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都市道路混凝土面层钢纤维混凝土横向收缩研究

一、绪论

1.1都市道路工程背景

都市道路作为城市交通网络的核心组成部分，承担着海量人流、车流的运输任务，其使用性能与耐久性直接影响城市运行效率与居民出行体验。随着城市化进程的加速，都市道路面临着交通荷载日益繁重、环境条件复杂多变（如高温、冻融、除冰盐侵蚀等）的挑战，传统水泥混凝土面层易出现开裂、剥落、断板等病害，使用寿命普遍较短，养护成本居高不下。在此背景下，钢纤维混凝土凭借其优异的力学性能与抗裂能力，逐渐成为都市道路面层的重要替代材料。

1.2钢纤维混凝土在都市道路面层的应用现状

钢纤维混凝土是在普通水泥混凝土中均匀掺入一定体积率的钢纤维形成的复合材料。钢纤维的加入可显著改善混凝土的抗拉强度、抗弯强度、抗冲击性及抗疲劳性能，有效抑制裂缝的萌生与扩展。目前，在我国北京、上海、广州等一线城市的主干道、快速路及交叉口等重点路段，钢纤维混凝土已广泛应用于面层施工。例如，上海某快速路改造工程中，采用体积率1.0%的端钩型钢纤维混凝土面层，通车5年来未出现明显横向裂缝，路面平整度与结构稳定性均优于传统混凝土路段。然而，在实际应用中，钢纤维混凝土面层仍存在横向收缩导致的早期微裂缝问题，若控制不当，易发展为贯穿性裂缝，影响道路使用寿命。

1.3横向收缩问题的研究意义

钢纤维混凝土的横向收缩是其硬化过程中的固有特性，主要源于混凝土的干燥收缩、水化热收缩、自收缩及温度收缩等。在都市道路面层中，由于路面结构约束（如基层与面层的粘结、相邻板块的限制），横向收缩产生的拉应力若超过混凝土的抗拉强度，便会引发横向裂缝。横向裂缝不仅会降低路面的承载能力，还会导致雨水渗入基层，加速基层冲刷、冻胀等病害的发展，严重时需进行大面积维修，造成巨大的经济损失。因此，深入研究钢纤维混凝土的横向收缩机理、影响因素及防控措施，对提升都市道路面层的耐久性、降低养护成本具有重要的理论与工程意义。

二、钢纤维混凝土横向收缩相关基础理论

2.1钢纤维混凝土的组成与特性

2.1.1原材料组成

钢纤维混凝土的原材料主要包括水泥、骨料、钢纤维、外加剂及水。水泥通常选用强度等级不低于42.5级的普通硅酸盐水泥或低热硅酸盐水泥，以降低水化热释放速率；骨料采用连续级配的碎石（粒径5-20mm）与中砂（细度模数2.3-3.0），确保混凝土的密实性；钢纤维多为端钩型、铣削型或剪切型，直径0.5-1.0mm，长度20-60mm，长径比（长度与直径比）控制在50-80范围内，以保证纤维与基体的粘结性能；外加剂主要为高效减水剂（减水率≥25%），用于改善混凝土工作性，减少用水量，同时可掺加适量膨胀剂以补偿收缩。

2.1.2核心特性

与普通混凝土相比，钢纤维混凝土具有以下核心特性：

力学性能优异：钢纤维的桥接作用可使混凝土抗拉强度提升30%-80%，抗弯强度提升50%-120%，抗冲击韧性提升3-10倍，有效增强路面的抗裂与抗疲劳能力；

收缩变形可控性强：钢纤维可通过约束混凝土的自由收缩，降低横向收缩率，减少裂缝产生概率；

耐久性提升：致密的微观结构与纤维的抗裂作用可降低有害物质（如氯离子、水分）的渗入速率，延缓钢筋锈蚀与混凝土碳化进程。

2.2横向收缩的定义与表现形式

2.2.1定义

钢纤维混凝土的横向收缩是指在硬化过程中，由于水分散失、水化反应放热与冷却、胶体体收缩等因素，混凝土在垂直于路面长度方向（横向）产生的体积缩小现象。通常以横向收缩率表示，即横向收缩量与初始长度的比值，单位为10??（微应变）。

2.2.2表现形式

在都市道路面层中，钢纤维混凝土的横向收缩主要表现为以下两种形式：

早期微收缩：发生在混凝土浇筑后1-7天，以干燥收缩与水化热收缩为主，收缩速率较快，易在路面表面产生细微裂纹（宽度通常小于0.1mm），若养护不及时，微裂纹会逐渐扩展；

后期缓慢收缩：发生在浇筑后7-90天，以自收缩与温度收缩为主，收缩速率减缓，但累计收缩量仍较大，若路面结构约束较强，易引发贯穿性横向裂缝（宽度大于0.2mm），影响路面结构完整性。

2.3横向收缩与路面病害的关联

横向收缩引发的裂缝是都市道路钢纤维混凝土面层的主要病害诱因之一。当横向收缩产生的拉应力超过混凝土的抗拉强度时，首先在路面薄弱部位（如施工缝、骨料界面）产生微裂缝，随着时间推移，在交通荷载与环境因素的耦合作用下，微裂缝会沿深度方向扩展，形成贯穿性横向裂缝。裂缝产生后，雨水会通过裂缝渗入基层，导致基层材料软化、强度降低；在冬季冻融循环作用下，裂缝内水分结冰膨胀，会加剧裂缝扩展，形成坑槽、断板等严重病害；同时，车辆荷载作用于裂缝处时，会产生应力集中，加速路面结构的破坏，缩短道路使用寿命。据统计，因横向收缩裂缝引发的路面病害占钢纤维混凝土