规则矩形，使得亲和性、握裹力非常好。与丝表面光滑、圆截面的单丝纤维相比，其阻裂效果大大提高，换言之，增强了混凝土的抗拉强度。

    ⑵合成纤维的均匀分布

    众所周知，纤维掺合于混凝土中起加强筋作用的首要条件是纤维必须均匀的三维分布。试想结团不均匀分布的纤维在混凝土中不仅起不到加强作用，而且起负向作用。从国内纤维砼的拌和工艺调查显示，钢纤维和玻璃纤维须用特殊的拌合装置或对原有的拌合装置加以改造才能达到较理想的均匀程度；对于尼伦纤维拌合工艺，经过多年的探讨，总结出必须将纤维先在水中泡一定时间，再与沙、石、灰拌合的操作工艺。这对于施工单位来讲，步骤繁琐，费工费力。聚丙烯单丝纤维经过独特工艺处理后，基本解决了拌合工艺简单，纤维均匀分布的问题。但由于拌合的初始和结束都是以单丝形式动作，经验显示，此类单丝纤维多适合用于石、骨料直径小于10mm的沙浆混合料中。而在大骨料的混凝土中，由于沙石的搅拌、碰撞间隙过大，使得单丝纤维不易分散。因此，单丝纤维的应用多适合于民用建筑中，而不适合于混凝土路面。

    美国合成工业公司生产的纤维网网状纤维，其原始状态呈集束状（每束含5-8片），纤维搅拌初始，成束的片状体，很容易被拌合，分散形成初步的均匀分布，（第一次分布）；搅拌中期，每片纤维被骨料冲击展开成网形，且每根网丝都裹着水泥；随着搅拌，裹着水泥的加重网丝被撕开，最终完成单丝状纤维的均匀分布（第二次分布）。二次分布法"是砼纤维丝结构的专利技术，它确保了纤维能在混凝土中的绝对分布均匀。这是其它纤维所达不到的高新技术。由于其具有"二次分布"的功能，因此，无论是在小骨料的沙浆混合料，还是在大骨料的路面混凝土都可以保证纤维的均匀分布。即：纤维网砼纤维的应用不仅适合于混凝土路面，同样可用于民用建筑、水利等所有混凝土工程。

3． 纤维网（Fibermesh®/Fibernet™）在中国的推广应用

    西安博赛特公司自1996年成功引进纤维网产品进入中国以来，已在数百个工程中得到应用，工程案例遍及全国每个省；在交通公路工程、市政公路工程、铁路工程、港口码头、民用建筑、电力工程、机场建设、军事工程等几乎所有的领域都有采用纤维网的应用工程案例。

    ⑴纤维网在混凝土路面的应用

    纤维网应用于中国混凝土路面的工程已有无数个，如：广州北环高速公路三期工程、郑州市桐柏路、四川宜宾路面、上海崇明岛公路，山东枣庄公路，湖南长常、长益高速公路、江西上饶公路……。纤维网应用于混凝土路面后，不仅有效地抑制了混凝土的塑性收缩开裂，提高了混凝土的坚韧性和延展性，抗渗性和抗冲击能力，抗碎和耐磨能力，同时也防止了主钢筋腐蚀，替代了钢筋次要加强筋。更重要的是也产生了明显的经济效益和社会效益。如河南平顶山市平东山公路改造应用报告做出如下经济效益结论：从使用性能来讲，纤维混凝土与强度接近的钢筋纤维混凝土对比，①聚丙烯纤维网混凝土厚24cm，表层8cm内，掺入纤维网时，比钢筋混凝土每km节约投资138-102=36万元。②聚丙烯纤维网混凝土厚18cm全掺入时，节约投资138-117.6=20.4万元。社会效益：①由于公路使用寿命增加，大大降低养护成本，②由于路面质量经久耐用，给旅客和货物运输创造了条件，车速的提高降低了运输成本[2]。

