合成纖維對無砟軌道道床板混凝土早期抗裂性能影響

李化建，楊 魯，黃法禮，譚鹽賓，易忠來，謝永江

（1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

鋼筋混凝土作為應(yīng)用最廣泛的建筑材料，在我國高速鐵路無砟軌道工程中得到規(guī)模應(yīng)用.雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)中道床板主要采用泵送混凝土連續(xù)澆筑施工，其具有需要澆注的混凝土量大、設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級高、表面積大等特點(diǎn).且我國鐵路工程環(huán)境復(fù)雜，如混凝土施工措施控制不當(dāng)，會導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重影響混凝土的耐久性，甚至?xí)绊憻o砟軌道結(jié)構(gòu)的承載力[1-3].研究表明，混凝土開裂主要出現(xiàn)在施工期[4]，混凝土早期開裂主要是混凝土塑性收縮、結(jié)構(gòu)的約束和抗拉強(qiáng)度不足的綜合作用結(jié)果.在混凝土中摻加纖維作為最有效預(yù)防裂縫的措施之一，已得到了廣泛的研究和應(yīng)用.本文為解決道床板混凝土的塑性開裂問題，研究了聚丙烯（PP）纖維、聚乙烯醇（PVA）纖維及其兩種纖維的混雜纖維對砂漿塑性抗拉強(qiáng)度、混凝土極限拉應(yīng)變和混凝土平板抗裂性能的影響，以期為提高道床板混凝土抗裂性能提供技術(shù)支撐.

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥為金隅P O42.5水泥；礦物摻和料選用內(nèi)蒙古赤峰元寶山I級粉煤灰，河北唐龍新型建材有限公司礦渣粉，其性能指標(biāo)見表1和表2，表中含量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù).細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)為2.8、II區(qū)河砂，粗骨料為5～20mm連續(xù)級配碎石；減水劑為減水率29%的非引氣型聚羧酸減水劑；纖維為聚丙烯（PP）纖維和聚乙烯醇（PVA）纖維，其性能指標(biāo)見表3.

表1 粉煤灰性能指標(biāo)Tab.1 Basic propertiesof fly ash

表2 礦渣粉的性能指標(biāo)Tab.2 Basic propertiesof slag

表3 聚乙烯醇和聚丙烯纖維的性能指標(biāo)Tab.3 Basic propertiesof PVA fiberand PP fiber

1.2 混凝土和砂漿配合比

道床板混凝土配合比見表4，砂漿配合比見表5.

表4 道床板混凝土配合比 kg/m3Tab.4 M ix proportion of concrete

表5 砂漿配合比 gTab.5 M ix proportion ofmortar

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 塑性抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

塑性抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)參照文獻(xiàn) [5]，試驗(yàn)裝置示意圖見圖1.

1.3.2 極限拉伸應(yīng)變、平板抗裂性能試驗(yàn)

混凝土極限拉伸應(yīng)變按CECS 13:2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，平板抗裂性能試驗(yàn)按GB/T 50082《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行.

2 結(jié)果與分析

2.1 砂漿塑性抗拉強(qiáng)度

通過測試砂漿的塑性抗拉強(qiáng)度，間接反應(yīng)纖維對混凝土塑性抗拉抵抗力的影響.圖2為砂漿塑性抗拉強(qiáng)度.基準(zhǔn)混凝在180min時最早開裂，由圖2可知，此時基準(zhǔn)混凝土的塑性抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于纖維混凝土.纖維在砂漿中亂向分布形成的三維網(wǎng)格分布可以承受砂漿塑性階段受拉產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，增強(qiáng)了砂漿的塑性抗拉抵抗力.聚丙烯纖維的長度長于聚乙烯醇纖維，與砂漿應(yīng)該具有更好的粘結(jié)性能，表現(xiàn)為砂漿塑性抗拉強(qiáng)度略高.編號為M 3的砂漿為混雜纖維，PP纖維和PVA纖維各摻0.35 g，其塑性抗拉強(qiáng)度最高.

2.2 混凝土極限拉應(yīng)變

由圖3混凝土極限拉應(yīng)變可知，摻加纖維的混凝土極限抗拉應(yīng)變較基準(zhǔn)均有提高，聚丙烯纖維混凝土的極限抗拉應(yīng)變高于聚乙烯醇纖維混凝土，混雜纖維混凝土極限應(yīng)變值最大.其原因是由于纖維均勻的分散于混凝土內(nèi)部，在混凝土受拉出現(xiàn)裂縫后，纖維提供一定的橋聯(lián)應(yīng)力，阻礙了裂縫的擴(kuò)展，當(dāng)纖維受拉延長超過斷裂伸長率后，混凝土斷裂.聚丙烯纖維的斷裂伸長率高于聚乙烯醇纖維，摻聚丙烯纖維混凝土極限抗拉應(yīng)變略高.兩種纖維混合具有一定的協(xié)同作用，進(jìn)一步提高了混凝土的極限抗拉應(yīng)變.

2.3 混凝土平板抗裂性能

由表6（混凝土平板抗裂性能）可知，摻加聚丙烯纖維混凝土表面初裂時間較基準(zhǔn)混凝土開裂時間延后20m in，裂縫長度、裂縫寬度和裂縫面積較基準(zhǔn)混凝土分別降低4%、67%和68%；摻加聚乙烯醇纖維和混雜纖維混凝土均未產(chǎn)生裂縫，抗裂效果最好，抗裂等級為I級.結(jié)合圖2和圖3可知，砂漿塑性抗拉強(qiáng)度、混凝土的極限抗拉應(yīng)變與混凝土早期開裂試驗(yàn)結(jié)果并不一致，這主要是由于混凝土早期開裂是混凝土塑性收縮、外部約束和受到拉應(yīng)力綜合作用的結(jié)果.

表6 混凝土早期開裂試驗(yàn)結(jié)果及抗裂等級Tab.6 Early age cracking resultand cracking resistance grade of concrete

3 結(jié)論

1）合成纖維可以提高砂漿塑性抗拉強(qiáng)度及其早期混凝土的極限拉伸應(yīng)變，聚丙烯纖維提高的幅度超過聚乙烯醇纖維，混雜纖維則提高得最大.

2）合成纖維能夠延遲混凝土的初裂時間，降低混凝土的平均開裂面積，提高混凝土的抗裂等級，摻聚乙烯醇纖維以及混雜纖維混凝土未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象.

3）砂漿塑性抗拉強(qiáng)度和混凝土的極限拉伸應(yīng)變與混凝土平板抗裂試驗(yàn)結(jié)果并不完全一致，原因是前者表征混凝土抵抗開裂的能力，沒考慮混凝土收縮的影響.

4）摻聚乙烯醇纖維或者聚乙烯醇與聚丙烯纖維的混雜纖維是解決道床板混凝土開裂的有效技術(shù)措施.

[1]王其昌.高速鐵路土木工程 [M].成都：西南交通大學(xué)出版社，1999.

[2]趙國堂，李化建.高速鐵路高性能混凝土應(yīng)用管理技術(shù) [M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[3]He Zhen.New experimentstudying early-age cracking of cement-basedmaterials[J].ACIMaterials Journal，2004，101（1）：50-56.

[4]巴恒靜，高小建，楊英姿.高性能混凝土早期自收縮測試方法研究 [J].工業(yè)建筑，2003，33（8）：1-4.

[5]馬一平.一種水泥基材料塑性抗拉強(qiáng)度的測定方法：中國專利，CN03151079.5[P].2004-09-08.