高強(qiáng)FC合成纖維道面混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

陳 磊 吳永根 李文哲 王 軍 刁軍亮

(1.空軍工程大學(xué)機(jī)場(chǎng)建筑工程系，陜西 西安 710038； 2.中國(guó)航空港建設(shè)第九工程總隊(duì)，四川 成都 611430)

高強(qiáng)FC合成纖維道面混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

陳 磊1吳永根1李文哲1王 軍2刁軍亮2

(1.空軍工程大學(xué)機(jī)場(chǎng)建筑工程系，陜西 西安 710038； 2.中國(guó)航空港建設(shè)第九工程總隊(duì)，四川 成都 611430)

為了提高道面混凝土的基本力學(xué)性能，對(duì)FC纖維道面混凝土(簡(jiǎn)稱FCRPC)的工作性及基本力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，對(duì)比分析了FC纖維以0.8%，1.0%，1.2%，1.4%，1.6%五種體積摻率對(duì)道面混凝土抗折、抗壓強(qiáng)度性能的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明：高強(qiáng)FC纖維對(duì)道面混凝土有較好的力學(xué)增強(qiáng)性能，在高強(qiáng)FC纖維摻量為1.2%時(shí)達(dá)到最佳。

高強(qiáng)FC合成纖維，道面混凝土，工作性，基本力學(xué)性能，增強(qiáng)機(jī)理

纖維增強(qiáng)混凝土(簡(jiǎn)稱FRC)，簡(jiǎn)單的定義為：以纖維作為一種外摻物向混凝土中摻入，從而組成的一種纖維增強(qiáng)復(fù)合混凝土材料[1]。道面混凝土受到荷載和周邊環(huán)境因素共同作用時(shí)，道面混凝土所承受的疲勞、溫度應(yīng)力超過其抗折強(qiáng)度時(shí)，道面就會(huì)出現(xiàn)裂縫，其中以縱向、斜向、橫向、板角裂縫為主，當(dāng)裂縫不斷發(fā)展，道面混凝土就會(huì)發(fā)生因抗折強(qiáng)度不夠而導(dǎo)致斷裂破壞，部分機(jī)場(chǎng)甚至出現(xiàn)了道面斷裂、錯(cuò)臺(tái)、拱起、唧泥、剝落、松動(dòng)等工程病害，嚴(yán)重影響了機(jī)場(chǎng)道面的正常使用及飛機(jī)起降安全[2]。目前，國(guó)內(nèi)外纖維增強(qiáng)混凝土的研究表明[3-6]，纖維能提高混凝土的裂縫發(fā)生及開展能力，且能夠有效改善水泥道面混凝土抗折、抗壓強(qiáng)度、疲勞等力學(xué)性能?？偟膩碚f，纖維增強(qiáng)技術(shù)對(duì)提高水泥道面混凝土的力學(xué)性能具有非常重要的意義，同時(shí)勢(shì)必會(huì)降低機(jī)場(chǎng)建設(shè)工程的維護(hù)，使用費(fèi)用，增加道面混凝土的全壽命使用周期。本文中所選取的纖維為清華大學(xué)“國(guó)家863研究項(xiàng)目”中的改性聚酯合成高強(qiáng)FC纖維，以五種不同體積摻率配制道面混凝土，對(duì)基準(zhǔn)道面混凝土與摻有纖維的道面混凝土進(jìn)行對(duì)比、分析、研究。

1 原材料及配合比

1.1 原材料

1)水泥：西安藍(lán)田堯柏水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥,28 d抗折強(qiáng)度為9.18 MPa，抗壓強(qiáng)度為46.8 MPa，細(xì)度為2.0%。2)細(xì)骨料：灞河河砂,細(xì)度模數(shù)為2.64[7]，表觀及堆積密度為2 630 kg/m3，1 503 kg/m3，含泥量為0.5%。3)粗骨料：陜西咸陽石灰石,兩級(jí)配，表觀及堆積密度為2 780 kg/m3，1 572 kg/m3。4)水：自來水。5)外加劑：FDN高效減水劑。6)纖維：本次試驗(yàn)所選用的纖維是由國(guó)家863項(xiàng)目改性聚酯合成纖維研制的新型高性能合成纖維(超高強(qiáng)F-3改性合成纖維)，簡(jiǎn)稱FC纖維。纖維主要性能見表1。

