PVA纖維與鋼纖維對(duì)剛性路面路用性能的影響研究

王富強(qiáng) 李衛(wèi)寧

摘要：水泥混凝土作為剛性路面是最常用的材料，具有使用壽命長(zhǎng)、耐久性好、不易老化衰變的特點(diǎn)，在重載交通作用下應(yīng)用效果顯著，但在車輛重復(fù)荷載作用下容易開裂。文章通過(guò)研究單摻PVA或單摻鋼纖維對(duì)水泥混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量、拉伸彈性模量的影響，驗(yàn)證了單摻PVA或單摻鋼纖維能夠提高水泥混凝土剛性路面使用性能，為以后在實(shí)際工程和進(jìn)一步的理論研究中提供了參考。

關(guān)鍵詞：水泥混凝土;剛性路面;纖維;性能

0 引言

水泥混凝土作為剛性路面最常用的材料，具有使用壽命長(zhǎng)、耐久性好、不易老化衰變的特點(diǎn)，在重載交通作用下應(yīng)用效果顯著。盡管水泥混凝土剛性路面有許多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些缺點(diǎn)?；炷潦且环N脆性材料，車輛重復(fù)荷載作用下容易開裂[1，2]。在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)里，一些發(fā)展中國(guó)家如中國(guó)、巴西等積極研發(fā)與應(yīng)用推廣各種非石棉纖維材料水泥產(chǎn)品，這些纖維材料包括天然纖維（如稻草、馬毛）、玻璃纖維、碳纖維、鋼纖維和合成纖維（如尼龍、聚丙烯、聚乙烯）等。纖維改性已經(jīng)成為脆性材料控制裂縫和性能優(yōu)化的重要技術(shù)手段[3]。

鋼纖維加固經(jīng)歷了許多變化，通常鋼纖維是由高抗拉強(qiáng)度鋼制造生產(chǎn)。鋼纖維為冷拉鋼絲，采用高抗拉強(qiáng)度鋼先變形成所需的形狀，再進(jìn)行切割成形。為了使鋼纖維在水泥混凝土基體中更好地發(fā)揮作用，工程應(yīng)用中開發(fā)出各種各樣的幾何形狀，但目前最常用的兩種，分別為波浪形鋼纖維和彎鉤形鋼纖維。波浪形鋼纖維通常是一種生產(chǎn)副產(chǎn)品，因此其質(zhì)量低于彎鉤形鋼纖維。彎鉤形鋼纖維常用于纖維鋼筋混凝土，其通常被整理成小束，在混凝土混合過(guò)程中分散分布在整個(gè)水泥混凝土基體中，以提高基體界面粘結(jié)性能。

聚乙烯醇纖維（下稱PVA）作為水泥混凝土添加材料，可以提高路面的拉伸強(qiáng)度和延展性，改善水泥混凝土的路用性能。研究表明，水泥混凝土添加PVA，可提高混凝土的抗彎拉強(qiáng)度，防止裂縫的發(fā)展并提高混凝土彈性模量。在混凝土中添加PVA可使裂縫的數(shù)量、長(zhǎng)度和寬度大大減少，并降低生成貫通裂縫的可能性，延遲路面開裂。PVA在水泥基體堿性環(huán)境中具有良好的穩(wěn)定性和耐久性，且親水性良好，在含水的混凝土拌和物中，較其他纖維具有很好的分散性，綠色環(huán)保[4]。本文主要研究添加PVA對(duì)剛性水泥混凝土剛性路面抗彎拉強(qiáng)度的影響。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

（1）PVA：國(guó)外某公司生產(chǎn)，呈暗黃色，其各項(xiàng)基本性能見表1。

（2）鋼纖維：國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)，剪切波浪形，其各項(xiàng)基本性能見表1。

（3）水泥：P·O42.5R水泥。

（4）細(xì)骨料：天然河砂干燥后篩分制成，顆粒級(jí)配在Ⅱ區(qū)范圍內(nèi)，平均粒徑為0.44mm，含泥量≤2.5%。

（5）粗骨料：連續(xù)級(jí)配的人工碎石，最大粒徑為15mm。

（6）水：普通自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)混凝土水灰比為0.45。試件保持相同的原材料、級(jí)配、水灰比，變化參數(shù)為PVA和鋼纖維的摻入比例。在混凝土試件分別單摻PVA，比例依次為0.1%、0.3%和0.5%;單摻鋼纖維，比例依次為0.75%、1.0%和1.5%。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 單摻PVA或單摻鋼纖維水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度

單摻PVA或單摻鋼纖維水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度見圖1。由圖1可以看出：按一定比例分別單摻PVA或單摻鋼纖維均使水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度顯著提高，鋼纖維的提升作用更明顯。

單摻0.1%、0.3%和0.5%PVA的水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度較未摻入的分別提高5.4%、8.1%和18.9%，最高抗壓強(qiáng)度為PVA摻量為0.5%時(shí)的44MPa。PVA的親水性表面與水泥基體中的膠凝材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，二者的界面粘結(jié)使得混凝土基體更加堅(jiān)硬，提高了抗拉強(qiáng)度和彈性模量，既減少混凝土干燥收縮，又不影響其延展性，有效阻止原有的缺陷（微裂縫）擴(kuò)展，并延緩新裂縫的出現(xiàn)，將車輛載荷傳遞到水泥基體的不同部位，使水泥混凝土剛性路面受力更均勻。

