機場道面混摻纖維混凝土強度與抗彎韌性試驗

鄧宗才++耿雪輝++劉巖++蘭明章

摘要：為了降低機場道面混凝土脆性，通過混摻高性能粗聚烯烴纖維（PP）和細聚乙烯醇纖維（PVA）來提高道面混凝土韌性。通過四點彎曲試驗，測得了梁試件荷載撓度曲線，分析了2種纖維體積摻率混摻對改善三級配機場道面混凝土彎曲韌性的效果。結果表明：纖維混摻可明顯改善混凝土抗彎韌性；PP的摻入使荷載撓度曲線出現了2次峰值；PVA體積摻率為0.2%或0.4%時，隨著PP摻率增加，韌性指標值P300，P75，P50均呈增大趨勢；PP摻率的增加對后期韌性指標值P75，P50的提高更為顯著；增加PVA摻率對提高第一峰值強度較為顯著；PP和PVA分別以體積摻率1.1%和0.4%混摻時，機場道面混凝土抗彎韌性提高最為明顯。

關鍵詞：機場道面；抗彎韌性；混摻纖維混凝土；強度；體積摻率

中圖分類號：TU502 文獻標志碼：A

0 引 言

水泥混凝土道面是中國民航機場最主要的道面結構形式，但是水泥混凝土道面使用情況并不理想[15]。目前大部分水泥道面平均壽命為15～20年，有的在新建后2～3年就出現道面破壞，無法達到30年的設計年限[67]。道面早期角隅斷裂、斷板、掉邊掉角等現象導致大量結構性損壞，扎破輪胎現象時有發(fā)生，嚴重威脅飛行安全。根本原因是當前機場道面建設中傳統的道面混凝土材料是準脆性材料，容易開裂和斷板，影響道面使用安全性和服役壽命[810]。為此，有必要在混凝土中摻入纖維，開發(fā)一種具有高韌性的混凝土道面材料，從而降低脆性，有效改善抗裂性和抗疲勞性能等[1114]。

混摻纖維混凝土[1517]是指用2種或2種以上纖維或不同幾何特性的纖維制備的纖維混凝土。混摻纖維可以優(yōu)勢互補，充分發(fā)揮不同纖維的增強和增韌作用，以顯著改善混凝土變形性能。本文試驗研究了粗聚烯烴纖維（PP）和細聚乙烯醇纖維（PVA）混摻對改善三級配機場道面混凝土彎曲韌性的效果，且給出了纖維最佳摻率的建議值，為機場工程建設提供參考數據。

1 纖維混凝土配合比及強度

1.1 纖維材性

PP由上海羅洋材料有限公司提供，它是聚丙烯與聚乙烯的共聚物，表面為壓痕波浪形；PVA由凱泰特種纖維科技有限公司提供，呈單絲狀。2種纖維的物理、力學性能指標見表1。

1.2 混凝土配合比

水泥采用金隅牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，石子為石灰?guī)r碎石，采用粒徑5～10 mm，10～20mm，20～26.5 mm三級配。砂為中砂，細度模數為2.7，水為自來水，減水劑為江蘇奧萊特新建材有限公司生產的ATRM12高性能聚羧酸類減水劑，固含量為40%，減水率為37%。按照混凝土抗折強度設計值為5.0 MPa的要求，混凝土配合比見表2。

1.3 混凝土強度

混凝土抗壓強度試驗采用150 mm×150 mm×150 mm的標準立方體試件，抗折強度試驗采用150 mm×150 mm×550 mm的標準試件。

PP體積摻率（簡稱摻率）為0.7%，0.9%，1.1%，PVA體積摻率為0.2%，0.4%，0.6%。為了減小基體變化對彎曲韌性的影響，所有試件的基體都采用表2的配合比。每種纖維摻率的試件有3個，試件澆筑成型24 h后脫模自然養(yǎng)護28 d。測得的試件抗壓強度和抗折強度平均值見表3。試件編號中“”前的數字為PP體積摻率，“”后的數字為PVA體積摻率，如HC0.90.2表示PP體積摻率為0.9%，PVA體積摻率為0.2%。

由表3可看出：無論PP，PVA是單摻還是混摻，均對改善混凝土抗壓強度和抗折強度的效果不明顯；所有試件的抗折強度大于5.5 MPa，滿足機場道面對混凝土抗折強度的要求。2 抗彎韌性