    ⑵纤维网在混凝土桥面的应用

    纤维网用于桥面或桥面铺装层的应用工程就更多了，如：西安未央立交桥，武汉江汉五桥，沈阳沈抚立交、黄河立交、建大立交、望花立交；重庆津发长江公路大桥，天津津唐高速公路桥面铺装（10座），郑州金水桥，山东济青高速公路桥……。纤维网用于桥面或桥面铺装层，可有效地控制和减少收缩性和桥面震动引起的裂缝以及延缓结构性裂缝，提高桥面的防水性能，延缓和减少钢筋的锈蚀而延长桥结构的使用寿命。

    ⑶纤维网用于旧混凝土路面上的加铺

    纤维网混凝土是旧混凝土改造的最佳方案之一，已有福建205国道，四川巴中巴乐路，辽宁102国道（沈阳段、兴城段），汉中市108国道等一批旧砼路加铺纤维网混凝土面层。 在福建205国道58公里长的旧混凝土改造方案中，选择了在旧砼路面上加铺纤维网混凝土，方案评价："在旧水泥砼路面上加铺8cm~10cm厚的纤维网混凝土，虽然纤维价格较贵，但可节约大量圬工体积，相应也节约了工程总造价。与金属网、钢纤维相比较，又具有无磁、防锈、防碱等优点，适用于我们加铺路面"[3]。

    ⑷纤维网混凝土在其它领域的应用

    纤维网混凝土除在公路领域得到了广泛的应用外，还在秦沈新建客运铁路专线全线桥梁的保护层（共计桥梁120座，总长50公里）、西宁火车站站台、安徽芜湖铁路大桥等铁路工程中；在二滩水电站泄洪洞、山东济南锦绣川水库大坝、云南小湾水电站等水利工程中；在民用建筑；在港口码头；飞机场等领域也得到了推广应用。

三．纤维沥青混凝土路面加强筋

    沥青混凝土路面比之混凝土路面有着行驶舒适、噪音小、成本低、美观等优点，但沥青路面也存在着许多缺陷，如：车辙、坑槽、裂缝、寿命较短、修复次数多等。多年来是公路工程界专家学者研究的课题。早期应用的各类木质素纤维和粒状纤维主要用于玛蹄碎石沥青混合料（SMA），开级配抗滑表层（OGFC），沥青混凝土抗滑层、开级配结构混合料和其他高性能沥青混合料路面中。其作用是吸附沥青，是改性沥青的辅料。换言之，在沥青混凝土中并不起加强筋作用。改性沥青混凝土路面，是近几年从国外引进的一种新技术，它的应用机理是采?quot;化学改性"提高沥青材料的性能，最终解决沥青混凝土路面存在的问题。它是一种行之有效的沥青混凝土路面的解决之道。但是，"改性沥青"的施工有其严格的要求，即：要配用一整套完全进口的非常昂贵的专用铺路设备，使得中小型工程望而却步。

1．钢纤维沥青混凝土路面加强筋

    沥青混凝土加强筋由于其高温热拌合工艺，要求加强筋材料必须耐高温，钢纤维作为沥青混凝土加强筋，具有高强度，耐高温、高弯曲弹性、高取向性等路用性能，它能改善沥青砼的热稳定性和低温抗裂性，对沥青路面的裂缝、松散有抑制作用。但由于钢纤维与沥青混合粘附性能较差，握裹力比较低，因此，其水稳性及抗剥落性相对有所下降。又因钢纤维成本太高，因此很少采用钢纤维做沥青混凝土加强筋[4]。

2．软纤维沥青混凝土加强筋

    软纤维要替代钢纤维作为沥青混凝土加强筋，首要解决的两个问题是：

    ①软纤维的断裂延伸率     ②软纤维的高温性能

    由于沥青混合料的拌合温度高达190℃以上，目前报道可选用的软纤维材料只有聚酯和聚丙烯晴，其熔点温度分别为250℃和200℃。表一示出了用聚酯和聚丙烯晴制成纤维的主要参数。

