鋼纖維混凝土路用性能試驗(yàn)研究

顧驥春

（上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200030）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，公路交通呈現(xiàn)出大交通量、重荷載的發(fā)展趨勢，導(dǎo)致混凝土路面的使用壽命下降，彎拉強(qiáng)度、抗沖擊力、抗裂性能等路用性能減弱[1-3]?；炷帘旧頌閯傂圆牧?，抗拉強(qiáng)度較低，在重荷載作用下，混凝土板易產(chǎn)生彎拉破壞，使路面產(chǎn)生開裂，當(dāng)水分從開裂處滲入到路面結(jié)構(gòu)及路基中，將嚴(yán)重影響公路的使用質(zhì)量，使得養(yǎng)護(hù)工作更加繁重，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用增加。鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻加亂向分布的鋼纖維所形成的多相復(fù)合材料，可以有效改善混凝土路面的抗彎拉、抗裂和耐磨性等路用性能[4-8]。本文通過對某重載公路的鋼纖維混凝土路面進(jìn)行試驗(yàn)研究，證明了摻加鋼纖維對提高混凝土路面路用性能的有效性，并提出適用于該重載公路的鋼纖維摻量，為鋼纖維混凝土路面設(shè)計(jì)和施工提供參考[9-10]。

1 鋼纖維混凝土材料及配合比

1.1 鋼纖維

所選用鋼纖維的密度為7.8 g/cm3，直徑為0.5 mm，長度為30 mm，長徑比為60，抗拉強(qiáng)度為640 MPa。結(jié)合工程實(shí)際，選擇波浪形剪切鋼纖維。

1.2 混凝土

水泥采用Po42.5京蘭水泥，鋼纖維混凝土單位體積水泥用量較大，一般取為360～450 kg/m3；粗集料最大粒徑為20mm；細(xì)集料采用Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)為2.63，砂率為40%～50%，隨著鋼纖維體積率的增加，適當(dāng)增大砂率，以滿足工作和易性；水灰比最大為0.48，以滿足耐久性要求；外加劑采用HNW-2萘系高效減水劑；采用普通飲用水進(jìn)行拌合。

1.3 配合比

以素混凝土配合比為基準(zhǔn)配合比，在此基礎(chǔ)上摻加不同摻量的鋼纖維，并調(diào)整水灰比和砂率。根據(jù)工程實(shí)際和鋼纖維混凝土特點(diǎn)，為對比分析不同含量鋼纖維的混凝土路用性能，室內(nèi)試驗(yàn)配合比如表1所示。

2 鋼纖維混凝土試驗(yàn)結(jié)果及路用性能分析

2.1 抗壓強(qiáng)度對比分析

對不同鋼纖維摻量的混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，制作標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，經(jīng)28 d養(yǎng)護(hù)，采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測得抗壓強(qiáng)度值，如表2和圖1所示。

由表2和圖1可知：

（1）鋼纖維的摻加，可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，隨著鋼纖維含量的增加，抗壓強(qiáng)度隨之增加。同不含鋼纖維時(shí)的混凝土相比，鋼纖維含量為0.5%、1%、1.5%時(shí)的混凝土抗壓強(qiáng)度分別增加1%、3.7%、4.6%。

（2）在混凝土中摻加鋼纖維對混凝土的抗壓強(qiáng)度影響較小，這主要是因?yàn)榛炷翗?gòu)件主要承受的是壓應(yīng)力，而鋼纖維為長條形，且呈亂向分布，對抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)較?。煌瑫r(shí)，如果鋼纖維的摻加影響了水泥砂漿同集料的粘結(jié)，對鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度增加影響也較小。

（3）抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維含量的增加呈現(xiàn)出先慢再快最后緩慢增加的趨勢，當(dāng)鋼纖維含量大于1%時(shí)，鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度增加較少。

2.2 抗彎強(qiáng)度對比分析

對不同含量鋼纖維混凝土進(jìn)行抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)，試件為(10～16)mm×120 mm的圓柱體或10 mm×10 mm×120 mm的長方柱體，利用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3和圖2所示。

表1 混凝土配合比

表2 抗彎強(qiáng)度結(jié)果

圖1 不同鋼纖維含量抗壓強(qiáng)度

表3 抗彎強(qiáng)度結(jié)果

圖2 不同鋼纖維含量抗彎強(qiáng)度

由表3和圖2可知：

（1）當(dāng)鋼纖維含量從0%增加到1.5%時(shí)，鋼纖維混凝土的抗彎強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，鋼纖維含量同抗彎強(qiáng)度的回歸關(guān)系為：y=-1.706 7x3+3.42x2+0.196 7x+5.63，回歸系數(shù)R2=1，說明回歸曲線很好地反映了混凝土中鋼纖維的含量同抗彎強(qiáng)度的關(guān)系，即：抗彎強(qiáng)度先緩慢增加，在達(dá)到一定鋼纖維含量后抗彎強(qiáng)度增加較大，最后增加趨勢變緩。

（2）鋼纖維含量為0.5%、1%和1.5%的混凝土抗彎強(qiáng)度比素混凝土抗彎強(qiáng)度增加幅度分別為13.1%、33.9%和39.6%，鋼纖維的摻加顯著增加了混凝土的抗彎強(qiáng)度。這說明當(dāng)鋼纖維含量為0%時(shí)，即素混凝土，其抗彎性能較差，混凝土試件的底部受彎拉應(yīng)力的作用產(chǎn)生裂縫后迅速破壞。在混凝土中摻加鋼纖維后，鋼纖維承擔(dān)了部分彎拉應(yīng)力，在鋼纖維混凝土試件承受彎拉應(yīng)力及開裂的過程中，鋼纖維有效延緩并阻止裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展，減少因?yàn)楹奢d因素所引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高了鋼纖維混凝土試件的耐久性和使用壽命。

