橋梁伸縮裝置錨固區(qū)混雜纖維混凝土力學性能及抗凍性試驗研究

姜允慶，劉宏偉，李 亮，黃民水*，胡國祥

1.安徽省新路建設工程集團有限責任公司，安徽 阜陽 236000；2.武漢工程大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430074

橋梁伸縮裝置是橋梁的重要組成構件，其暴露在大氣中，直接承受車輪荷載的反復沖擊，在設計、施工和管理養(yǎng)護上稍有缺陷或不足，就會引起伸縮裝置的早期破壞。而伸縮裝置的早期破壞很大程度上是由于錨固區(qū)混凝土的破損引起的，傳統(tǒng)的伸縮裝置錨固區(qū)混凝土所使用的材料難以達到較好的效果，往往由于本身屬剛性材料不耐沖擊且界面黏結較差，在使用一定周期后很快又會出現(xiàn)坑槽或啃邊等病害，且因其養(yǎng)護期長，易造成交通擁堵［1-4］。

纖維混凝土是一種復合混凝土材料，它將纖維分散在由水泥漿、砂漿或混凝土組成的基體中，以其優(yōu)良的抗拉、抗彎、抗剪等性能在各種大型土木工程設施中均得到了廣泛應用，主要有鋼纖維混凝土和聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）纖維混凝土2 種類型［5-6］。鋼纖維由于其較高的彈性模量能夠有效提高混凝土基體的強度，而低彈性模量的PVA 纖維因其有較好的延伸性達到良好的韌性。若能將這2 種纖維按照一定的比例混雜摻入混凝土中，即形成了鋼-PVA 混雜纖維混凝土。本文通過試驗研究了混雜纖維對混凝土早期力學性能及抗凍性的影響，獲得了最優(yōu)的混雜纖維摻量，為混雜纖維混凝土在橋梁伸縮裝置中的應用提供試驗依據(jù)。

1 纖維混雜效應機理

混雜纖維混凝土是將多種纖維加入混凝土中進行二次復合，對混凝土基本性能的改變機理十分復雜，由以往的研究可以看出，與摻加單一纖維相比，摻加混雜纖維對混凝土基體性能有好的影響。

鋼纖維具有抗拉強度大、彈性模量高等特點，摻入鋼纖維的混凝土其抗拉強度和抗折強度相對于混凝土基體均有很大程度的提高。而PVA 纖維與水泥的親和性好，對基體的増韌主要是通過PVA 纖維與水泥之間的相互黏結力而產(chǎn)生的。PVA 纖維可以抑制混凝土內部結構的微裂縫及開裂初期裂縫的擴展，當裂縫慢慢擴張時，纖維受力可以吸收裂縫釋放的能量，推遲開裂的時間進而提高基體的形變能力。而且PVA 纖維又是親水性良好的纖維，水分會被纖維牢牢吸住，很難蒸發(fā)脫離，在混凝土養(yǎng)護過程中起到關鍵作用。在一定的環(huán)境下，PVA 纖維混凝土的水分蒸發(fā)量較素混凝土有一定程度的降低。因此，水泥水化反應產(chǎn)生的水化產(chǎn)物和未發(fā)生反應的水分均會附著在PVA 纖維的表面，這些物質堆集到一定程度會堵塞蒸發(fā)水分的微小通道，從而防止混凝土的塑性裂縫，進而提高混凝土的強度［7-10］。

所以，PVA 纖維與鋼纖維對混凝土基體的增強效應不可相互代替。總的來說當混凝土即將破壞，PVA 纖維與鋼纖維將會對混凝土產(chǎn)生加強的作用，總體上提高了混凝土的強度，有較強的應用價值。

2 試驗概況

2.1 原材料

本次試驗采用武漢華新水泥廠的P.O 42.5 級普通硅酸鹽水泥；實驗中所用到的粗骨料的碎石級配集中在5～20 mm；減水劑為萘磺酸鈉甲醛縮合物，減水率為15%，最佳體積摻量為0.75%；鋼纖維（青島海爾新材料研發(fā)有限公司，波浪形），PVA短纖維（上海臣啟化工科技有限公司，6 mm），圖1為纖維的外觀特征，主要參數(shù)見表1。