2.1 試驗方法

抗彎韌性試驗采用三分點加載，混凝土梁尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，跨度為300 mm，試驗在電液伺服控制試驗機上進行，恒位移控制加載，位移速率為2 min·mm-1，計算機自動記錄數據，并自動繪制荷載撓度曲線。

2.2 破壞過程及形式

隨著荷載的增加，素混凝土梁在發(fā)生初裂瞬間即開始裂紋的局部擴展，且擴展時間極短，一裂即斷，屬于脆性破壞。相比素混凝土梁，單摻PVA混凝土梁發(fā)生初裂后，主裂縫擴展相對較慢，變形性能較明顯，由脆性破壞變?yōu)榫哂幸欢ㄑ有缘钠茐?，裂縫具有一定的寬度。

單摻PP混凝土梁和混摻纖維混凝土梁的破壞過程較為相似，明顯呈延性破壞，隨著荷載增大，裂縫不斷擴展，但荷載下降緩慢，裂縫截面的纖維逐漸從混凝土中拔出或拔斷，表現出良好的變形性能。

2.3 荷載撓度曲線

典型試件的荷載撓度曲線見圖1。由圖1（a）可看出：單摻PVA混凝土梁開裂前，荷載增長較快，荷載撓度曲線呈直線上升趨勢；開裂后，撓度增長速度加快，曲線斜率略有下降，此階段和素混凝土基本相同；當荷載達到峰值以后迅速下降，然后保持在較低值，隨著撓度的繼續(xù)增大，荷載下降速度逐漸變緩，裂縫寬度變寬，直至試件破壞。

比較圖1（b），（c）可看出，單摻PP混凝土梁和混摻纖維混凝土梁的荷載撓度曲線特征較為相似，荷載撓度曲線都出現了2次峰值，裂縫擴展很慢，呈延性破壞。當荷載過峰值后迅速下降，但仍保持著較高承載力，下降趨勢也變得平緩，在峰值荷載之后出現了第2次峰值，原因主要是PP橫跨裂縫阻止了裂縫的進一步擴展，引起了受拉區(qū)的應力重分布。曲線達到第2次峰值后的下降段出現了上下抖動的鋸齒狀，這是PP不斷拔出和拔斷的過程。

混摻纖維與單摻PP試件荷載撓度曲線的不同之處是峰值荷載后單摻PP混凝土梁的荷載會接近直線迅速下降，混摻纖維混凝土梁由于PVA的橋聯作用荷載下降較緩慢。

2.4 抗彎韌性評價

2.4.1 Banthia韌性指標評價方法

由于確定初裂撓度存在很大的人為誤差，Banthia等[1819]提出纖維混凝土韌性分析方法，以峰值荷載為界限把荷載撓度曲線面積在峰值荷載Ppeak處分為峰前（Tpre）和峰后（Tpwt，m）兩部分，以特定的撓度為變量來考慮纖維混凝土在變形過程中的能量消耗。這樣定義的韌性指標不像ASTM C1018方法那樣過度依賴初裂撓度，Banthia韌性指標計算方法示意如圖2所示。

由圖3可知：當PP摻率一定時，PVA摻率由0.2%提高到0.4%，韌性指標增加幅度較大；當PVA摻率為0.6%時，韌性指標增加幅度減??；當PP摻率為0.7%，PVA摻率為0.2%，0.4%，0.6%時，韌性指標P300比單摻PP時分別提高了26.4%，43.7%，33.9%，P75分別提高了21.8%，31.9%，20.7%，P50分別提高了47.6%，67.8%，55.2%。PVA摻率為0.4%時韌性指標值最大，摻率為0.6%時韌性指標值減小，韌性降低，這是由于PVA摻率為0.6%時，PVA分散不均勻所致，這與試件成型過程中觀察的PVA分散狀況一致。

當PVA摻率為0.2%或0.4%時，隨著PP摻率增加，韌性指標值呈增大趨勢，且PP摻率由0.9%提高到1.1%時，韌性指標提高值明顯小于摻率由0.7%提高到0.9%，當PP摻率大于0.9%時，韌性指標增長趨勢變緩。