（3）當(dāng)鋼纖維含量大于1%時(shí)，其抗彎強(qiáng)度增長趨勢變緩，繼續(xù)增加鋼纖維的含量對鋼纖維混凝土抗彎強(qiáng)度的影響逐漸減小，且不經(jīng)濟(jì)。

2.3 抗沖擊性能對比分析

抗沖擊性能是混凝土構(gòu)件抵抗沖擊負(fù)荷作用的能力，當(dāng)重載車輛在混凝土路面上行駛時(shí)，需要路面具有一定的抗沖擊性能，避免路面產(chǎn)生脆性開裂。采用落錘試驗(yàn)對鋼纖維混凝土的抗沖擊性能進(jìn)行試驗(yàn)分析，根據(jù)美國ACI544委員會(huì)推薦方法，落球重4.5 kg，沖擊高度為600 mm，試驗(yàn)結(jié)果如表4和圖3所示。

表4 抗沖擊性能結(jié)果

圖3 不同鋼纖維含量抗沖擊次數(shù)

由表4和圖3可知：

（1）鋼纖維混凝土的抗沖擊性能比素混凝土提高較多，鋼纖維含量0.5%時(shí)的抗沖擊次數(shù)是0%時(shí)的1.62倍，鋼纖維含量1%時(shí)的抗沖擊次數(shù)是0%時(shí)的2.92倍，鋼纖維含量1.5%時(shí)的抗沖擊次數(shù)是0%時(shí)的3.46倍。

（2）鋼纖維含量為0%時(shí)的混凝土在受到?jīng)_擊破壞時(shí)，一旦出現(xiàn)裂縫，試件即發(fā)生斷裂。摻加鋼纖維后，由于鋼纖維在混凝土中混雜分布，使得鋼纖維混凝土的韌性增強(qiáng)，延緩內(nèi)部的裂縫發(fā)展，在受到外部沖擊荷載的情況下，鋼纖維的拉伸作用也可以延緩開裂、阻止過快發(fā)生斷裂現(xiàn)象。

2.4 耐磨性能對比分析

鋼纖維混凝土磨耗試驗(yàn)采用150 mm×150 mm×150 mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試件，在混凝土磨耗試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，在200N負(fù)荷下磨30轉(zhuǎn)，記重量m1，然后在200N負(fù)荷下磨60轉(zhuǎn)，記重量m2，兩個(gè)重量的差除以接觸面積便計(jì)算得出單位面積磨損量，表示耐磨性能。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表2 耐磨性能結(jié)果

由表5可知：

（1）鋼纖維混凝土的耐磨性能隨鋼纖維的摻加及含量增加逐漸提高，鋼纖維含量為0.5%～1.5%時(shí)磨耗量減少了6.8%～42.6%。

（2）鋼纖維提高了鋼纖維混凝土的強(qiáng)度、韌性，阻止混凝土內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生并使鋼纖維混凝土更好地粘聚成整體，對耐磨性的提高均起到了很好的促進(jìn)作用。

3 結(jié)論

（1）重載道路為了滿足日益增長的車流量和車輛荷載，同普通道路相比，其路用性能要求提高較多，因此，對于重載混凝土路面，要求更高的抗壓、抗彎、抗沖擊等性能，才能提高道路的使用壽命。

（2）鋼纖維對混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗沖擊性能及耐磨性能等路用性能均有影響。當(dāng)鋼纖維摻量為0.5%～1.5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度增加了1%～4.6%，抗彎強(qiáng)度增加了13.1%～39.6%，抗沖擊性能增加了1.62～3.46倍，耐磨性能提高了6.8%～42.6%。其中，鋼纖維對混凝土抗壓性能影響較小，對抗彎、抗沖擊和耐磨性能影響較大。

（3）通過對各含量鋼纖維的混凝土試件進(jìn)行試驗(yàn)分析，并且從經(jīng)濟(jì)性和該重載公路實(shí)際情況的角度考慮，鋼纖維含量取1%即滿足工程要求，在保證工程費(fèi)用的條件下提高了該重載公路的路用性能。

[1]楊宇林.纖維混凝土復(fù)合材料耐久性能研究綜述 [J].混凝土，2012,2(268)：78-80.

[2]蔣應(yīng)軍，劉海鵬，王琪.鋼纖維混凝土性能與施工工藝研究[J].混凝土，2008,8(226)：82-84.

[3]尚建麗，邢琳琳，梁航，等.鋼纖維混凝土抗裂性能的試驗(yàn)研究[J].混凝土，2011,7(261)：59-61.

[4]汪益敏，賀軍，焦楚杰.鋼纖維混凝土復(fù)合層路面材料的力學(xué)性能[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010,11(38)：21-25.

[5]趙國藩，彭少民，黃承逵.鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

[6]劉賀，付智，劉奕含.路面纖維混凝土韌性試驗(yàn)研究[J].中國公路學(xué)報(bào)，2012,3(25)：33-39.

[7]潘慧敏，閆國亮.層布式鋼纖維混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2010,4(29)：793-797.

[8]賀東青，王一鳴，劉博.復(fù)合式鋼纖維混凝土路面研究[J].河南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014,2(44)：240-243.

[9]ACI 544.4R-88.，Design Consideration for Steel Fiber Reinforced Concrete[S].

[10]CECS 13：89，鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法[S].