異型塑鋼粗合成纖維混凝土在道橋工程中的應(yīng)用

【摘要】同普通鋼纖維相比較而言，粗合成纖維具有明顯的性能優(yōu)勢，在道橋工程中采用粗合成纖維混凝土材料是水泥基復(fù)合材料的大勢所趨。粗合成纖維分為不同的種類，每種類型都有其自身的特點和優(yōu)勢。本文對粗合成纖維的性能特點進(jìn)行重點分析，尤其對粗合成纖維中的異型塑鋼粗合成纖維的抗彎韌性、抗疲勞性、抗斷裂性和軸向拉伸等等性能優(yōu)勢進(jìn)行詳細(xì)的闡述，并對其用于道橋施工中容易出現(xiàn)的問題進(jìn)行討論。

【關(guān)鍵詞】粗合成纖維；異型塑鋼；混凝土；力學(xué)特性

隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種道橋交通樞紐基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)投入力度的加大，現(xiàn)代道橋的功能和使用性能要求的提高，對道橋建設(shè)的質(zhì)量也有了更加嚴(yán)格的要求。對于道橋工程來說，其路面的性能要求必須具有良好的耐沖擊、抗拉伸、抗疲勞等性能，要達(dá)到這些性能，建筑材料的使用尤為重要。對于普通的水泥混凝土來說，多年來的施工建設(shè)，其已經(jīng)表現(xiàn)出良好的剛度和荷載性能，而且具有良好的穩(wěn)定性。但是其表現(xiàn)出來的較差的彎曲韌性和脆性弱點，導(dǎo)致路面表層發(fā)生斷裂，很容易有裂縫的產(chǎn)生，這就給路面的維護(hù)加大了工程量，也給道路的安全暢通造成阻礙。隨著合成材料的誕生，粗合成纖維混凝土以其良好的性能優(yōu)勢逐漸被用于道橋路面的建筑中。粗合成纖維同普通鋼纖維比較而言，有效的防止混凝土的開裂，而且抗彎性、抗疲勞性、耐沖擊性的性能良好，是我國道橋工程施工建設(shè)中水泥基復(fù)合材料的發(fā)展趨勢。

1、粗合成纖維的概述

粗合成纖維混凝土在國外發(fā)達(dá)國家使用較早，在現(xiàn)今道橋工程中使用的粗合成纖維主要有以下幾種類型：

（1）日本的Barchip粗合成纖維。此種粗合成纖維為1.6mm×0.6mm的橫截面，其抗拉強度在620～758MPa之間。此種粗合成纖維具有良好的分散性，而且具有很好的抗高溫、抗爆裂性。

（2）美國的Forta粗合成纖維。此種粗合成纖維是將12根左右的細(xì)纖維纏繞成為束狀螺旋形。較細(xì)單絲纖維的橫截面為1mm左右的矩形。其對改變混凝土的脆性有良好的作用，能夠明顯的提高混凝土的抗沖擊性和柔韌性。

（3）美國的HPP152粗合成纖維。此種粗合成纖維是將1600根纖維集成為整體的一捆，能夠迅速的在混凝土中分散開來，此種粗合成纖維的良好性能尤其適合在噴射混凝土中使用。

（4）國產(chǎn)的異型塑鋼粗合成纖維.此種粗合成纖維是結(jié)合了聚丙烯材料和聚乙烯材料，其具有530MPa的抗拉強度、7.1GPa的彈性模量，纖維表面彈性模量壓痕波浪形，其良好的性能能夠與基材界面很好的黏結(jié)。

近年來，我國的粗合成纖維材料發(fā)展迅速，在混凝土的路橋面上，以及機場的跑道，都將其加以應(yīng)用。從實際應(yīng)用來看，其分散性、耐腐蝕性，以及對于提高混凝土的柔韌性、耐疲勞和耐沖擊性、抗彎性等都表現(xiàn)良好，而且使用成本較低，易于采用和推廣，同時對環(huán)境要求也較低，即使在惡劣的環(huán)境下，也能加以應(yīng)用。粗合成纖維可以在多個領(lǐng)域中加以應(yīng)用，尤其在噴射混凝土中，其優(yōu)勢非常明顯。因為粗合成纖維的根數(shù)較多，在混凝土中使用，分散迅速，可以明顯的提高混凝土的柔韌性和阻止裂縫的產(chǎn)生。本文主要針對國產(chǎn)的異型塑鋼粗合成纖維在混凝土中的應(yīng)用進(jìn)行探討