PVA摻率0.2%與PP摻率0.9%混摻較與PP摻率0.7%混摻時，其韌性指標值P300，P75，P50分別提高了16.8%，42.2%，25.7%；PVA摻率0.2%與PP摻率1.1%混摻較與PP摻率0.7%混摻時，其韌性指標值P300，P75，P50分別提高了19.6%，51.8%，30%。PP摻率增加對韌性指標P75，P50提高更為明顯，表明其對后期增韌效果顯著。

由圖3還可以看出：PP與PVA混摻時，混凝土的韌性指標P300最大，P75其次，P50最小，P50和P75非常接近，表明韌性指標值隨撓度增大而逐漸降低，但撓度大于4 mm以后基本不變。

2.4.2 美國ASTM C1609標準評價方法

ASTM C1609標準是在2005年提出的一個新的韌性評價標準[20]，以取代ASTM C1018標準。ASTM C1609標準采用的評價韌性指標為絕對值參數而不是相對值參數，主要包括荷載P、強度f、撓度δ以及某一特定撓度時荷載撓度曲線下的面積T。確定第一峰值荷載P1、特定撓度殘余荷載P100，1.0，P100，4.0，P100，6.0，通過計算獲得0～6.0 mm撓度區(qū)間內荷載撓度曲線下的面積T100，6.0，即彎曲韌性。P100，1.0，P100，4.0，P100，6.0分別為寬和高均為100 mm的棱柱體試件在彎曲韌性測試過程中撓度達到1.0，4.0，6.0 mm時對應的荷載。由P1計算的強度為第一峰值強度f1，撓度分別為1.0，4.0，6.0 mm時對應的殘余彎曲強度為f100，1.0，f100，4.0，f100，6.0。評價韌性指標計算結果見表5。

由表5可以看出：單摻PVA的摻率為0.2%，0.4%，0.6%時，第一峰值強度比素混凝土分別提高了5.66%，7.08%，9.12%，提高值呈增大趨勢；殘余彎曲強度f100，1.0隨著PVA摻率增加而增大；隨著PP摻率增加，第一峰值強度幾乎保持不變，但殘余彎曲強度f100，1.0，f100，4.0，f100，6.0均增大。

第一峰值強度與PP，PVA摻率的關系見圖4。結果表明：當PP摻率不變，隨著PVA摻率增加，第

圖4 第一峰值強度與PP，PVA摻率的關系

Fig.4 Relationship of the First Peak Strength with

PP and PVA Mixing Ratio一峰值強度較單摻PP時有一定提高；當PVA摻率不變，隨著PP摻率增加，第一峰值強度較單摻PVA時幾乎沒有變化。無論單摻還是混摻，摻入PVA對提高第一峰值強度影響較為顯著，這是因為PVA為短細纖維，強度和模量較高，其在混凝土裂縫萌生和微裂階段的阻裂作用明顯。

殘余彎曲強度、彎曲韌性與PP，PVA摻率的關系分別見圖5，6。結果表明，PP摻率一定，PVA摻率由0.2%提高到0.4%時，殘余彎曲強度、彎曲韌性增加幅度較大，但當PVA摻率為0.6%時增加幅度減小。當PVA摻率為0.2%或0.4%時，隨著PP摻率增加，殘余彎曲強度、彎曲韌性都增大，但當PP摻率大于0.9%時增長趨勢變緩；PP摻率增加對殘余彎曲強度f100，4.0，f100，6.0和T100，6.0提高更為明顯。

由圖5可以看出，混摻纖維時殘余彎曲強度f100，1.0最大，f100，4.0其次，f100，6.0最小，f100，6.0和f100，4.0相差很小，表明殘余彎曲強度隨撓度增大而逐漸降低，但撓度大于4 mm以后基本不變。3 結 語

（1）粗PP和細PVA混摻顯著改善了三級配機場道面混凝土的彎曲韌性，由于PP的摻入，荷載撓度曲線出現了2次峰值，呈現出良好的變形性能。

（2）當PP體積摻率一定，PVA摻率由0.2%提高到0.4%時，韌性指標值增幅較大，但當PVA摻率為0.6%時，韌性指標值增幅減小，這是PVA分散不均勻所致。

（3）PVA摻率為0.2%或0.4%時，隨著PP摻率增加，韌性指標值P300，P75，P50均增大，且韌性指標值P75，P50的提高更為明顯，說明粗PP對后期增韌效果顯著。

