聚丙烯纖維高性能混凝土路用性能研究

馬士賓，徐文斌，許艷偉，楊鑫瑋

(河北工業(yè)大學 土木與交通學院, 天津 300401)

0 引 言

高性能水泥混凝土具有諸多優(yōu)點，如耐久性能好、強度高等，因此在橋梁施工建設(shè)過程中得到了廣泛應(yīng)用[1]。在海洋防水建設(shè)工程中，使用高性能水泥混凝土能夠顯著提高海洋建筑結(jié)構(gòu)的防腐蝕性能和強度。但是由于各種原因，目前，高性能水泥混凝土很少用在道路工程的建設(shè)中[2]。隨著我國公路建設(shè)的高速發(fā)展，對于路面結(jié)構(gòu)使用壽命的要求也越來越高。若能在道路工程建設(shè)中應(yīng)用高性能水泥混凝土，對于路面結(jié)構(gòu)使用壽命的延長與公路建設(shè)經(jīng)濟效益的發(fā)揮都有較大幫助[3]。嚴武建等研究了聚丙烯纖維混凝土在凍融循環(huán)下的力學特性[4]；張華等研究了聚丙烯纖維混凝土在高應(yīng)變率下的動態(tài)力學模型和本構(gòu)模型[5]；吳剛等研究了聚丙烯纖維混凝土的防水機理[6]；孫家瑛等研究了高性能混凝土摻加網(wǎng)狀聚丙烯纖維后的耐久性能[7]；研究人員對摻加聚丙烯纖維的普通混凝土、高性能混凝土進行了大量、細致的研究工作，然而針對其路用性能的相關(guān)研究還不夠全面。

筆者將粉煤灰和礦粉復合摻加到水泥混凝土中，既彌補了混凝土早期強度低的缺點，又能利用礦粉增加膠凝體系中顆粒之間的交互作用，得到單一材料無法達到的優(yōu)良效果，從而更好的發(fā)揮了礦物摻合料的優(yōu)勢。通過將聚丙烯纖維以不同摻量摻加至高性能混凝土中研究其工作性、力學強度、抗沖擊性能、抗?jié)B性能、干縮性能以及疲勞性能，分析了不同摻量的聚丙烯纖維對路用性能的影響，為聚丙烯纖維在水泥混凝土道路工程中的應(yīng)用提供了參考。

1 原材料性能及配合比設(shè)計

1.1 原材料性能

試驗選用的粗集料為天津宏順砂石料廠的3檔粒徑的石料，分別為5～10 mm、10～20 mm和20～30 mm，選用的細集料為天津北辰宏圖砂石料廠的中砂，其細度模數(shù)為2.74，兩種石料的各項技術(shù)指標均符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范[8]的要求。采用深圳海川公司生產(chǎn)的路威束狀聚丙烯纖維，其主要技術(shù)參數(shù)如表1。

選用天津駱駝牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥，巖瑞建材有限公司聚羧酸高效減水劑，楊柳青發(fā)電廠I級粉煤灰，S95礦粉，主要的技術(shù)指標如表2～表5。

表2 天津駱駝牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥的主要性能指標Table 2 Main performance indexes of Camel P?O42.5 ordinaryportland cement of Tianjin

表3 減水劑的主要性能指標Table 3 Main performance indexes of water reducing agent

表4 粉煤灰的主要性能指標Table 4 Main performance indexes of fly ash %

表5 礦粉的主要性能指標Table 5 Main performance indexes of mineral powder

1.2 配合比設(shè)計及試驗過程

通過篩分試驗按照規(guī)范的級配范圍，確定3檔集料5～10 mm、10～20 mm、20～30 mm的比例為3∶5∶2。聚丙烯纖維摻量分別為0、0.45、0.9、1.35、1.8 kg/m3，對應(yīng)的試件編號分別記為0#、1#、2#、3#、4#。所有編號試件水泥、水砂、粉煤灰、礦粉、碎石、減水劑等摻量均相同，分別為240、150、646、40、120、1 254、4 kg/m3。在制備試件當中，為了使原材料能被充分攪拌均勻，先將石料、砂料、水泥放入攪拌機中干拌30 s，然后將聚丙烯纖維加入攪拌機中繼續(xù)干拌30 s，最后將水和減水劑加入再次攪拌60 s。試驗中每次攪拌完畢后都需檢查纖維的分散效果，如果聚丙烯纖維在高摻量情況下出現(xiàn)結(jié)團現(xiàn)象，為了保證的纖維分散效果，需繼續(xù)攪拌直到纖維完全分散于混凝土拌合物中。