2、異型塑鋼粗合成纖維的主要力學(xué)特性分析

2.1使混凝士抗彎性能有效提高

異型塑鋼粗合成纖維對于與提高混凝土的抗彎強度有明顯的作用。抗彎拉強度的提高幅度根據(jù)纖維摻量的增加而變化。粗合成纖維的摻量在6kg/m至13kg/m的情況下，與素混凝土相比，抗拉彎強度可提高3%～16%。異型塑鋼粗合成纖維混凝土抗彎性能具體表現(xiàn)可參見下表1所示：

注：表1中C代表素混凝土，DC代表異型塑鋼粗合成纖維混凝土，數(shù)值代表纖維摻量（**）內(nèi)數(shù)值代表離散系數(shù)

由上表1可以看出，應(yīng)用異型塑鋼粗合成纖維的混凝土，其抗彎性和柔韌性都有了明顯的提高，素混凝土的脆性特質(zhì)，使其表現(xiàn)為彎曲韌性較差，其韌性指數(shù)僅為1，而應(yīng)用了異型塑鋼粗合成纖維的混凝土的彎曲韌性指數(shù)呈多倍的增長，并且增長的倍數(shù)和效果因為纖維質(zhì)量摻量的增加而顯著提高。使用粗合成纖維的混凝土在原有基礎(chǔ)上的彈性變形力增加，抗彎性和柔韌度都大幅度的提高，這可以有效的阻止混凝土裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，其良好的分散性，可以使其同基質(zhì)材料的黏結(jié)力增強，介質(zhì)連續(xù)性增加，有效的減少外來沖擊對混凝土路面的破壞。

2.2使混凝土的軸向拉伸性能有效提高

異型塑鋼粗合成纖維良好的抗阻裂性能，使混凝土在硬化過程中的抗拉伸性能得到有效的提高。通過對異型塑鋼粗合成纖維混凝土的軸向拉伸性能試驗發(fā)現(xiàn)，粗合成纖維混凝土具有明顯抗拉伸性能，同素混凝土相比較而言，其抗拉伸性具有明顯的優(yōu)勢。異型塑鋼粗合成纖維混凝土軸向拉伸試驗結(jié)果如下表2所示：

注：表2中代表抗拉強度，代表極限拉伸應(yīng)變，Et代表抗拉彈性模量，GF代表斷裂能，wf代表最大裂縫寬度。

從上表2中可以看出，應(yīng)用異型塑鋼粗合成纖維混凝土對比素混凝土，在抗拉強度、極限拉伸應(yīng)變和抗拉伸彈性模量上都有了大幅度的提高，其優(yōu)勢作用明顯。

2.3使混凝土的抗疲勞性能有效提高

參見表3對異型塑鋼粗合成纖維混凝土的抗疲勞性能進(jìn)行分析：

從上表4中可以看出，在應(yīng)力水平在0.5～0.6的情況下，異型塑鋼粗合成纖維的混凝土200萬次無破壞性產(chǎn)生，相對于素混凝土而言，其抗破壞性大大提高，疲勞壽命提高1.86倍～3.54倍，效果顯著。在應(yīng)力水平在0.7～0.8的情況下，其抗疲勞性比素混凝土仍然表現(xiàn)明顯，疲勞壽命仍然高于素混凝土的1倍～3.89倍。但需要強調(diào)的是，在強度高的應(yīng)力水平作用下，異型塑鋼粗合成纖維同混凝介質(zhì)之間的黏合性容易發(fā)生破壞，產(chǎn)生脫黏拔出的現(xiàn)象，粗纖維雖然對混凝土的基體微小的裂縫有降低的作用，但是畢竟其減少的程度是有限的。

