纤维增强混凝土路面试验与力学性能研究
摘要
纤维增强混凝土（FRC）是通过在混凝土中添加纤维，提升混凝土的抗压强度、抗
拉强度、韧性以及抗冻性能。本研究重点关注不同体积掺量的钢纤维和碳纤维混凝土在
季节性冻土地区的路面力学特性，通过开展一系列试验，包括抗压强度试验、抗弯强度
试验、计算机断层扫描试验，以及针对季节性冻土环境的冻融循环试验，深化了对FRC
力学性能的理解；此外，研究还包括了水泥混凝土路面和纤维混凝土路面的有限元建模，
评估了纤维增强混凝土路面在北方季节性冻土地区的适用性和耐久性；研究还涵盖了添
加纤维的混凝土连续梁在该环境下的挠曲变形分析，优化桥面铺装的受力状况，提高桥
面铺装的使用寿命。相关研究内容如下：
（1）纤维增强混凝土本构关系的建立。通过纤维混凝土的抗压强度试验和抗弯强
度试验，基于72组不同体积掺量纤维混凝土的抗压强度和抗弯强度试验数据，使用最
小二乘法拟合出不同应变下的应力-应变曲线，建立了纤维混凝土的本构关系，并将得
到的模型与文献中的混凝土本构关系模型进行对比，验证了其可靠性。
（2）纤维增强混凝土强化机理研究。使用计算机断层扫描技术对纤维混凝土进行
CT扫描试验，收集了9组998张不同体积掺量的纤维混凝土断层扫描照片，通过分析
不同类型及掺量下纤维在混凝土中的分布和排列情况，发现了纤维在混凝土内部孔隙中
形成填充结构，揭示了纤维混凝土的强化机理，同时采用嵌入式纤维数值模拟方法，对
纤维混凝土的强化机理进行了验证。结果表明，纤维的增强效果主要是通过阻止裂缝扩
展、增加混凝土的抗拉强度和抗剪强度来实现。
（3）纤维增强混凝土抗冻性能研究。通过慢冻和盐冻两种冻融循环试验，记录了
18组不同冻融循环条件下纤维混凝土的强度损失和质量损失情况，分析了纤维混凝土在
冻融循环环境下的抗裂和抗损伤能力。试验结果表明，掺入纤维能够显著改善混凝土的
抗冻融性能，降低混凝土在冻融循环过程中的破坏程度，验证了纤维混凝土适用于季节
性冻土地区的路面工程。
（4）纤维增强混凝土数值模拟研究。通过有限元法建立8组纤维混凝土力学模型，
开展了不同荷载和温度条件下的路面力学性能预测和评估，获得了混凝土路面的最优纤
维掺量。数值模拟试验结果表明，相同厚度的水泥混凝土路面设计存在疲劳断裂的风险，
最优纤维掺量混凝土路面的疲劳应力低于素混凝土路面的弯拉强度标准值，从而克服了
疲劳断裂的风险，纤维混凝土路面具有更出色的路用性能。
（5）纤维增强混凝土桥面铺装应用研究。针对纤维混凝土连续梁结构，采用数值
哈尔滨工程大学博士学位论文
模拟方法分析了5组不同体积掺量纤维混凝土连续梁的挠曲变形，给出了不同纤维掺量
对大跨度混凝土连续梁挠度的影响规律。研究结果表明，在一定范围内，掺入钢纤维或
碳纤维均能有效提高混凝土的弹性模量，抑制混凝土连续梁的挠曲变形，优化桥梁的受
力状态，降低桥面铺装的应力水平，进而提高桥面铺装的性能和使用寿命。
关键词：钢纤维混凝土路面；碳纤维混凝土路面；CT扫描；冻融循环；桥面铺装。
纤维增强混凝土路面试验与力学性能研究
Abstract
FiberReinforcedConcrete(FRC)isenhancedbyaddingfiberstoconcrete,improvingits
compressivestrength,tensilestrength,toughness,andfrostresistance.Thisstudyfocuseson
themechanicalpropertiesofconcretereinforcedwithsteelandcarbonfibersinvarying
volumetricamountsinseasonallyfrozensoilareas.Aseriesoftestswereconducted,
includingcompressivestre