圖1 纖維的外觀特征：（a）PVA 纖維，（b）鋼纖維Fig.1 Appearance characteristics of fibers：（a）PVA fiber，（b）steel fiber

表1 纖維物理性能及主要參數(shù)Tab.1 Physical properties and main parameters of fiber

2.2 配合比設計

混凝土的級配依據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程》（JGJ 55-2011）［11］和《高性能混凝土應用技術規(guī)程》（CECS 207：2006）［12］中的相關規(guī)定進行設計，目標等級為C50，混凝土的基本配合比如表2所示。

表2 試驗配合比設計Tab.2 Test mixture ratio design kg/m3

為了研究鋼纖維和PVA 纖維摻入時對混凝土抗壓、抗折強度及抗凍性能的影響，依據(jù)《纖維混凝土應用技術規(guī)程》（JGJ/T221-2010）［13］設計了單摻鋼纖維、單摻PVA 纖維以及二者混雜總體積摻量為2%的6 組試件，其體積摻量如表3 所示；單摻鋼纖維、單摻PVA 纖維及兩種纖維按不同組合混雜的8 組試件，其摻量如表4 所示。

表3 纖維體積摻量Tab.3 Fiber volume fraction

表4 鋼纖維體積摻量Tab.4 Steel fiber volume fraction

2.3 試件制作及方法

試件的制作與養(yǎng)護嚴格按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》《普通混凝土力學性能試驗標準》規(guī)定進行試件制作。為了避免制備過程中纖維分布不均勻，本試驗采用干拌法制備混雜纖維混凝土，立方體抗壓強度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，抗折強度試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，標準養(yǎng)護1 d、3 d；立方體抗凍融試件為100 mm×100 mm×100 mm，標準養(yǎng)護28 d。

試件的制作過程對混凝土的綜合性能有直接或間接的影響［14-15］，在制備纖維混凝土的過程中，當纖維摻量很大時纖維之間容易結團，從而使纖維混凝土的基本力學性有一定程度的降低，所以要盡可能地使纖維均勻分布在基體混凝土中。經(jīng)過數(shù)次試配及綜合前人研究經(jīng)驗，采取如下的制備過程：

普通混凝土：粗細骨料+水泥（攪拌2 min）→加入水（攪拌2 min）→加入減水劑（攪拌1 min）→制備完成，澆筑。

纖維混凝土：粗細骨料+纖維（攪拌2 min）→加入水泥（攪拌2 min）→加入水（攪拌2 min）→加入減水劑（攪拌1 min）→制備完成，澆筑。

澆筑分2 步進行，先在試模中澆筑一半，在振動臺上振動30 s 后，再澆筑剩下的一半（澆筑一定要漫出試模），并同樣振動30 s。振動時不能讓試模在臺上隨意跳動，振動至表面出漿為止，抹平，蓋上保護膜防止水分蒸發(fā)。

3 結果與討論

3.1 抗壓強度

根據(jù)《普通混凝土力學性能試驗標準》（GB/T 50081）［7］的相關規(guī)定進行試驗，記錄試驗試件破壞時的荷載值，按式（1）計算抗壓強度，結果如圖2 所示。

式（1）中：fcu，k為混凝土立方體抗壓強度，MPa；FC，max為試件最大荷載，N；AC為試件承壓面面積，mm2。

混凝土基體中固定纖維總體積摻量為2%時，對齡期為1 d 或3 d 混凝土抗壓強度的影響如圖2（a）所示，摻入纖維會導致混凝土早齡期抗壓強度有不同程度的降低。

在混凝土基體中鋼纖維按照1%和1.5%的體積率、聚乙烯醇纖維按0.08%和0.12%的體積摻量單摻入或按不同組合摻入基體混凝土中，1 d 和3 d抗壓強度如圖2（b）所示?？梢钥闯?，當鋼纖維體積摻量為1.5%、聚乙烯醇纖維體積摻量為0.12%時，立方體抗壓強度最大分別為10.23，31.52 MPa，較對照組分別提高30.9%，31.7%。

