高強FC合成纖維道面混凝土力學性能試驗研究

陳 磊 吳永根 李文哲 王 軍 刁軍亮

(1.空軍工程大學機場建筑工程系，陜西 西安 710038； 2.中國航空港建設第九工程總隊，四川 成都 611430)

高強FC合成纖維道面混凝土力學性能試驗研究

陳 磊1吳永根1李文哲1王 軍2刁軍亮2

(1.空軍工程大學機場建筑工程系，陜西 西安 710038； 2.中國航空港建設第九工程總隊，四川 成都 611430)

為了提高道面混凝土的基本力學性能，對FC纖維道面混凝土(簡稱FCRPC)的工作性及基本力學性能進行了系統的試驗研究，對比分析了FC纖維以0.8%，1.0%，1.2%，1.4%，1.6%五種體積摻率對道面混凝土抗折、抗壓強度性能的影響規律，試驗結果表明：高強FC纖維對道面混凝土有較好的力學增強性能，在高強FC纖維摻量為1.2%時達到最佳。

高強FC合成纖維，道面混凝土，工作性，基本力學性能，增強機理

纖維增強混凝土(簡稱FRC)，簡單的定義為：以纖維作為一種外摻物向混凝土中摻入，從而組成的一種纖維增強復合混凝土材料[1]。道面混凝土受到荷載和周邊環境因素共同作用時，道面混凝土所承受的疲勞、溫度應力超過其抗折強度時，道面就會出現裂縫，其中以縱向、斜向、橫向、板角裂縫為主，當裂縫不斷發展，道面混凝土就會發生因抗折強度不夠而導致斷裂破壞，部分機場甚至出現了道面斷裂、錯臺、拱起、唧泥、剝落、松動等工程病害，嚴重影響了機場道面的正常使用及飛機起降安全[2]。目前，國內外纖維增強混凝土的研究表明[3-6]，纖維能提高混凝土的裂縫發生及開展能力，且能夠有效改善水泥道面混凝土抗折、抗壓強度、疲勞等力學性能。總的來說，纖維增強技術對提高水泥道面混凝土的力學性能具有非常重要的意義，同時勢必會降低機場建設工程的維護，使用費用，增加道面混凝土的全壽命使用周期。本文中所選取的纖維為清華大學“國家863研究項目”中的改性聚酯合成高強FC纖維，以五種不同體積摻率配制道面混凝土，對基準道面混凝土與摻有纖維的道面混凝土進行對比、分析、研究。

1 原材料及配合比

1.1 原材料

1)水泥：西安藍田堯柏水泥廠生產的P.O42.5普通硅酸鹽水泥,28 d抗折強度為9.18 MPa，抗壓強度為46.8 MPa，細度為2.0%。2)細骨料：灞河河砂,細度模數為2.64[7]，表觀及堆積密度為2 630 kg/m3，1 503 kg/m3，含泥量為0.5%。3)粗骨料：陜西咸陽石灰石,兩級配，表觀及堆積密度為2 780 kg/m3，1 572 kg/m3。4)水：自來水。5)外加劑：FDN高效減水劑。6)纖維：本次試驗所選用的纖維是由國家863項目改性聚酯合成纖維研制的新型高性能合成纖維(超高強F-3改性合成纖維)，簡稱FC纖維。纖維主要性能見表1。

表1 FC纖維性能參數

1.2 配合比設計

試驗所制配混凝土按照GJB 1578—92機場道面水泥混凝土配合比設計技術標準[8]中的具體要求來具體試驗，配合比見表2。

表2 FC纖維道面混凝土配合比

1.3 試驗方法及內容

1)試件制備：首先將粗細骨料干拌0.5 min，其次，加水泥、纖維干拌2 min，最后加水濕拌2 min停止。

2)工作性試驗：在制配試件前測定混凝土的維勃稠度，測定同時并觀察其粘聚性以及保水性。維勃稠度測定方法依據GB/T 50080—2002普通混凝土拌合物性能試驗方法標準[9]中的規定進行。