                表一 两种软纤维的主要物化性能

    ⑴纤维加强筋的断裂延伸率

    从表一可明显的看出，聚丙烯晴纤维的直径细，抗拉强度很高，但断裂延伸率很低，这说明纤维脆而易拉断。对于沥青混凝土加强筋要求抗拉强度并不一味追求高（热扎钢纤维的抗拉强度仅为509.96Mpa），而断裂延伸率却是很重要的参数，因为路面种种因素，如：早晚温差的热胀冷缩，外力冲击等使加强筋纤维承受很大的拉伸力。断裂延伸率太低将会导致纤维过早的断裂，失去加强筋的作用。

    ⑵纤维加强筋的熔点温度

    另外，从表一可以看出两种材料制成的纤维都具有高温性能，但聚酯纤维更高，据资料介绍聚丙烯晴材料熔点温度为200℃而经过特别工艺加工成的纤维在240℃温度下纤维就会变成棕色，这说明材料分子结构已被破坏。而沥青混凝土的拌合温度通常大于190℃。因此聚丙烯晴纤维作为沥青混凝土的加强筋，在施工时，对控制拌合温度的要求较高。两种材料温度比较试验报告显示：

    ①两种材料制成的纤维路用性能比较，结论意见：聚酯纤维在高温稳定性方面强于聚丙烯晴纤维，水稳性略强于聚丙烯晴纤维，二者的低温性能相差无几[5]。

    ②对加入两种材料制成的纤维进行LH-15沥青混凝土劈裂强度试验结果意见：由于聚丙烯晴纤维在高温时颜色会发黄，因此对聚丙烯晴纤维做进一步试验，试验表明，若石料与聚丙烯晴纤维在190℃下干拌90秒,聚丙烯晴纤维仅微微有些发黄[6]。

    由上述两个试验报告的结论意见可知，作为沥青混凝土纤维加强筋，聚酯纤维比聚丙烯晴纤维要好得多。

3．博尼维聚酯纤维在中国的推广应用

    20世纪80年代初，美国著名企业杜邦公司工程师博尼先生（MR.Boni Martinez）采用聚酯材料+特殊配方试制成功一种适合于沥青混凝土加强筋的纤维，并取得发明专利。商品化后，以博尼先生的名字命名为BoniFiber（博尼维）。BoniFiber结束了沥青不可用软纤维加强的时代，是真正的沥青混凝土加强筋。它使用简单，无需增添任何施工设备和变更原混合料设计，能有效地解决沥青混凝土的种种缺陷。

    西安博赛特公司自1997年成功引进博尼维产品进入中国以来，已在近百个路面、桥面工程中得到应用。事实证明：博尼维是最好的沥青混凝土纤维加强筋。西安公路交通大学&交通部西安公路检测中心对博尼维做的试验报告做出的结论意见[7]：

    ①博尼维经搅拌均匀后，分布于沥青混合料中，由于纤维的吸附，稳定及多向加强筋作用使混合料的高温稳定性能改善。

    ②博尼维在低温下仍呈柔性，且具有较高的抗折强度，混合料中纵横交错的纤维使混合料具有了较高的弹性，能有效地抵抗应力，减少温缩裂缝的产生。同时推断出：各向同性的纤维可以防止反向裂缝的发展。

    ③由于数量巨大，且均匀分布的纤维使沥青混合料的劲度模量增加。故而沥青混合料疲劳耐久性改善，可以延长沥青路面的使用寿命。

    ⑴博尼维在沥青砼桥面的应用

    博尼维已成功地应用于中国南京第二长江大桥、南京新秦淮河大桥、广东肇庆马房大桥、西宁昆仑桥、阜阳北京路立交桥、宜昌夷陵长江大桥……。尤其值得说明的是南京第二长江大桥，它是在1998年进行了试验路段考证，2000年实地检测两年后该路段的状况，又与其它方案比较后，最后确定全桥采用博尼维加强沥青混凝土，从而防止桥面面层出现开裂、剥落等现象，最终提高路面的品质和使用寿命。广东肇庆马房大桥是一座铁路公路两用钢结构桥，桥面由于火车震动，又是钢板桥面，经过多种方案的论证，最终也采用了博尼维加强筋加强桥面。

