鋼-聚丙烯混雜纖維對路橋混凝土結(jié)構(gòu)抗?jié)B及耐久性能的影響

王朝熠　羅偉峰　陳信朋　熊成　侯儀標(biāo)

摘要：為了提高路橋混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)及耐久性能，保障結(jié)構(gòu)正常使用壽命，文章分別將鋼纖維和聚丙烯纖維進(jìn)行單摻和復(fù)摻，對混凝土開展了抗壓強(qiáng)度試驗和抗?jié)B性能試驗，分析了單摻纖維和混雜纖維對混凝土強(qiáng)度及耐久性能的影響。研究結(jié)果表明：（1）單摻CF能夠提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，但對抗?jié)B壓力影響不大，混凝土強(qiáng)度最高可提高11.6%；（2）單摻PPRF對混凝土強(qiáng)度影響不大，但可以提高其抗?jié)B性能；（3）當(dāng)纖維混合比例為CF40/PPRF1.5時，混凝土力學(xué)和耐久性能最佳。此研究可為復(fù)雜環(huán)境下的路橋混凝土配合比設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：路橋混凝土；耐久性；纖維混凝土；鋼纖維

0引言

在廣西境內(nèi)的巖溶地區(qū)發(fā)育著各種類型的巖溶地貌和巖溶形態(tài)，如地表陷穴、巖溶漏斗、落水洞、古暗河、溶洞等，且境內(nèi)降水量偏高。地下水及地表水對道路與橋梁的混凝土結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生很大影響，因此有必要對路橋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行研究。目前普遍認(rèn)為，混凝土的抗?jié)B性能越好，有害介質(zhì)越不易侵入混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其耐久性將得到提高。若混凝土的抗?jié)B性能得不到保障，則會直接影響到工程的耐久性，可能減短路橋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，甚至嚴(yán)重影響交通的安全運(yùn)營。國內(nèi)外學(xué)者對此展開了廣泛的研究［1-3］，并取得了很多有意義的研究成果。既有研究表明［4］，聚丙烯纖維的摻入可以有效提高混凝土的抗?jié)B性能，而鋼纖維則能有效提高混凝土的抗裂性能。本文在前人的研究基礎(chǔ)上，研究兩種纖維在單摻和復(fù)摻時對混凝土力學(xué)性能及抗?jié)B性能的影響，并探究兩者混合摻入時的交互作用關(guān)系，為路橋混凝土結(jié)構(gòu)配合比設(shè)計提供參考。

1 配合比設(shè)計及試驗方案

1.1 原材料及配合比設(shè)計

水泥采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其各項性能指標(biāo)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；粗骨料應(yīng)滿足《鋼纖維混凝土》（JG/T-472-2015）［5］中5.3節(jié)的規(guī)定，即應(yīng)采用連續(xù)級配的碎石，且最大公稱直徑應(yīng)≤25 mm和鋼纖維長度的3/4，本文采用粗骨料粒徑為5～25 mm的碎石；細(xì)骨料選用天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，顆粒級配滿足Ⅱ區(qū)連續(xù)級配，其各項性能指標(biāo)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；外加劑選用聚羧酸高效減水劑；鋼纖維選用波浪剪切型鋼纖維，聚丙烯纖維選用長度為19 mm的短纖維，纖維的各項性能指標(biāo)如表1所示。

基準(zhǔn)混凝土配合比計算應(yīng)按照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ55-2011）［6］進(jìn)行，基準(zhǔn)混凝土配合比確定后，再摻入不同摻量的鋼纖維和聚丙烯纖維。本文以C40混凝土為研究對象，通過計算可確定標(biāo)準(zhǔn)C40混凝土的配合比如表2所示。

1.2 試驗方案設(shè)計

本文意在研究鋼纖維（CF）和聚丙烯纖維（PPRF）在單摻和復(fù)摻時對混凝土強(qiáng)度和抗?jié)B性能的影響。通過充分調(diào)研，綜合考慮既有研究成果［7-8］，分別取CF摻量為35 kg/m3、40 kg/m3、45 kg/m3、50 kg/m3；PPRF摻量為0.5 kg/m3、1.0 kg/m3、1.5 kg/m3、2.0 kg/m3，首先對單因素進(jìn)行試驗測試并分析其影響規(guī)律，再根據(jù)試驗結(jié)果，選取兩個因素中具有代表性的摻量進(jìn)行混合摻入，探究鋼-聚丙烯混雜纖維對混凝土性能的影響。混凝土配合比及試驗分組情況如下頁表3所示。

試驗編號為H1的混凝土為基準(zhǔn)混凝土，起到空白對照的作用，編號為H2-H9的混凝土為單摻CF或PPRF的混凝土，通過對這9組混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗及滲透高度試驗，評價不同摻量的纖維對混凝土力學(xué)性能及抗?jié)B性能的影響規(guī)律，并確定每種纖維的最佳摻量，為后續(xù)試驗建立基礎(chǔ)。

2 單摻纖維對混凝土性能的影響

2.1 力學(xué)性能試驗及結(jié)果分析

對于路橋混凝土結(jié)構(gòu)而言，首先要滿足混凝土的基本抗壓強(qiáng)度。因此，本節(jié)將對基準(zhǔn)混凝土及纖維混凝土開展28 d標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度試驗，并對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，探究兩種纖維對混凝土強(qiáng)度的影響。根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2019）［9］中的相關(guān)要求進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度試驗，依次測試9組混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度。試驗結(jié)果如圖1和圖2所示。