3)強度試驗：按照GB/T 50081—2002普通混凝土力學性能試驗方法標準[10]中的規定進行。

2 試驗結果與分析

2.1 工作性試驗結果及分析

工作性試驗結果見表3。

表3 工作性試驗結果

由表3可以看出，P，FC1，FC2三組混凝土的維稠度值在不斷上升。其中P組的維勃稠度值最小，FC1次之，FC2最大。當纖維摻量為1.0%時，其維勃稠度增長率為17%。在實際的實驗過程觀察中發現，這三組混凝土拌合物的各組成成分之間的相互粘聚情況良好。當纖維摻量為1.2%，其混凝土拌合物的維勃稠度值較FC4組有所降低，下降率為13%，但在實際的試驗過程觀察中其粘聚性及保水性也均表現良好，沒有出現突然崩塌、石子離析及底部大量水分析出現象。當纖維摻量為1.6%，其混凝土拌合物維勃稠度值為23 s，在維勃稠度試驗時同樣也是無骨料外漏，底部無泌水離析。究其原因是纖維的比表面積較大，在水泥漿體中有大量的纖維存在，這樣就使得包裹骨料的水泥漿體數量相對降低，使得混凝土拌合物的粘度增加，工作性降低。同時，由于FC纖維表面的親水性作用[11]，在纖維的表面會吸附了一定的拌合水，這樣也會導致拌合物流動性的損失。上述六組道面混凝土的維勃稠度值均在15 s～30 s之間，其和易性滿足規范要求。

2.2 強度試驗結果及分析

強度試驗結果見表4。

2.2.1 抗壓強度試驗結果分析

7 d，28 d抗壓強度見表4及圖1。

1)從表4及圖1可知，當纖維摻量為0.8%時，道面混凝土的7 d，28 d抗壓強度均比P組道面混凝土有所增長，但抗壓強度提高率均不明顯，特別是28 d抗壓強度較P組僅僅提高了0.2%。當纖維摻量為1.2%時，道面混凝土的7 d及28 d抗壓強度均出現了峰值，此時的道面混凝土7 d抗壓強度達到了42.35 MPa，28 d抗壓強度達到了54.52 MPa，7 d及28 d抗壓強度提高率分別為10.6%，16.4%。隨著纖維摻量在1.2%的基礎之上不斷增加達到1.4%時，道面混凝土的7 d，28 d抗壓強度均較FC3組有所降低，且降低幅度較為明顯，此時道面混凝土7 d，28 d的提高率較FC3組下降了3.9%及12.3%。當纖維摻量達到1.6%時，此時纖維的加入對道面混凝土抗壓強度的增長出現了負值，其中7 d抗壓強度較P組道面混凝土降低了3.8%，28 d纖維增強效果也趨近于零，其抗壓強度提高幅度僅僅為1.75%。

表4 FC纖維道面混凝土強度試驗結果

2)由圖2可以看出P組道面混凝土在壓力之下，試件的下部出現了裂縫，在靠近試件的底部邊角地帶，裂縫出現最早，寬度最大。隨著壓力的持續上升，裂縫從試件的底部慢慢向上部延伸，分叉，使試件中上部出現了更多更細的斜裂紋。此時試件的四周出現了鼓包，試件的混凝土表面層開始出現剝落現象，部分骨料外露。隨著壓力不斷的增長，試件的高度有一定程度的降低，試件表面的崩落現象越來越顯著。當取下試件時，試件的受壓部位已經變得非常酥軟，試件內部的粘結非常稀疏。當道面混凝土中摻入纖維時，其破壞形態也發生了變化。當纖維摻量為1.2%時，道面混凝土試件的破壞形態變化非常為顯著，此時道面混凝土裂縫出現的時間較P組晚，裂縫的寬度很細密，裂縫的的形態也并不是垂直或者較大的斜裂縫，裂紋的向上擴展速率也較P組慢，隨著壓力的不斷上升，其中部的裂紋分叉也有明顯的減少，其四周只是出現輕微的鼓脹，并沒有出現表皮剝落等現象。當壓力達到臨界荷載時，發現試件裂而不碎，試件的整體性保持較為完好。

2.2.2 抗折強度試驗結果分析

7 d，28 d抗折強度見表4及圖3。

由表4及圖3分析可知:道面混凝土隨著纖維摻量的提高其抗折強度同樣也在不斷的增長。隨纖維摻量的不斷增加，道面混凝土的7 d抗折強度提高率較28 d抗折強度提高率要低。