⑵博尼维在沥青路面的应用

    博尼维应用于中国沥青砼路面的工程很多，如：河北石黄高速公路、云南昆玉高速公路、陕西铜黄高速公路、辽宁102国道、青海109国道、甘肃312国道、四川108国道、新疆土乌大公路……。博尼维最早应用于公路路面的工程是河北石黄高速公路。1998年河北省交通厅在石黄路建造了高科技路段，对采用博尼维和改性沥青（SMA）进行了试验路段比较。2000年二年后的检测结果显示博尼维和改性沥青（SMA）都达到了设计要求，但博尼维还好于SMA。因此在之后的20公里路段全线采用了博尼维。

⑶博尼维用于旧混凝土路面的罩面（白+黑）

    博尼维沥青混凝土应用于旧混凝土路面罩面是一种非常好的旧路改造方案。2000年10月云南省昆玉高速公路为全线采用博尼维砼在旧混凝土路罩面，进行了路段试验，试验评价[8]：

    ①从试验结果可以看出：加入纤维后，沥青混合料的动稳定度提高，变形带率减小。说明沥青混合料的高温稳定性改善。

    ②加入博尼维的沥青混凝土残留强度比大，这说明博尼维沥青混凝土的水稳性能好于普通沥青混凝土。

⑷博尼维用于旧沥青混凝土路面的罩面（黑+黑）

    旧沥青路面的改造采用博尼维沥青砼路面罩面，也是非常好的旧路改造方案。在中国青海宁-湟16公里路段处，由于此处临沙石厂，沙水重车路面环境非常恶劣，道路年年翻修。1999年5月，采用博尼维沥青砼加强筋，加入量为2.5磅/吨，铺设厚度2cm。经过两年在高原严寒环境下的使用，在2001年5月18日的实地考察发现未加入博尼维的路面已严重开裂，而加入博尼维的路面仍完好如初。

四．S-152高性能聚合纤维

    S-152高性能聚合物（HPP）是一种实用于工程的，外形轮廓分明的粗单丝纤维（直径0.9毫米），成波浪形状，它是一种非常好的阻止混凝土基质分离的新型纤维，其效果比任何其它纤维更好，因为它有钢纤维的外形，即具备钢纤维的功能又具有合成软纤维的优点。这种纤维是美国二十世纪末才研制成功的。2000年开始进入市场。目前，西安博赛特公司正在准备引进中国。

五．结束语

    高新技术软纤维路面加强筋的应用已在中国开花结果，也正在为中国的基础设施建设发挥着作用。然而，由于进口商品，昂贵的附加成本，使得产品价格居高不下，目前能够应用的工程多是国家、省市重点工程，而普通工程望而却步，不敢使用。尤其是纤维网，本应有巨大的应用范围，然而由于价格因素，还不能全线使用。因此，西安博赛特公司已与美国商家磋商，准备用他们的专利技术在中国建厂，以大大缩减产品价格，欢迎国内有实力的厂商加盟，为共同开拓中国软纤维砼及沥青砼市场合力并进。

注释：

[1]实用新型专利-用于砼的纤维丝结构 专利号ZL99256121.3

[2]纤维网混凝土路面应用研究 平顶山市公路总段

[3]关于旧混凝土路面加铺方案的报告 福建205国道改造课题组

[4]沥青混凝土加强筋性能的研究（加强筋采用钢纤维及博尼维）新疆路桥总公司课题组

[5]Boni纤维、德兰纤维路用性能比较 交通部公路科学研究所

[6]LH-15沥青混凝土劈裂强度试验结果 上海市市政工程研究所

[7]博尼维（BoniFiber®）聚酯纤维加强沥青混合料试验报告 西安公路交通大学、交通部西安公路工程检测中心

[8]昆玉高速公路博尼维沥青砼试验路试验报告 昆玉高速公路博尼维沥青砼试验课题组