聚丙烯腈纖維在鐵路橋橋面鋪裝中的研究與應(yīng)用

摘要：在鐵路橋橋面混凝土鋪裝施工中應(yīng)用聚丙烯腈纖維，可有效提高橋面韌性，抵御外力沖擊，增強(qiáng)橋面抗?jié)B水、防開裂效果，有利于提升混凝土整體性能，可顯著提高路面質(zhì)量，降低施工成本，延長(zhǎng)使用年限。圍繞聚丙烯腈纖維在鐵路橋橋面鋪裝施工進(jìn)行拓展研究，針對(duì)其各方面性能優(yōu)勢(shì)及在工程中的具體應(yīng)用進(jìn)行探討，以為節(jié)約型交通發(fā)展建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：聚丙烯腈纖維;橋面鋪裝;優(yōu)勢(shì)性能;應(yīng)用

0" "引言

鐵路橋整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工工序繁瑣，對(duì)施工環(huán)節(jié)性能參數(shù)要求嚴(yán)苛，對(duì)整體質(zhì)量要求高。鋼筋混凝土橋面構(gòu)件作為鐵路橋的主要質(zhì)量承擔(dān)構(gòu)件，長(zhǎng)時(shí)間受到火車動(dòng)載荷的力學(xué)作用，因而對(duì)其性能提出的要求較高。鐵路橋表面混凝土鋪裝完成后，易產(chǎn)生塑性裂縫，且因受到長(zhǎng)期的動(dòng)壓力、融凍交替的作用，也容易出現(xiàn)金屬腐蝕、原生裂縫、強(qiáng)度受損等質(zhì)量問題。本文針對(duì)其各方面性能優(yōu)勢(shì)及在工程中的具體應(yīng)用進(jìn)行探討。

1" "橋面鋪裝使用聚丙烯腈纖維的優(yōu)勢(shì)

聚丙烯腈纖維的主要成分是聚丙烯腈，是利用特殊的制造工序得到的一類具有突出抗拉性能、模量彈性、親水性及抗腐蝕性的較先進(jìn)的化學(xué)產(chǎn)品。聚丙烯腈纖維如圖1所示。

聚丙烯腈纖維中纖維密度較高，每立方米能夠達(dá)到2～11億根。由纖維間距原理可知，對(duì)相同材質(zhì)的纖維而言，隨著纖維數(shù)量的增加，相應(yīng)的纖維比表面積值增大，代表纖維可承受更大的塑性開裂應(yīng)力。將聚丙烯腈纖維加入到混凝土中，可有效提高混凝土性能。將聚丙烯腈纖維混凝土應(yīng)用到鐵路橋橋面鋪裝中，優(yōu)化了常規(guī)混凝土的脆性破壞，可明顯提升橋面工程的抗拉性能、模量彈性、親水性及抗腐蝕性等性能，且不容易產(chǎn)生塑性裂縫，能夠有效延長(zhǎng)鐵路橋表面的使用年限[1]。

2" "聚丙烯腈纖維混凝土性能優(yōu)勢(shì)

2.1" "提高鐵路橋橋面抗沖擊性

當(dāng)聚丙烯腈纖維混凝土鐵路橋橋面受到外力沖擊影響時(shí)，混凝土中的纖維結(jié)構(gòu)會(huì)形成一種相對(duì)均勻組態(tài)的不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)分布結(jié)構(gòu)。這種分布結(jié)構(gòu)能夠有效增加混凝土受到外力產(chǎn)生動(dòng)能的吸附率[2]。應(yīng)對(duì)常規(guī)混凝土普遍存在的裂縫問題，聚丙烯腈纖維混凝土的內(nèi)部纖維，可有效釋放裂縫尖端產(chǎn)生的集中應(yīng)力，從而限制混凝土裂縫的擴(kuò)展蔓延。它可以提升材料保持原有的完整性趨勢(shì)，有效緩解因外界沖擊壓力中斷導(dǎo)致的區(qū)域應(yīng)力過于集中現(xiàn)象，增強(qiáng)了橋面沖擊力的有效傳導(dǎo)，吸收動(dòng)能，使鐵路橋面具有良好的抗沖擊性。圖2所示為纖維摻量差異對(duì)聚丙烯腈纖維混凝土抗沖擊性能影響。

2.2" "提高鐵路橋橋面防滲抗裂性能

混凝土構(gòu)件產(chǎn)生的裂縫，是引起鐵路橋表面發(fā)生病害甚至不能正常使用的主要成因。在橋面鋪裝時(shí)，在混凝土中加入聚丙烯腈纖維，可有效降低混凝土塑性時(shí)期產(chǎn)生的塑性裂縫及塑性收縮問題，并能夠相當(dāng)程度的緩解混凝土硬化之后產(chǎn)生干縮裂縫問題。由此可以確保鐵路橋面混凝土，不隨裂縫的增加而降低強(qiáng)度。聚丙烯腈纖維對(duì)混凝土抗裂性能分析如表1所示，其中聚丙烯腈纖維纖度取1.9dtex，長(zhǎng)度取6mm。

因?yàn)闃蛎婊炷恋牧芽p程度的鈍化和數(shù)量的降低，使得鐵路橋面放滲性能明顯提高。聚丙烯腈纖維加入過程中必將混入部分空氣，混凝土中空氣比例提高，由此使得橋面的防凍性能得到提高，鐵路橋面的抗凍融效果得以提升。纖維摻量差異對(duì)聚丙烯腈纖維混凝土抗?jié)B性能影響如圖3所示，同樣聚丙烯腈纖維纖度取1.9 dtex，長(zhǎng)度取6mm。