1)當纖維摻量為0.8%時道面混凝土的7 d，28 d抗折強度相較于P組道面混凝土的7 d，28 d抗折強度均有一定的提升。當纖維摻量從1.0%增加至1.2%時，道面混凝土7 d及28 d的抗折強度增長幅度達到了最大值，7 d抗折強度由5.81 MPa增長到了6.37 MPa，其提高率從14.1%提升到25.1%。當纖維摻量超過1.2%時，道面混凝土7 d，28 d的抗折強度增長趨勢卻表現不一。當纖維摻量從1.2%增加1.4%時，道面混凝土的7 d抗折強度提高率從25.1%增加至26.3%，增長效果不是很明顯，其28 d抗折強度提高率較纖維摻量為1.2%時甚至還有一定程度的降低，其提高率從41.2%降至28.9%，降低幅度較為明顯。從整體的提高率上來說，此次道面混凝土28 d抗折強度的提高率要較其7 d抗折強度提高率上升幅度大，這也說明了28 d抗折強度纖維增強效果較7 d要明顯。

2)由圖4可以看得出，P組道面混凝土在達到其臨界荷載之前，試件就開始出現裂紋，并且一旦產生裂縫就立即蔓延，裂縫首先由試件底部產生，并迅速向上部擴展，隨后試件就斷裂破壞，試件破壞時，出現了折斷現象，具有明顯脆性破壞性質。摻有纖維的道面混凝土呈現較為明顯的塑性破壞特征。當在試驗的過程中，試件的裂縫不斷增長時，可以聽得見由試件內部發出的纖維被撕扯斷裂的“啪啪”聲，并且在試件抗折試驗結束之后，觀察其斷面形態時，可以看得出纖維在試件的內部分布較為均勻，通過拽拉其中一部分露出的纖維時，發現纖維與混凝土粘結，咬合效果非常好。

3 結語

本文分析了FC纖維不同摻率時對機場道面混凝土的工作性、基本力學性能的影響規律，得出以下結論，并為FC纖維機場道面混凝土配合比設計提供了參考。

1)隨著纖維摻量的不斷增加，其流動性及保水，粘聚性能有所降低。2)道面混凝土的抗壓強度在纖維摻量小于1.4%時，其抗壓強度較P組道面混凝土有一定程度的提高，其中當纖維摻量為1.2%出現了增長峰值。當纖維摻量超過1.4%時，其抗壓強度不僅不提高，反而還有一定程度的降低。3)道面混凝土7 d抗折強度提高幅度為3.7%～36.1%，28 d抗折強度提高幅度為10.1%～41.2%，抗折強度的增長并不會隨著纖維摻量按一定比例提高而出現一個線性增長模式。4)實驗表明：通過對前述力學性能試驗的表述，當纖維摻量為1.2%時，道面混凝土的抗折強度與抗壓強度性能最為優異，建議可以在機場道面施工中參考使用。

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[8] GJB 1578—92，機場道面水泥混凝土配合比設計技術標準[S].

[9] GB/T 50080—2002，普通混凝土拌合物性能試驗方法標準[S].

[10] GB/T 50081—2002，普通混凝土力學性能試驗方法標準[S].

[11] 吳釗賢，袁海慶，盧哲安，等.玄武巖纖維混凝土力學性能試驗研究[J].混凝土，2009(9)：67-68.

Experimental study on mechanical properties of high strength FC synthetic fibers reinforced pavement concrete

Chen Lei1Wu Yonggen1Li Wenzhe1Wang Jun2Diao Junliang2

(1.DepartmentofAirfieldArchitectureEngineering,AirForceEngineeringUniversity,Xi’an710038,China； 2.TheNinthConstructionEngineeringCorpofChinaAirHarbour,Chengdu611430,China)

In order to improve its basic mechanical properties, this paper did a systematical and comprehensive experimental study about the performance and basic mechanical properties of FCRPC. It analyzed and compared the influencing rules that these five 0.8%，1.0%，1.2%，1.4%，1.6%volume fraction mixing amount of FC fiber, affected the flexural strength and compressive strength properties of pavement concrete. The test result indicate that the FC fibers could sharply enhance the mechanical properties of pavement concrete, when the FC fiber content is 1.2% to achieve the best.

high strength FC synthetic fibers， pavement concrete， performance， basic mechanical properties， enhancement mechanism

1009-6825(2015)30-0111-03

2015-08-15

陳 磊(1989- )，男，在讀碩士

TU501

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