3.2 抗折強度

按式（）計算抗折強度，將所得試件抗折強度乘以其尺寸的換算系數(shù)0.85，試驗結果如圖3所示。

式（2）中：fr為混凝土抗折強度，MPa；F 為破壞荷載，N；l 為支座間跨度，mm；h 為試件截面高度，mm；b 為試件截面寬度，mm。

圖2 不同纖維對混凝土抗壓強度的影響：（a）纖維總體積摻量為2%，（b）鋼纖維體積摻量最大1.5%Fig.2 Effects of different fibers on compressive strength of concrete：（a）total fiber volume fraction is 2%，（b）maximum steel fiber volume fraction is 1.5%

圖3 不同纖維對混凝土抗折強度的影響：（a）纖維總體積摻量為2%，（b）鋼纖維體積摻量最大1.5%Fig.3 Effects of different fibers on rupture strength of concrete：（a）total fiber volume fraction is 2%，（b）maximum steel fiber volume fraction is 1.5%

可以看出，混凝土中摻入聚乙烯醇纖維、鋼纖維及其混雜纖維時，混凝基體的早期抗折強度有明顯提高。單摻鋼纖維體積摻量為1.5%時，混凝土的1 d 和3 d 抗折強度提高了77.4%和57.0%；單摻聚乙烯醇纖維體積摻量為0.08%時，混凝土的1 d 和3 d 抗折強度提高了37.3%和25.4%；混雜纖維在鋼纖維體積摻量為1.5%、聚乙烯醇纖維體積摻量為0.12%時，對基體混凝土的早期抗折強度提高最為顯著，1 d 和3 d 抗折強度較素混凝土提高了81.4%和65.5%。由此而知：摻加混雜纖維對混凝土早期抗折強度的提高優(yōu)于單摻纖維。

3.3 抗凍性

混凝土抗壓強度損失率按式（3）計算：

式（3）中：Δfc為n 次凍融循環(huán)后的混凝土抗壓強度損失率，%；fco為同齡期標準養(yǎng)護的對比試件的抗壓強度測定值，MPa；fcn為n 次凍融循環(huán)后的一組混凝土試件的抗壓強度測定值，MPa，n取50。

混凝土質量損失率按式（4）計算：

式（4）中：ηΔm為n 次凍融循環(huán)后混凝土試件的質量損失率，%；m0凍融循環(huán)試驗前混凝土試件的質量，g；mn為n 次凍融循環(huán)試驗后混凝土試件的質量，g。

混凝土強度損失率、質量損失率越小，表明混凝土的抗凍性能越好?；炷恋膬鋈谛阅苁芑祀s纖維摻量的影響趨勢如圖4 所示，摻入纖維的混凝土相對于素混凝土經(jīng)50 次凍融循環(huán)后的強度損失率、質量損失率有不同程度的改善。鋼纖維體積摻量1.5%和PVA 纖維體積摻量0.12%的混雜纖維混凝土強度損失率、質量損失率最小，分別為2.5%、0.6%。

3.4 試件破壞形態(tài)分析

普通混凝土、混雜纖維混凝土的破壞形態(tài)如圖5～圖6 所示。

抗壓試驗中，普通混凝土表面首先出現(xiàn)1～2 條微小的裂縫，隨著試驗的進行，在原微裂縫的遠處相繼出現(xiàn)其他裂縫，隨著荷載進一步增加，裂紋的寬度迅速增大，由上至下貫通整個混凝土試塊，最終導致混凝土試件碎裂，這種破壞是突發(fā)的，表現(xiàn)出明顯的脆性。而摻入鋼纖維1.5%和PVA 纖維0.12%的混雜纖維混凝土達到試塊極限承載力后，試塊表面產(chǎn)生的裂縫的發(fā)展有一定過程，極限承載力雖不能增大，但是下降速度明顯放緩，試塊破壞時，并未破碎，表現(xiàn)出良好的延性。

