聚丙烯纖維和硅灰復(fù)摻增強(qiáng)路面混凝土的疲勞性能

李勝文

(河北省石黃高速公路管理處)

0 引 言

當(dāng)前,疲勞破壞是路面結(jié)構(gòu)的主要破壞形式之一。提高混凝土的彎曲疲勞性能是減薄路面厚度和提高路面使用壽命的重要途徑。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,公路交通運(yùn)輸呈現(xiàn)出“大流量、重型化”的特點(diǎn),這使路面混凝土承受的疲勞應(yīng)力增加,路面的破損加劇,從而對(duì)路面混凝土的抗疲勞性能提出了更高的要求。

纖維可提高混凝土吸收能量的能力,混凝土摻加纖維是提高混凝土疲勞性能的常用方法。纖維混凝土疲勞性能與纖維的體積摻量、類型和長(zhǎng)細(xì)比有關(guān),這些參數(shù)的不同組合會(huì)引起不同的疲勞特性。但是,摻加纖維在帶來(lái)益處的同時(shí),也會(huì)引進(jìn)一些缺陷。纖維能夠搭接微裂縫并阻礙它們的生長(zhǎng),從而提高混凝土在循環(huán)荷載下的性能;但纖維的存在增加了混凝土中的孔隙和初始微裂縫密度,導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度降低。有文章指出,纖維只有助于提高復(fù)合材料在低周循環(huán)范圍內(nèi)的疲勞性能;對(duì)于更高的循環(huán)次數(shù),纖維不能提供改善作用。而硅灰可以改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。因此,本文希望通過(guò)研究復(fù)摻聚丙烯纖維和硅灰來(lái)有效提高路面混凝土的疲勞性能。

1 原材料與配合比

1.1 原材料

聚丙烯纖維 選用天津思騰的改性聚丙烯纖維(PP纖維),基本參數(shù)如表 1。

表1 聚丙烯纖維的性能參數(shù)

硅灰。選用上海天愷特種材料公司的硅灰,平均粒徑150～200mm,比表面積 15000～20000m2/kg,具火山灰活性。

外加劑。減水劑選用天津產(chǎn)UNF-5非引氣型高效減水劑,消泡劑選用磷酸三酊酯,液態(tài),比重為 0.9727,摻量為減水劑的 3%。

水泥。選用鹿泉東方鼎鑫水泥廠生產(chǎn)的 P.O.42.5普通硅酸鹽水泥。

砂子。選用中砂,細(xì)度模數(shù)為 2.3。石子。選用輝綠巖碎石,16～30mm。

1.2 路面混凝土的配合比設(shè)計(jì)

配合比按重交通量水泥混凝土路面設(shè)計(jì),硅灰摻量采用內(nèi)摻法?；炷僚浜媳热绫?2。

表 2 混凝土配合比kg/m3

2 彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)及分析方法

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

因?yàn)槁访婊炷恋钠诤奢d為車輛荷載,考慮其受力狀態(tài),用彎折試驗(yàn)來(lái)評(píng)定其疲勞性能。

彎曲疲勞試驗(yàn)采用100×100×400mm的混凝土試件,每組6個(gè)試件。加載設(shè)備為INSTRON電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī),荷載量程為 100kN。加荷方式采用三分點(diǎn)加荷、加載模式采用應(yīng)力控制、采用與實(shí)際路面受到的荷載波形比較接近的連續(xù)正弦加載波形。為了保證加載頭與試件的良好接觸,正弦波荷載的最小值 Pmin為最大值 Pmax的 10%,即荷載的循環(huán)特征值 R=Pmin/Pmax=0.1。針對(duì)近年來(lái)交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展和重載、超載車輛的出現(xiàn)而造成的應(yīng)力水平普遍偏高,本文疲勞試驗(yàn)的荷載應(yīng)力水平 S=σmax/σf(其中 σmax為最大抗疲勞應(yīng)力,σf為試件抗折強(qiáng)度)采用 0.70,0.75,0.80和 0.85四種。加載頻率為 10Hz,相當(dāng)于 60km/h的車輛的行駛速度。

2.2 混凝土的疲勞方程

采用常見(jiàn)的單對(duì)數(shù)疲勞方程進(jìn)行分析,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中:S為荷載應(yīng)力水平;N為混凝土的疲勞破壞次數(shù);α、β為回歸參數(shù),由試驗(yàn)條件、加載方式及材料特性等因素決定。

單對(duì)數(shù)疲勞方程其形式簡(jiǎn)單、能較好地?cái)M合試驗(yàn)結(jié)果,在應(yīng)力水平范圍(0.55＜S＜0.85)內(nèi)都是適用的。

混凝土材料的疲勞性能取決于疲勞方程中的兩個(gè)參數(shù)α和 β:參數(shù) α反映疲勞曲線的高低,α越大,疲勞曲線越高,則混凝土的抗折疲勞性能越好;參數(shù)β反映疲勞曲線的陡緩程度,β越大,疲勞曲線越陡,則混凝土的疲勞壽命隨應(yīng)力的變化越敏感。