2.3" "提高鐵路橋橋面抗彎韌性

應(yīng)用聚丙烯腈纖維的混凝土使橋面延性得到提高，抑制了橋面形變問題，雖仍存在一些開裂現(xiàn)象，但對(duì)其固有的動(dòng)載荷承載能力影響不大[3]。實(shí)踐證明，當(dāng)聚丙烯腈纖維摻量為1.5kg/m3時(shí)，其抗彎韌性可提升4.5～11倍，可見聚丙烯腈纖維混凝土對(duì)載荷的抵御能力較強(qiáng)，對(duì)動(dòng)能的吸收能力較強(qiáng)。聚丙烯腈纖維混凝土相比常規(guī)混凝土的脆性劣勢(shì)有明顯優(yōu)化，這對(duì)受動(dòng)載荷作用頻率較高的鐵路橋橋面的性能提升，具有意義重大。

2.4" "提高鐵路橋橋面抗疲勞性能

聚丙烯腈纖維混凝土對(duì)優(yōu)化鐵路橋橋面抗疲勞性能效果也很明顯。同樣當(dāng)聚丙烯腈纖維摻量為1.5kg/m3左右時(shí)，相比于常規(guī)混凝土的靜力彈性降低。但隨著纖維摻量的提高，其疲勞變形模量參數(shù)會(huì)相應(yīng)提升。由此可見，聚丙烯腈纖維混凝土鐵路橋面在受到動(dòng)能載荷作用時(shí)，能夠發(fā)揮更具優(yōu)勢(shì)的抗彎曲疲勞性能，特別針對(duì)高應(yīng)力比情況，相比常規(guī)混凝土的疲勞壽命成倍數(shù)增長(zhǎng)。

3" "聚丙烯腈纖維應(yīng)用要點(diǎn)

將聚丙烯腈纖維混凝土應(yīng)用到鐵路橋橋面鋪裝，具有摻入工序簡(jiǎn)便、同水泥砂漿融合充分、纖維材料分散均勻性好等特點(diǎn)，能夠緩解混凝土中不同類型骨料的離析情況，降低混凝土泌水概率。鑒于聚丙烯腈纖維性能表現(xiàn)突出，在國(guó)內(nèi)鐵路橋橋面鋪裝工程施工得到了廣泛應(yīng)用。應(yīng)用聚丙烯腈纖維混凝土進(jìn)行鐵路橋橋面鋪裝，與常規(guī)鋪裝工序基本類似，但具體實(shí)施時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制以下幾個(gè)要點(diǎn)。

對(duì)于鐵路橋橋面鋪設(shè)施工中使用的水泥、砂、石、聚丙烯腈纖維等材料應(yīng)嚴(yán)格把控進(jìn)場(chǎng)質(zhì)量，不符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的材料禁止進(jìn)場(chǎng)。

混凝土拌合工序應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)拌合比進(jìn)行攪拌，攪拌過程中摻料次序應(yīng)按照先砂后石，再聚丙烯腈纖維，然后干攪拌混凝土約0.5min。在不間斷攪拌的同時(shí)加入外加劑液體和水，持續(xù)約2min。混凝土的出料過程中，應(yīng)及時(shí)檢測(cè)其和易性等重要參數(shù)，觀測(cè)混凝土是否出現(xiàn)離析或結(jié)團(tuán)等情況，聚丙烯腈纖維在混凝土中的分布是否勻稱。如不符合要求，則應(yīng)通過延長(zhǎng)攪拌時(shí)間的方式直至達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

混凝土塌落度應(yīng)嚴(yán)格控制在20～35mm區(qū)間，橋面混凝土混合料盤銜接處塌落度偏差需控制在-10～10mm范圍。同時(shí)應(yīng)實(shí)時(shí)觀察環(huán)境因素影響參數(shù)變化，根據(jù)環(huán)境變化適當(dāng)調(diào)整，以保證鋪裝質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

相同環(huán)境影響因素條件下，聚丙烯腈纖維混凝土的切縫時(shí)間應(yīng)比常規(guī)混凝土延后1h。切縫時(shí)要防止帶出聚丙烯腈纖維。在鐵路橋橋面滑模鋪裝完成后，應(yīng)避免人為修繕，以防止聚丙烯腈纖維被人為操作帶出。人為做面修補(bǔ)時(shí)應(yīng)避免摻水稀釋，以防止混凝土與聚丙烯腈纖維之間產(chǎn)生離析。

4" "結(jié)語

在混凝土中摻入聚丙烯腈纖維實(shí)現(xiàn)混凝土“物理性加筋”，相較于常規(guī)混凝土表現(xiàn)出了更好的抗拉伸、抗腐蝕、抗沖擊、防滲抗裂、抗彎曲、抗疲勞等性能。在鐵路橋橋面鋪裝中應(yīng)用聚丙烯腈纖維混凝土，可顯著提升橋面施工性能，有效避免了常規(guī)混凝土脆性大的劣勢(shì)，具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 賀拴海，趙祥模，馬建，等.公路橋梁檢測(cè)及評(píng)價(jià)技術(shù)綜述[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào).2017（11）：63-80.

[2] 賀祖浩，李守德，姚燕，等.聚丙烯腈纖維水泥土的力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2015（4）：42-46.

[3] 王志旺，楊鼎宜，王金輝，等.聚丙烯腈纖維混凝土耐久性能試驗(yàn)研究[J].混凝土與水泥制品.2019（11）：49-52.