圖4 不同纖維對混凝土抗凍性能的影響：（a）強度損失率，（b）質量損失率Fig.4 Effects of different fibers on freeze-thaw resistance of concrete：（a）strength loss rate，（b）mass loss rate

圖5 普通混凝土破壞形態(tài)：（a）立方體抗壓，（b）抗折Fig.5 Ordinary concrete failure forms：（a）cube compression，（b）rupture

圖 混雜纖維混凝土破壞形態(tài)：（）立方體抗壓，（）抗折Fig.6 Hybrid fiber concrete failure forms：（a）cube compression，（b）rupture

抗折試驗中，普通混凝土試件直接斷開，這種破壞是突發(fā)的，表現(xiàn)出明顯的脆性。而摻入鋼纖維1.5%和PVA 纖維0.12%的混雜纖維混凝土試塊破壞時，纖維將試塊連成一個整體，表現(xiàn)出良好的延性，大大提高了混凝土的抗折強度。

4 混雜效應分析

本次的混雜系數(shù)采用的是比值法，定義鋼纖維與聚乙烯醇纖維的混雜系數(shù)如式（5）：

式（5）中：αsp為混凝土抗壓強度的混雜系數(shù)，當混雜系數(shù)α ≥1 時，稱為正混雜效應，而當α ＜1時，就稱為負混雜效應；βsp、βp和βs為混雜纖維混凝土、PVA 纖維混凝土和鋼纖維混凝土相對于基準混凝土的強度增強系數(shù)，按式（6）進行計算：

式（6）中：f 和fm分別為纖維混凝土的強度和基體混凝土的強度。

1 d 和3 d 早期抗壓強度各組試件混雜效應，結果如表5 所示。

表5 混雜纖維的混雜系數(shù)Tab.5 Hybrid coefficients of hybrid fiber

從表5 可以看出鋼纖維體積摻量為1.0%、PVA 纖維體積摻量0.08%與鋼纖維體積摻量為1.5%、PVA 纖維體積摻量0.12%的混雜系數(shù)均大于1。說明鋼纖維和PVA 纖維的兩種組合中在混凝土中均呈現(xiàn)正混雜效應。說明這2 組混雜纖維在提高混凝土基本力學性能方面較好。綜合前述基本力學性能和抗凍性試驗結果，鋼纖維體積摻量為1.5%、PVA 纖維體積摻量0.12%時，能達到最佳混雜效果。

5 結 語

本文通過在混凝土中摻加不同體積摻量的PVA 纖維和鋼纖維的方法來配制混雜纖維混凝土，進行了抗壓強度、抗折強度和抗凍性試驗，得到如下結論：

1）PVA 纖維的摻入降低了混凝土基體的早期抗壓強度，而鋼纖維對基體早期抗壓強度降低較小。PVA 纖維、鋼纖維及其混雜纖維對混凝基體的早期抗折強度有明顯的提高。通過分析可知，在1 d 和3 d 的強度最佳組合為S5P5，即鋼纖維體積摻量為1.5%，PVA 纖維體積摻量為0.12%。

2）混雜纖維混凝土的抗凍性能明顯優(yōu)于普通混凝土，這是因為摻加混雜纖維抑制了混凝土結構內部裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，從而提高混凝土的抗凍融性能。其中最佳組合也為S5P5。

3）試塊破壞時，普通混凝土表現(xiàn)出明顯的脆性。而纖維混凝土試塊破壞時在試塊表面仍連成一個整體，表現(xiàn)出良好的延性，能有效地緩解混凝土的破壞。

4）對纖維混凝土的混雜效應進行了分析，發(fā)現(xiàn)不同纖維的混雜對基體混凝土的早期抗壓強度部分起正混雜效應，結合混雜效應分析進行摻量優(yōu)選，在實際工程中有較強的應用價值。