2.4使混凝土的抗斷裂性能得到有效提高

相對于素混凝土來說，異型塑鋼粗合成纖維混凝土的抗斷裂性能有了明顯的提高。異型塑鋼粗合成纖維的抗斷裂性能的試驗結(jié)果參照下圖1所示：

通過對上圖1的荷載曲線的分析得出，當(dāng)荷載達(dá)到峰值以后，素混凝土表現(xiàn)出來的能夠承受的荷載量呈現(xiàn)急劇下降的發(fā)展趨勢，相對而言，異型塑鋼粗合成纖維混凝土的峰值以后表現(xiàn)出來的荷載承受力仍然保持在較高且平穩(wěn)的水平上，從曲線圖可以看出，在隨著裂口的加大，位移的增加變化，異型塑鋼粗合成纖維混凝土的抗斷裂性能反而有繼續(xù)增加的發(fā)展趨勢。當(dāng)纖維摻量達(dá)到了14kg/m3的時候，異型塑鋼粗合成纖維混凝土比素混凝土在斷裂韌度方面提高了8%，在斷裂能上提高了483%，抗斷裂性能顯著提高。

3、粗合成纖維在應(yīng)用中的主要技術(shù)點

3.1粗合成纖維的選擇和摻量的確定

因為粗合成纖維具有的種類及其特性表現(xiàn)，對其的選擇要以施工工程的要求和使用的目的為主要參照條件，以選擇性能合適的粗合成纖維，以使其優(yōu)勢性能得到充分的發(fā)揮和利用。纖維的摻量以及其合適的長徑比例是需要通過試驗來進(jìn)行確定的。粗合成纖維都具有良好的分散性，能夠和基質(zhì)實現(xiàn)良好的黏合，通過實踐得出，纖維的摻量通常以8 kg/m3～12kg/m3較為適宜。當(dāng)然，也可需要根據(jù)實際的功能需求進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑鰷p，爭取達(dá)到最佳的摻量。

3.2道橋工程面層的結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)粗合成纖維混凝土在我國近幾年的應(yīng)用情況來看，在我國道橋面層的結(jié)構(gòu)形式主要有兩種：一種是全摻式混凝土路面，此種路面施工起來非常方便，簡單易行，而且對于整體的面層來說，其綜合表現(xiàn)良好，且性能平穩(wěn)，但是造價較高，適合用于重要的一級道橋工程。另一種是層布式纖維混凝土路面，此種路面對于施工來說具有較大的變異性，但是相對成本較低。

3.3粗合成纖維混凝土的應(yīng)用工藝要求

對于粗合成纖維的混凝土，應(yīng)采用強制式攪拌機進(jìn)行攪拌作業(yè)，采用先干后濕的拌和方法為宜。因為混凝土在有纖維的加入之后，會增加混凝土的黏合力，可將減水劑適當(dāng)?shù)膿郊?，以使其具有良好的和易性，或者將水量和水泥量適當(dāng)增加，也能達(dá)到同樣的效果。在進(jìn)性粗合成纖維混凝土的施工作業(yè)是，如果壓紋或者接縫鋸割具有同等的施工條件和溫度，應(yīng)注意對這兩項施工任務(wù)要比素混凝土延后一個小時左右的時間，以避免在施工作業(yè)過程中，將纖維帶拉出來。

4、結(jié)語

相較素混凝土而言，應(yīng)用粗合成纖維能夠是混凝土的彎曲韌性和抗沖擊性得到明顯的提高，這對于保證道橋路面的平整度，較好的改善和解決了路面變形的問題，對防止道橋面板的斷裂破損作用很大。另外應(yīng)用粗合成纖維使混凝土的抗疲勞性增強，軸向拉伸度增加，明顯的提高了道橋路面的使用持久性，延長了其使用壽命。另外應(yīng)用粗合成纖維混凝土施工簡單，操作方便，成本也較低，在未來的道橋工程建設(shè)中，具有良好的發(fā)展前景。

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