（4）采用ASTM C1609標準計算后可知，增加PVA摻率對提高第一峰值強度影響較為顯著。

（5）PP摻率為1.1%與PVA摻率為0.4%混摻時，彎曲韌性指標值達到最大，若再增加PP摻量，韌性指標值提高很小。綜合考慮纖維分散性及經濟性，建議PP與PVA混摻時纖維體積摻率分別為1.1%和0.4%。

參考文獻：

References：

[1] 趙志剛，譚云亮，王斐峰.鋼纖維混凝土試驗研究與疲勞破壞模擬[J].筑路機械與施工機械化，2007，24（2）：4043，46.

ZHAO Zhigang，TAN Yunliang，WANG Feifeng.Experimental Study and Fatigue Failure Simulation on Steel Fiber Concrete[J].Road Machinery & Construction Mechanization，2007，24（2）：4043，46.

[2]劉慶濤，岑國平，蔡良才，等.機場道面再生混凝土的性能與應用[J].中南大學學報：自然科學版，2012，43（8）：32633269.

LIU Qingtao，CEN Guoping，CAI Liangcai，et al.Properties and Applications of Recycled Concrete for Airport Pavement[J].Journal of Central South University：Science and Technology，2012，43（8）：32633269.

[3]錢振東，孟凡奇，曾 靖.高性能瀝青混凝土機場道面結構[J].東南大學學報：自然科學版，2015，45（3）：575580.

QIAN Zhendong，MENG Fanqi，ZENG Jing.Airfield Pavement with High Performance Asphalt Concrete[J].Journal of Southeast University：Natural Science Edition，2015，45（3）：575580.

[4]麻海燕，吳雅玲，余紅發(fā)，等.機場道面除冰液作用下大摻量粉煤灰混凝土的抗凍性[J].建筑科學與工程學報，2014，31（2）：7883.

MA Haiyan，WU Yaling，YU Hongfa，et al.Freezethaw Durability of High Volume Fly Ash Content Concrete Exposed to Airfield Pavement Deicer[J].Journal of Architecture and Civil Engineering，2014，31（2）：7883.

[5]劉海鵬，蔣應軍，王 琪.鋼纖維混凝土路用性能與施工工藝研究[J].筑路機械與施工機械化，2009，26（1）：3740.

LIU Haipeng，JIANG Yingjun，WANG Qi.Study on Pavement Performance and Construction Technology of Steel Fiber Reinforce Concrete[J].Road Machinery & Construction Mechanization，2009，26（1）：3740.

[6]朱志遠，王碩太，鄧可庫.新型機場道面混凝土性能研究[J].新型建筑材料，2007，34（4）：6769.

ZHU Zhiyuan，WANG Shuotai，DENG Keku.Study on Performance of New Airfield Pavement Concrete[J].New Building Materials，2007，34（4）：6769.

[7]滕力鵬，譚 悅，柴震林.中國機場水泥混凝土道面脫空狀況分析與評價[J].中國民航大學學報，2013，31（6）：4145.

TENG Lipeng，TAN Yue，CHAI Zhenlin.Analysis and Evaluation on Void Condition of Chinas Airport Cement Concrete Pavement[J].Journal of Civil Aviation University of China，2013，31（6）：4145.

[8]劉慶濤，岑國平，蔡良才，等.機場道面再生混凝土的抗凍性能及機理[J].華中科技大學學報：自然科學版，2011，39（12）：128132.

LIU Qingtao，CEN Guoping，CAI Liangcai，et al.Frostresistant Performance and Mechanism of Recycled Concrete for Airport Pavement[J].Journal of Huazhong University of Science & Technology：Natural Science Edition，2011，39（12）：128132.

[9]馬好霞，余紅發(fā)，盧一亭，等.水泥混凝土在機場道面除冰液作用下的化學腐蝕[J].建筑科學與工程學報，2012，29（2）：6166.

MA Haoxia，YU Hongfa，LU Yiting，et al.Chemical Corrosion of Cement Concrete Exposed to Airport Pavement Deicers[J].Journal of Architecture and Civil Engineering， 2012，29（2）：6166.

[10]徐桑振，遲維勝，劉慶濤，等.硅烷浸漬機場道面混凝土性能試驗研究[J].混凝土，2012（7）：6770.