表1 FC纖維性能參數(shù)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所制配混凝土按照GJB 1578—92機(jī)場(chǎng)道面水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[8]中的具體要求來具體試驗(yàn)，配合比見表2。

表2 FC纖維道面混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方法及內(nèi)容

1)試件制備：首先將粗細(xì)骨料干拌0.5 min，其次，加水泥、纖維干拌2 min，最后加水濕拌2 min停止。

2)工作性試驗(yàn)：在制配試件前測(cè)定混凝土的維勃稠度，測(cè)定同時(shí)并觀察其粘聚性以及保水性。維勃稠度測(cè)定方法依據(jù)GB/T 50080—2002普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[9]中的規(guī)定進(jìn)行。

3)強(qiáng)度試驗(yàn)：按照GB/T 50081—2002普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[10]中的規(guī)定進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 工作性試驗(yàn)結(jié)果及分析

工作性試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 工作性試驗(yàn)結(jié)果

由表3可以看出，P，F(xiàn)C1，F(xiàn)C2三組混凝土的維稠度值在不斷上升。其中P組的維勃稠度值最小，F(xiàn)C1次之，F(xiàn)C2最大。當(dāng)纖維摻量為1.0%時(shí)，其維勃稠度增長(zhǎng)率為17%。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程觀察中發(fā)現(xiàn)，這三組混凝土拌合物的各組成成分之間的相互粘聚情況良好。當(dāng)纖維摻量為1.2%，其混凝土拌合物的維勃稠度值較FC4組有所降低，下降率為13%，但在實(shí)際的試驗(yàn)過程觀察中其粘聚性及保水性也均表現(xiàn)良好，沒有出現(xiàn)突然崩塌、石子離析及底部大量水分析出現(xiàn)象。當(dāng)纖維摻量為1.6%，其混凝土拌合物維勃稠度值為23 s，在維勃稠度試驗(yàn)時(shí)同樣也是無骨料外漏，底部無泌水離析。究其原因是纖維的比表面積較大，在水泥漿體中有大量的纖維存在，這樣就使得包裹骨料的水泥漿體數(shù)量相對(duì)降低，使得混凝土拌合物的粘度增加，工作性降低。同時(shí)，由于FC纖維表面的親水性作用[11]，在纖維的表面會(huì)吸附了一定的拌合水，這樣也會(huì)導(dǎo)致拌合物流動(dòng)性的損失。上述六組道面混凝土的維勃稠度值均在15 s～30 s之間，其和易性滿足規(guī)范要求。

2.2 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表4。

2.2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

7 d，28 d抗壓強(qiáng)度見表4及圖1。

1)從表4及圖1可知，當(dāng)纖維摻量為0.8%時(shí)，道面混凝土的7 d，28 d抗壓強(qiáng)度均比P組道面混凝土有所增長(zhǎng)，但抗壓強(qiáng)度提高率均不明顯，特別是28 d抗壓強(qiáng)度較P組僅僅提高了0.2%。當(dāng)纖維摻量為1.2%時(shí)，道面混凝土的7 d及28 d抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)了峰值，此時(shí)的道面混凝土7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到了42.35 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到了54.52 MPa，7 d及28 d抗壓強(qiáng)度提高率分別為10.6%，16.4%。隨著纖維摻量在1.2%的基礎(chǔ)之上不斷增加達(dá)到1.4%時(shí)，道面混凝土的7 d，28 d抗壓強(qiáng)度均較FC3組有所降低，且降低幅度較為明顯，此時(shí)道面混凝土7 d，28 d的提高率較FC3組下降了3.9%及12.3%。當(dāng)纖維摻量達(dá)到1.6%時(shí)，此時(shí)纖維的加入對(duì)道面混凝土抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)出現(xiàn)了負(fù)值，其中7 d抗壓強(qiáng)度較P組道面混凝土降低了3.8%，28 d纖維增強(qiáng)效果也趨近于零，其抗壓強(qiáng)度提高幅度僅僅為1.75%。

