仿鋼纖維混凝土在橋面鋪裝的性能研究

杜慧平

（山西路恒交通勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司，山西 太原 030031）

1 概述

在以往高速公路橋面鋪裝工程中，通常采用添加鋼纖維的方法減少混凝土的早期硬化開裂，提高混凝土的彎折性能和抗沖擊性能。鋼纖維在橋面鋪裝混凝土中的雜亂分布，隨著硬化的進(jìn)行可有效傳遞和抵消應(yīng)力的散布，有效抑制裂縫的產(chǎn)生，減少晝夜溫差大引發(fā)的表面龜裂[1-2]。但在長(zhǎng)期的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，鋼纖維自重過大、易團(tuán)結(jié)、難拌合、與水反應(yīng)及受氯鹽銹蝕的缺點(diǎn)造成握裹力的降低，引起瀝青層與混凝土鋪裝層之間兩層皮的情況。聚丙烯仿鋼絲纖維是一種新型的纖維增強(qiáng)材料，具有高模量、抗裂性、耐腐蝕、耐沖擊的特點(diǎn)。由于其為有機(jī)合成材料，直徑更細(xì)，重量更輕，特別適合替代或部分替代鋼纖維，在混凝土橋面鋪裝應(yīng)用。

2 原材料和配合比

2.1 試驗(yàn)原材料

水泥為山西山水水泥有限公司生產(chǎn)的山水牌P·O 52.5級(jí)水泥；河砂為市售，河砂細(xì)度模數(shù)2.89；人工碎石選用5～10 mm，10～20 mm兩檔料；減水劑選用江蘇蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑；鋼纖維為河北省聯(lián)筑鋼纖維制造有限公司生產(chǎn)的SF-35型鋼纖維；仿鋼纖維選用江蘇射陽(yáng)強(qiáng)力纖維制造有限公司生產(chǎn)的聚丙烯仿鋼纖維，外觀見圖1，兩種纖維的力學(xué)性能見表1。

表1 纖維的力學(xué)性能

圖1 仿鋼纖維外觀

2.2 配合比

根據(jù)橋面鋪裝混凝土的特性，本文選用仿鋼纖維體積率添加量0、0.3%、0.6%、0.9%的混凝土進(jìn)行測(cè)試，選用鋼纖維體積率摻量1.5%的混凝土做對(duì)比試驗(yàn)，混凝土配合比見表2所示。

表2 混凝土配合比 kg

3 力學(xué)性能分析

3.1 抗壓強(qiáng)度

按照上述配合比進(jìn)行抗壓試件的制作，試件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，后進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，5組不同配比的28 d抗壓試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

未添加纖維的素混凝土抗壓強(qiáng)度是51.2 MPa，鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度42.9 MPa，3組仿鋼纖維混凝土的最大抗壓強(qiáng)度為49.2 MPa。對(duì)比素混凝土，鋼纖維混凝土和仿鋼纖維混凝土的強(qiáng)度均降低，且隨著仿鋼纖維摻量的增加混凝土強(qiáng)度出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。在以往的研究中表明[3]，纖維的加入對(duì)素混凝土的抗壓強(qiáng)度確有下降的作用，但由于纖維在混凝土內(nèi)部的雜亂排布，使得混凝土試件單位體積內(nèi)的承壓載荷力傳導(dǎo)更為均勻，在破壞形式上出現(xiàn)延性破壞的特質(zhì)，即混凝土試件不會(huì)出現(xiàn)承載力突然下降，一般呈現(xiàn)出達(dá)到峰值后承載力逐漸緩慢降低的趨勢(shì)。

3.2 抗折強(qiáng)度

采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)混凝土試件進(jìn)行四點(diǎn)彎曲抗折強(qiáng)度的試驗(yàn)，試件成型尺寸100 mm×100 mm×450 mm，分別測(cè)試試件7 d、28 d的抗折強(qiáng)度，結(jié)果見表4。

表4 混凝土的抗折強(qiáng)度

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)未添加纖維的素混凝土在抗折試驗(yàn)中表現(xiàn)出很強(qiáng)的脆性，達(dá)到極限載荷后即斷裂。而纖維混凝土在達(dá)到極限載荷時(shí)試件會(huì)出現(xiàn)表面裂紋，在開裂后還具有一定的承載力。在混凝土的7 d抗折強(qiáng)度上，素混凝土的抗折強(qiáng)度為4.68 MPa，鋼纖維混凝土的抗折強(qiáng)度為5.62 MPa，是素混凝土的1.2倍，仿鋼纖維混凝土在添加量為0.3%、0.6%時(shí)，仿鋼纖維混凝土的抗折強(qiáng)度較素混凝土有明顯提高，強(qiáng)度分別是素混凝土的1.06倍和1.23倍，而仿鋼纖維添加量為0.9%時(shí)，強(qiáng)度雖比素混凝土有提高，但與添加量0.6%的仿鋼纖維混凝土強(qiáng)度相比，出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)。分析其中原因可能是纖維的數(shù)量增多帶來混凝土密實(shí)性的下降，從而造成強(qiáng)度的降低。