3 結(jié)果與討論

3.1 同一失效概率下不同混凝土的疲勞性能比較

表 3為失效概率 p=0.1時(shí)各種混凝土的疲勞方程及其回歸參數(shù)。我國(guó)《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD40-94)以及《機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面設(shè)計(jì)規(guī)范》(GJB1278-91)中,普通混凝土的疲勞方程采用單對(duì)數(shù)方程形式,即S=0.944-0.077lgNe。本文試驗(yàn)得出的普通混凝土的單對(duì)數(shù)疲勞方程為S=0.916-0.0753lgNe,這與規(guī)范給出的公式比較接近,只是α和β略小于規(guī)范給出的數(shù)值。

從表 3可以看出,摻入硅灰和 PP纖維后,混凝土疲勞方程的回歸參數(shù)和值都有不同程度的提高。值增大,說(shuō)明混凝土的彎曲疲勞性能明顯增強(qiáng);值增大,說(shuō)明混凝土的疲勞曲線變陡,疲勞壽命隨應(yīng)力變化的敏感程度有所增加。

表 3 混凝土的疲勞方程 (失效概率p=0.1)

與其他幾種混凝土相比,SPC-1的值增加最多,而其值增加最少,這說(shuō)明SPC-1的彎曲疲勞性能增加最明顯,而其疲勞壽命隨應(yīng)力變化的敏感程度增加最不明顯。

3.2 混凝土的理論疲勞壽命比較

通過(guò)表 3所示的疲勞方程可以計(jì)算混凝土在各應(yīng)力水平下的理論疲勞壽命,表 4是用單對(duì)數(shù)疲勞方程計(jì)算的相同應(yīng)力水平下不同混凝土的理論疲勞壽命。

表 4 混凝土的理論疲勞壽命

從表 4可以看出,摻入 PP纖維后,混凝土的理論疲勞壽命都有不同程度的增長(zhǎng),這說(shuō)明PP纖維增強(qiáng)混凝土的疲勞性能明顯優(yōu)于PC。PP纖維和硅灰共用的混凝土疲勞性能得到進(jìn)一步提高,優(yōu)于單用PP纖維增強(qiáng)的混凝土。隨應(yīng)力水平的增大,PP纖維增強(qiáng)混凝土和PP混合硅灰增強(qiáng)混凝土的理論疲勞壽命成倍增長(zhǎng),也就是說(shuō) PP纖維及 PP纖維和硅灰混合增強(qiáng)混凝土在高應(yīng)力水平下具有更為突出的疲勞壽命,能夠很好地適應(yīng)大流量、重荷載的現(xiàn)代化交通的要求。由表 4可見(jiàn),PP纖維單摻時(shí),疲勞性能隨產(chǎn)量增加而提高,以 S=0.85情況為例,PPC-1的疲勞壽命提高118.18%,PPC-2的疲勞壽命提高 227.27%。PP纖維(5%)的基礎(chǔ)上,再加入硅灰(5%),則混凝土的疲勞壽命提高427.09%,但隨著硅灰摻量的進(jìn)一步增大(10%),混凝土的疲勞壽命降低到281.18%,但仍比單摻PP纖維的混凝土要高。

當(dāng)混凝土中摻入 PP纖維時(shí),均勻分布的纖維將限制裂縫尖端的發(fā)展,裂縫只能繞過(guò)纖維或把纖維拉斷來(lái)繼續(xù)擴(kuò)展。這樣裂縫的發(fā)展就需要消耗較大的能量,即 PP纖維能夠延緩裂縫的發(fā)展速度和分散裂縫的發(fā)展路徑,降低了裂縫在疲勞荷載下發(fā)展成貫通破壞性裂縫的幾率,從而提高了混凝土的抗疲勞性能。當(dāng)在PP纖維的基礎(chǔ)上再加入硅灰后,混凝土的微觀結(jié)構(gòu)得到改善,初始缺陷減少,疲勞壽命進(jìn)一步提高,但當(dāng)硅灰摻量太大時(shí),由于混凝土工作性變差,初始缺陷如氣孔等反而增多,導(dǎo)致疲勞性能有所下降,但與普通混凝土相比還是有較大的提高。

4 結(jié) 論

PP纖維可以明顯提高混凝土的疲勞性能,并且在一定摻量范圍內(nèi),PP纖維增強(qiáng)混凝土的疲勞性能隨PP纖維的摻量增大而提高。應(yīng)力水平越大,疲勞性能提高的效果越明顯,這說(shuō)明PP纖維增強(qiáng)混凝土路面尤其能適應(yīng)重交通荷載的反復(fù)作用。

PP纖維和硅灰復(fù)摻增強(qiáng)的混凝土疲勞性能可得到進(jìn)一步的提高,這是因?yàn)镻P纖維具有阻礙裂縫擴(kuò)展的作用,而硅灰改善了混凝土微觀結(jié)構(gòu),減少了初始缺陷。但當(dāng)硅灰摻量太大時(shí),由于混凝土的工作性下降很大,導(dǎo)致成型過(guò)程有很多缺陷產(chǎn)生,反而造成了疲勞性能一定程度的下降。

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