表4 FC纖維道面混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2)由圖2可以看出P組道面混凝土在壓力之下，試件的下部出現(xiàn)了裂縫，在靠近試件的底部邊角地帶，裂縫出現(xiàn)最早，寬度最大。隨著壓力的持續(xù)上升，裂縫從試件的底部慢慢向上部延伸，分叉，使試件中上部出現(xiàn)了更多更細(xì)的斜裂紋。此時(shí)試件的四周出現(xiàn)了鼓包，試件的混凝土表面層開始出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，部分骨料外露。隨著壓力不斷的增長(zhǎng)，試件的高度有一定程度的降低，試件表面的崩落現(xiàn)象越來越顯著。當(dāng)取下試件時(shí)，試件的受壓部位已經(jīng)變得非常酥軟，試件內(nèi)部的粘結(jié)非常稀疏。當(dāng)?shù)烂婊炷林袚饺肜w維時(shí)，其破壞形態(tài)也發(fā)生了變化。當(dāng)纖維摻量為1.2%時(shí)，道面混凝土試件的破壞形態(tài)變化非常為顯著，此時(shí)道面混凝土裂縫出現(xiàn)的時(shí)間較P組晚，裂縫的寬度很細(xì)密，裂縫的的形態(tài)也并不是垂直或者較大的斜裂縫，裂紋的向上擴(kuò)展速率也較P組慢，隨著壓力的不斷上升，其中部的裂紋分叉也有明顯的減少，其四周只是出現(xiàn)輕微的鼓脹，并沒有出現(xiàn)表皮剝落等現(xiàn)象。當(dāng)壓力達(dá)到臨界荷載時(shí)，發(fā)現(xiàn)試件裂而不碎，試件的整體性保持較為完好。

2.2.2 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

7 d，28 d抗折強(qiáng)度見表4及圖3。

由表4及圖3分析可知:道面混凝土隨著纖維摻量的提高其抗折強(qiáng)度同樣也在不斷的增長(zhǎng)。隨纖維摻量的不斷增加，道面混凝土的7 d抗折強(qiáng)度提高率較28 d抗折強(qiáng)度提高率要低。

1)當(dāng)纖維摻量為0.8%時(shí)道面混凝土的7 d，28 d抗折強(qiáng)度相較于P組道面混凝土的7 d，28 d抗折強(qiáng)度均有一定的提升。當(dāng)纖維摻量從1.0%增加至1.2%時(shí)，道面混凝土7 d及28 d的抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度達(dá)到了最大值，7 d抗折強(qiáng)度由5.81 MPa增長(zhǎng)到了6.37 MPa，其提高率從14.1%提升到25.1%。當(dāng)纖維摻量超過1.2%時(shí)，道面混凝土7 d，28 d的抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)卻表現(xiàn)不一。當(dāng)纖維摻量從1.2%增加1.4%時(shí)，道面混凝土的7 d抗折強(qiáng)度提高率從25.1%增加至26.3%，增長(zhǎng)效果不是很明顯，其28 d抗折強(qiáng)度提高率較纖維摻量為1.2%時(shí)甚至還有一定程度的降低，其提高率從41.2%降至28.9%，降低幅度較為明顯。從整體的提高率上來說，此次道面混凝土28 d抗折強(qiáng)度的提高率要較其7 d抗折強(qiáng)度提高率上升幅度大，這也說明了28 d抗折強(qiáng)度纖維增強(qiáng)效果較7 d要明顯。