在混凝土的28 d抗折強(qiáng)度上，素混凝土的抗折強(qiáng)度為5.26 MPa，鋼纖維混凝土的抗折強(qiáng)度為6.11 MPa，0.3%、0.6%、0.9%仿鋼纖維混凝土的抗折強(qiáng)度分別為 5.48 MPa、6.15 MPa、5.87 MPa。鋼纖維混凝土的抗折強(qiáng)度是素混凝土的1.16倍，摻量0.3%、0.6%、0.9%仿鋼纖維混凝土的抗折強(qiáng)度分別是素混凝土的1.04、1.19、1.09倍。28 d仿鋼纖維試件與7 d仿鋼纖維試件的強(qiáng)度漲幅比來看，7 d仿鋼纖維試件的強(qiáng)度漲幅更大，表明仿鋼纖維在混凝土硬化初期的增韌、抗彎折效果更為明顯。

3.3 抗彎疲勞性

混凝土在動(dòng)態(tài)載荷下的抗彎疲勞性由于試件成型的不均勻性和具體操作情況會(huì)出現(xiàn)一定的離散，加大試驗(yàn)量，取概率分布中的最大概率值作為代表值進(jìn)行疲勞壽命的數(shù)據(jù)處理。設(shè)置應(yīng)力水平分別為0.6、0.7、0.8，考察 5 種混凝土的抗彎疲勞壽命[4]，數(shù)據(jù)見表5。

表5 混凝土的耐疲勞壽命

從表5可知，5種混凝土的抗彎疲勞壽命與應(yīng)力水平有著密切的關(guān)系，隨著應(yīng)力水平的增加出現(xiàn)大幅下降。而從5種混凝土的各個(gè)應(yīng)力水平下的疲勞壽命上來看，纖維的加入對(duì)提高混凝土的的抗彎疲勞性具有顯著效果，以應(yīng)力0.7為例，未添加纖維的素混凝土抗彎疲勞壽命為1 523次，鋼纖維混凝土的抗彎疲勞壽命為14 257次；摻量0.3%、0.6%、0.9%仿鋼纖維混凝土的抗彎疲勞壽命分別為6 259次、12 259次、14 745次，表明纖維用量越大，混凝土抗疲勞效果越好。這種趨勢(shì)隨著應(yīng)力水平的變大而更加明顯，摻量0.6%仿鋼纖維混凝土的疲勞壽命較素混凝土提高量是4.11倍、9.68倍、10.98倍，高應(yīng)力對(duì)抗彎疲勞效果有放大的作用。

3.4 抗?jié)B性

橋梁防撞墻附近0.5 m的瀝青混凝土中面層，通常采用碎石代替瀝青混凝土用以提高橋面的排水滲透性，冬季氯鹽滲透作用于該區(qū)域，易引橋面鋪裝混凝土性能下降。為評(píng)價(jià)仿鋼纖維混凝土的抗?jié)B性能，采用電通量法測(cè)量混凝土氯離子遷移系數(shù)進(jìn)行抗?jié)B性能評(píng)價(jià)。常規(guī)養(yǎng)護(hù)28 d后又將試件放入混凝土凍融試驗(yàn)箱中開展混凝土抗凍性試驗(yàn)[5]，用以模擬橋面鋪裝混凝土的冬季氯鹽腐蝕環(huán)境，后進(jìn)行電通量測(cè)試。由于試驗(yàn)存在離散性，具體測(cè)試結(jié)果取各組有效數(shù)據(jù)的平均值，數(shù)據(jù)見表6。

表6 電通量試驗(yàn)結(jié)果

由表6電通量試驗(yàn)結(jié)果可知，仿鋼纖維混凝土的氯離子滲透性要好于鋼纖維混凝土，主要原因是仿鋼纖維主要材質(zhì)為聚丙烯，纖維直徑小，在混凝土內(nèi)雜亂排布更分散，耐腐蝕，經(jīng)氯鹽凍融環(huán)境處理后表面無明顯變化，質(zhì)量損失小，氯離子滲透性低。仿鋼纖維混凝土的電通量在摻量低于0.6%時(shí)，氯離子滲透性高于素混凝土，但當(dāng)仿鋼纖維摻量大于0.9%時(shí)，其電通量上升，接近素混凝土電通量水平，后切樣發(fā)現(xiàn)，因仿鋼纖維質(zhì)量較輕，隨著纖維摻量的增多，在混凝土內(nèi)部排布出現(xiàn)聚集的情況，造成滲透界面的出現(xiàn)，氯離子滲透性隨之上升。

4 總結(jié)

仿鋼纖維密度低，具有很好的耐彎拉性和耐候性。采用仿鋼纖維制備混凝土較之鋼纖維混凝土其抗折性能、耐疲勞性能和抗?jié)B性能均有提高。仿鋼纖維添加量易控制在總體摻量的0.6%左右，超過該區(qū)間混凝土抗?jié)B性能和抗折性能出現(xiàn)下降。