由圖1可知，隨著CF摻量的不斷提高，混凝土28 d強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當(dāng)鋼纖維摻量為45 kg/m3時，混凝土28 d強(qiáng)度達(dá)到最高，相較于基準(zhǔn)混凝土而言，其強(qiáng)度增長率為11.6%；當(dāng)CF摻量＞45 kg/m3時，強(qiáng)度開始下降。這是因為過高的CF摻量將會導(dǎo)致混凝土工作性能降低，振搗不易密實(shí)，而且混凝土內(nèi)部過多的鋼纖維將影響混凝土骨料之間的粘結(jié)特性，致使強(qiáng)度下降。試驗結(jié)果表明，單摻鋼纖維時的最佳摻量為45 kg/m3。

由圖2可知，隨著PPRF摻量的提高，混凝土抗壓強(qiáng)度同樣呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，但強(qiáng)度增長趨勢不明顯，說明PPRF對混凝土強(qiáng)度影響不明顯，其最佳摻量為1.5 kg/m3，此時強(qiáng)度增長率僅為5.8%。

2.2 耐久性能試驗及結(jié)果分析

混凝土耐久性能試驗采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082-2009）［10］中的逐級加壓法。試件采用185 mm×175 mm×150 mm的抗?jié)B試件，澆筑并養(yǎng)護(hù)完成后，首先將試件表面的浮漿清理干凈，隨后在試件側(cè)面涂抹一層熔化的內(nèi)加少量松香的石蠟，然后采用螺旋加壓器將試件壓入經(jīng)過烘箱預(yù)熱過的鋼模中，使試件與試模底平齊，并在試模變冷后解除壓力，將密封好的試件安裝在抗?jié)B儀上。每組試件以6個為一組，按照規(guī)范方法進(jìn)行逐級加壓試驗，并記錄每組試件的抗?jié)B壓力。試驗結(jié)果如表4所示。

試驗結(jié)果表明，CF和PPRF的摻入均有利于提高混凝土的抗?jié)B壓力，其中，CF的摻入能夠使混凝土抗?jié)B壓力提高0.1～0.2 MPa，提高幅度有限。當(dāng)CF摻量為40 kg/m3時，抗?jié)B壓力提高到0.9 MPa。隨著鋼纖維摻量的不斷提高，抗?jié)B壓力出現(xiàn)下降的趨勢，當(dāng)CF摻量為50 kg/m3時，抗?jié)B壓力甚至低于基準(zhǔn)混凝土，說明過高的CF摻量會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部缺陷增多，從而影響混凝土的抗?jié)B性能。PPRF的摻入能夠使混凝土抗?jié)B壓力提高0.1～0.3 MPa，提高幅度比CF混凝土更大；當(dāng)其摻量為1.5 kg/m3時，抗?jié)B等級達(dá)到1.1 MPa，為9組混凝土中的最高水平。由此可見，針對混凝土抗?jié)B性能而言，CF的最佳摻量為40 kg/m3，PPRF的最佳摻量為1.5 kg/m3。

3 混雜纖維對混凝土性能的影響

通過對單摻纖維混凝土進(jìn)行強(qiáng)度及耐久性能試驗可以發(fā)現(xiàn)：CF具有代表性的摻量為40 kg/m3和45 kg/m3；PPRF具有代表性的摻量為1.0 kg/m3和1.5 kg/m3。因此，本節(jié)將在前文的研究基礎(chǔ)上，將CF和PPRF進(jìn)行復(fù)摻，探究混雜纖維對混凝土強(qiáng)度及耐久性的影響。本節(jié)所采用的試驗方法與前文相同，試件分組及試驗結(jié)果如表5和圖3所示。

圖表中CF40/PPRF1.0代表混雜纖維混凝土中鋼纖維的摻量為40 kg/m3，聚丙烯纖維的摻量為45 kg/m3，以此類推。試驗結(jié)果表明，混雜纖維混凝土的強(qiáng)度和耐久性普遍高于單摻纖維混凝土，說明鋼纖維和聚丙烯纖維能夠起到正混雜效應(yīng)，兩者復(fù)摻能夠進(jìn)一步提高混凝土的強(qiáng)度及耐久性，這是因為重量較輕的聚丙烯纖維能在混凝土中形成立體的空間三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［11］，為較重的鋼纖維起到承托作用，防止鋼纖維出現(xiàn)下沉而分布不均的情況。4組混雜纖維混凝土中，CF40/PPRF1.5的抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B壓力最高，相較于基準(zhǔn)混凝土，其強(qiáng)度增長率為18.2%，抗?jié)B壓力提高了0.5 MPa。

4 結(jié)語

通過對單摻和復(fù)摻纖維混凝土進(jìn)行力學(xué)性能和耐久性能試驗，可得到如下結(jié)論：

（1）單摻鋼纖維時，隨著CF摻量的不斷提高，混凝土強(qiáng)度出現(xiàn)先增大后下降的趨勢。當(dāng)CF摻量為45 kg/m3時，強(qiáng)度達(dá)到最高為46.1 MPa，強(qiáng)度增長率為11.6%；當(dāng)CF摻量為40 kg/m3時，抗?jié)B壓力最大為0.9 MPa。

（2）單摻聚丙烯纖維時，混凝土強(qiáng)度提高幅度不大。當(dāng)PPRF摻量為1.5 kg/m3時，強(qiáng)度增長率僅為5.8%，但抗?jié)B壓力提高了0.3 MPa，說明PPRF對混凝土抗壓強(qiáng)度影響不大，但對耐久性能有較大影響。

（3）復(fù)摻鋼纖維和聚丙烯纖維時，CF40/PPRF1.5的抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B壓力最高，相較于基準(zhǔn)混凝土，其強(qiáng)度增長率為18.2%，抗?jié)B壓力提高了0.5 MPa，說明兩者能夠起到正混雜效應(yīng)。

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作者簡介：王朝熠（1994—），工程師，主要從事道路橋梁工程施工管理工作。