2 力學性能試驗研究

2.1 工作性及常規(guī)力學強度研究

由于摻加聚丙烯纖維后高性能混凝土的工作性會發(fā)生一定的變化，0#高性能混凝土的坍落度為144 mm，1#、2#、3#、4#聚丙烯纖維高性能混凝土的坍落度分別為141、136、130、122 mm。根據(jù)實驗結(jié)果可知，聚丙烯纖維的摻入量越高，高性能混凝土的坍落度越低，新拌混凝土的工作性能越差。

按照JTGE 30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》進行試樣制作、養(yǎng)護并對養(yǎng)生齡期為7、14、28 d的試件分別進行抗壓強度和抗彎拉強度試驗，結(jié)果如圖1～圖2。

圖1 混凝土抗壓強度與聚丙烯纖維摻量關(guān)系Fig. 1 Relationship between compressive strength of concreteand polypropylene fiber content

由圖1可得，聚丙烯纖維的加入對高性能混凝土的抗壓強度影響較小且略有降低的趨勢。7、14、28 d養(yǎng)護齡期的高性能混凝土抗壓強度變化規(guī)律基本一致。由于聚丙烯纖維密度為0.9 kg/m3，遠小于混凝土其他組分的密度，當大摻量聚丙烯摻入到混凝土中時，會導致混凝土密度降低，從而降低了高性能混凝土的抗壓強度。

圖2 混凝土抗彎拉強度與聚丙烯纖維摻量關(guān)系Fig. 2 Relationship between flexural tensile strength of concreteand polypropylene fiber content

由圖2可得，聚丙烯纖維的摻量越高，高性能混凝土的抗彎拉強度越大，且在不同的養(yǎng)護齡期下，高性能混凝土抗彎拉強度變化趨勢相似。聚丙烯纖維相當于無數(shù)的短加強筋，能夠延緩高性能混凝土的裂縫擴展，提高了高性能混凝土的抗彎拉強度，相應(yīng)的增強高性能混凝土路面承載能力和抗裂能力。

2.2 抗沖擊性能研究

在進行混凝土的沖擊試驗時，一般采用ACI推薦規(guī)范。該試驗對試樣有一定的要求，并且當使用4.54 kg的鋼球?qū)ζ溥M行沖擊時，第一次沖擊時就會使得試件達到終裂破壞，所以有一定的缺陷[9]。將成型的混凝土試件(150 mm×150 mm×150 mm)標準養(yǎng)護28 d，養(yǎng)護完成后切割成40、50、60 mm 3種厚度試件。厚度為40、50 mm的試件用0.5 kg的鋼球進行沖擊試驗，厚度為60 mm的試件用1 kg的鋼球進行沖擊試驗。試驗中，落錘在900 mm處下落，記錄試件產(chǎn)生第一條裂紋的沖擊次數(shù)N1和最終破壞的沖擊次數(shù)N2。具體試驗數(shù)值見表6。

表6 不同厚度試樣初裂與終裂破壞沖擊次數(shù)Table 6 Impact times of initial and final cracks on specimens withdifferent thickness

在不同厚度混凝土試件的沖擊過程中，高性能混凝土的最終破壞呈現(xiàn)脆性破壞，試件一分為二且端口較為齊整，而摻加聚丙烯纖維的高性能混凝土試件的破壞，其裂縫從中間向四周呈放射狀分布。由此可以看出，聚丙烯摻量越高、試樣厚度越大，高性能混凝土的破壞沖擊次數(shù)越多。

試件初裂沖擊能量和最終破壞沖擊能量分別用E1和E2表示，計算公式如式(1)：

(1)

式中：E1和E2為試件初裂和最終破壞沖擊能量；N1和N2為初裂和最終破壞的沖擊次數(shù)；m為落錘的質(zhì)量(0.5 kg或1 kg)；g為重力加速度(9.81 m/s2)；h為落錘釋放高度(900 mm)。

試件初裂和最終破壞沖擊能量結(jié)果如圖3。

圖3 混凝土初裂和終裂破壞沖擊能量與聚丙烯纖維摻量關(guān)系Fig. 3 Relationship between impact energy of concrete initial and final cracks and polypropylene fiber content

從圖3可以看出，聚丙烯纖維的摻入量越高，高性能混凝土吸收能量的能力越強，并且隨著試樣厚度的增加，高性能混凝土吸收的能量也增加。由于聚丙烯纖維減小了混凝土的裂隙寬度，對于材料的介質(zhì)連續(xù)性有一定的增強效果，從而減少了沖擊波被阻斷引起的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，對混凝土內(nèi)部裂縫的擴展有阻礙作用，同時試樣越厚，沖擊應(yīng)力擴展的范圍就越大，高性能混凝土的抗沖擊韌性越好。