2)由圖4可以看得出，P組道面混凝土在達(dá)到其臨界荷載之前，試件就開始出現(xiàn)裂紋，并且一旦產(chǎn)生裂縫就立即蔓延，裂縫首先由試件底部產(chǎn)生，并迅速向上部擴(kuò)展，隨后試件就斷裂破壞，試件破壞時(shí)，出現(xiàn)了折斷現(xiàn)象，具有明顯脆性破壞性質(zhì)。摻有纖維的道面混凝土呈現(xiàn)較為明顯的塑性破壞特征。當(dāng)在試驗(yàn)的過程中，試件的裂縫不斷增長(zhǎng)時(shí)，可以聽得見由試件內(nèi)部發(fā)出的纖維被撕扯斷裂的“啪啪”聲，并且在試件抗折試驗(yàn)結(jié)束之后，觀察其斷面形態(tài)時(shí)，可以看得出纖維在試件的內(nèi)部分布較為均勻，通過拽拉其中一部分露出的纖維時(shí)，發(fā)現(xiàn)纖維與混凝土粘結(jié)，咬合效果非常好。

3 結(jié)語

本文分析了FC纖維不同摻率時(shí)對(duì)機(jī)場(chǎng)道面混凝土的工作性、基本力學(xué)性能的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論，并為FC纖維機(jī)場(chǎng)道面混凝土配合比設(shè)計(jì)提供了參考。

1)隨著纖維摻量的不斷增加，其流動(dòng)性及保水，粘聚性能有所降低。2)道面混凝土的抗壓強(qiáng)度在纖維摻量小于1.4%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度較P組道面混凝土有一定程度的提高，其中當(dāng)纖維摻量為1.2%出現(xiàn)了增長(zhǎng)峰值。當(dāng)纖維摻量超過1.4%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度不僅不提高，反而還有一定程度的降低。3)道面混凝土7 d抗折強(qiáng)度提高幅度為3.7%～36.1%，28 d抗折強(qiáng)度提高幅度為10.1%～41.2%，抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)并不會(huì)隨著纖維摻量按一定比例提高而出現(xiàn)一個(gè)線性增長(zhǎng)模式。4)實(shí)驗(yàn)表明：通過對(duì)前述力學(xué)性能試驗(yàn)的表述，當(dāng)纖維摻量為1.2%時(shí)，道面混凝土的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度性能最為優(yōu)異，建議可以在機(jī)場(chǎng)道面施工中參考使用。

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[8] GJB 1578—92，機(jī)場(chǎng)道面水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[9] GB/T 50080—2002，普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[10] GB/T 50081—2002，普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[11] 吳釗賢，袁海慶，盧哲安，等.玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].混凝土，2009(9)：67-68.

Experimental study on mechanical properties of high strength FC synthetic fibers reinforced pavement concrete

Chen Lei1Wu Yonggen1Li Wenzhe1Wang Jun2Diao Junliang2

(1.DepartmentofAirfieldArchitectureEngineering,AirForceEngineeringUniversity,Xi’an710038,China； 2.TheNinthConstructionEngineeringCorpofChinaAirHarbour,Chengdu611430,China)

In order to improve its basic mechanical properties, this paper did a systematical and comprehensive experimental study about the performance and basic mechanical properties of FCRPC. It analyzed and compared the influencing rules that these five 0.8%，1.0%，1.2%，1.4%，1.6%volume fraction mixing amount of FC fiber, affected the flexural strength and compressive strength properties of pavement concrete. The test result indicate that the FC fibers could sharply enhance the mechanical properties of pavement concrete, when the FC fiber content is 1.2% to achieve the best.

high strength FC synthetic fibers， pavement concrete， performance， basic mechanical properties， enhancement mechanism

1009-6825(2015)30-0111-03

2015-08-15

陳 磊(1989- )，男，在讀碩士

TU501

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