3 耐久性能試驗研究

3.1 抗?jié)B性能研究

通過快速氯離子遷移試驗得出不同聚丙烯纖維摻量混凝土試塊的氯離子擴散系數(shù)DRCM如圖4。

圖4 氯離子擴散系數(shù)與聚丙烯纖維摻量關(guān)系Fig. 4 Relationship between chloride diffusion coefficient andpolypropylene fiber content

從圖4可以看出，與基準高性能混凝土相比，摻加聚丙烯纖維的高性能混凝土試件的氯離子擴散系數(shù)變小，且聚丙烯纖維摻入量越多，聚丙烯纖維高性能混凝土的氯離子擴散系數(shù)越低。

3.2 干縮性能研究

測定不同聚丙烯纖維摻量對高性能混凝土規(guī)定齡期的收縮值，按式(2)進行收縮率計算：

(2)

式中：εT為齡期為T時刻的聚丙烯纖維高性能混凝土的收縮率；L0為試件長度的初始讀數(shù)；LT為齡期為T時刻的聚丙烯纖維高性能混凝土的累計變形量；L為聚丙烯纖維高性能混凝土收縮測量標準長度。

根據(jù)得到的收縮率結(jié)果，繪制收縮率與齡期的曲線如圖5。

圖5 收縮系數(shù)與齡期關(guān)系Fig. 5 Relationship between shrinkage coefficient and age

從圖5可以看出，聚丙烯纖維高性能混凝土隨著齡期的增加，干燥收縮變形逐漸變慢。聚丙烯纖維摻量的增加能使高性能混凝土收縮率顯著降低。因為亂向分布的纖維在混凝土中起到類似篩網(wǎng)的作用，不僅能緩解混凝土中粗骨料的快速下沉，還能降低混凝土中水分的散失速率，對混凝土早期塑性收縮有緩解和防止作用。同時，聚丙烯纖維在混凝土內(nèi)部具有一定的阻裂作用，減少了混凝土內(nèi)部的微裂縫的產(chǎn)生，通過切斷混凝土內(nèi)部的水分散失通道來減少混凝土的干燥收縮。

3.3 彎曲疲勞性能研究

試驗采用的試件尺寸為100 mm×100 mm×550 mm。采用三分點加載方式進行疲勞試驗。根據(jù)路面上實際車輛荷載作用的波形來確定正弦波和加載頻率。設(shè)置最小荷載為最大荷載的10%，波形間不插入間隙時間。疲勞試驗選用的應(yīng)力比范圍為0.6～0.9，當應(yīng)力比為0.6、0.7時試驗加載頻率為10 Hz；當應(yīng)力比為0.8和0.9時試驗加載頻率為5 Hz。將疲勞壽命取對數(shù)并分析其回歸趨勢線與不同應(yīng)力比的關(guān)系，疲勞試驗結(jié)果如圖6。

圖6 不同聚丙烯纖維摻量下應(yīng)力比與疲勞壽命關(guān)系Fig. 6 Relationship between stress ratio and fatigue life underdifferent polypropylene fiber content

由圖6可知，不同聚丙烯纖維摻量下的應(yīng)力比與疲勞壽命對數(shù)呈一次線性關(guān)系。隨著聚丙烯纖維摻量的增加，高性能混凝土的疲勞壽命逐漸增加，低應(yīng)力比下聚丙烯纖維對高性能混凝土疲勞壽命的影響小于高應(yīng)力比對其的影響?；炷恋钠谠囼炦^程是在重復荷載作用下對其內(nèi)部造成的損傷緩慢積累的過程。高性能混凝土內(nèi)部的微裂縫能夠在聚丙烯纖維加入后得到一定的細化和抑制。同時，裂縫尖端的應(yīng)力場被聚丙烯纖維鈍化打亂，提高高性能混凝土的疲勞壽命。

4 結(jié) 論

通過一系列室內(nèi)試驗，系統(tǒng)研究了雙摻粉煤灰和礦粉的高性能混凝土在不同聚丙烯纖維摻量下的路用性能，得到如下結(jié)論：

1)聚丙烯纖維的加入會降低高性能混凝土的工作性，使高性能混凝土的抗壓強度略微降低，但能夠明顯改善其抗彎拉強度和抗沖擊性能。試件越厚、聚丙烯纖維摻量越高，高性能混凝土吸收沖擊能量的能力越強。

2)聚丙烯纖維能夠提高高性能混凝土的抗?jié)B和抗侵蝕能力，增加高性能混凝土的疲勞壽命，同時對早期塑性收縮有一定的緩解和防治作用。

3)聚丙烯纖維能改善高性能混凝土路用性能。較高的抗壓強度及抗彎拉強度提高了路面的承載能力；較好的抗?jié)B性增加了路面的耐久性和使用的安全性；良好的抗沖擊性及抗疲勞性能增加路面的使用壽命。