單摻0.75%、1.0%和1.5%鋼纖維的水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度較未摻入的分別提高21.6%、24.3%和40.5%，最高抗壓強(qiáng)度為鋼纖維摻量為0.5%時(shí)的52MPa。加入鋼纖維后進(jìn)行極限破壞只是造成了試件局部紋裂，試件基本是完整的，而不加鋼纖維的普通混凝土試件進(jìn)行極限破壞后是粉碎性破壞。隨著鋼纖維摻量的增加，抗壓強(qiáng)度也在增大，抗壓強(qiáng)度值高于摻加PVA的試件。這是由于PVA分散性比較差，影響水泥漿體的均勻性，需漿體包裹的面積也會(huì)增加，影響其流動(dòng)性。雖然鋼纖維表面光滑容易插入到漿體中，但在漿體黏的情況下鋼纖維容易結(jié)團(tuán)，影響混凝土的勻質(zhì)性和自密實(shí)性。所以在水泥漿體流動(dòng)性較好的情況下，加入適量的鋼纖維比摻加PVA對(duì)水泥混凝土剛性路面基體均勻性造成的影響要小。

2.2 單摻PVA或單摻鋼纖維水泥混凝土的彈性模量

單摻PVA或單摻鋼纖維水泥混凝土的彈性模量見下頁(yè)圖2。由圖2可以看出：按一定比例分別單摻PVA或單摻鋼纖維，水泥混凝土的彈性模量隨摻入PVA比例的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，隨摻入鋼纖維比例的增加影響較小。

單摻0.1%、0.3%和0.5%PVA的水泥混凝土的彈性模量較未摻入的分別下降6.1%、15.2%和18.2%，最高彈性模量為PVA摻量為0.1%時(shí)的31MPa。單摻0.75%、1.0%和1.5%鋼纖維的水泥混凝土的彈性模量較未摻入的分別下降9.1%、6.1%和3.0%，最高彈性模量為鋼纖維摻量為1.5%時(shí)的32MPa，約等于未摻入的彈性模量。無(wú)論是單摻PVA或者鋼纖維，水泥混凝土的彈性模量隨摻入比例的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，原因是單摻PVA或者鋼纖維產(chǎn)生的部分孔隙不易被填充，導(dǎo)致水泥混凝土基體孔隙率增大，改變結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中，應(yīng)力分布趨于均勻，單摻PVA或者鋼纖維發(fā)揮良好的協(xié)同作用約束裂縫。彈性模量下降，其韌性越好，水泥混凝土基體裂縫開展路徑增多，但呈現(xiàn)出裂而不散、壞而不碎的破壞特征。

2.3 單摻PVA或單摻鋼纖維的拉伸彈性模量

單摻PVA或單摻鋼纖維水泥混凝土的拉伸彈性模量見圖3。由圖3可以看出：按一定比例分別單摻PVA或單摻鋼纖維均使水泥混凝土的拉伸彈性模量得到顯著提高，PVA的提升作用更明顯。

單摻0.1%、0.3%和0.5%PVA的水泥混凝土的拉伸彈性模量較未摻入的分別提高45.3%、49.1%和52.8%，最高拉伸彈性模量為PVA摻量為0.5%時(shí)的5.7MPa。單摻0.75%、1.0%和1.5%鋼纖維的水泥混凝土的拉伸彈性模量較未摻入的分別提高17.4%、18.3%和26.7%，最高拉伸彈性模量為鋼纖維摻量為1.5%時(shí)的4.7MPa。無(wú)論是單摻PVA或者鋼纖維，水泥混凝土的拉伸彈性模量隨摻入比例的增加顯著提高，原因是水泥混凝土基體中的PVA或者鋼纖維跨越劈裂面起到了搭接承載作用，隨著摻入比例的增加而增大，使拉伸彈性模量顯著提高，減少水泥混凝土剛性路面早期裂縫的發(fā)生。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述研究與分析得出如下結(jié)論：

（1）按一定比例分別單摻PVA或單摻鋼纖維均使水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度顯著提高，鋼纖維的提升作用更明顯。最高抗壓強(qiáng)度為PVA摻量為0.5%時(shí)的44MPa，鋼纖維摻量為0.5%時(shí)的52MPa。

（2）按一定比例分別單摻PVA或單摻鋼纖維，水泥混凝土的彈性模量隨摻入PVA比例的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，隨摻入鋼纖維比例的增加影響較小。最高彈性模量為PVA摻量為0.1%時(shí)的31MPa，鋼纖維摻量為1.5%時(shí)的32MPa。

（3）按一定比例分別單摻PVA或單摻鋼纖維均使水泥混凝土的拉伸彈性模量顯著提高，PVA的提升作用更明顯。最高拉伸彈性模量為PVA摻量為0.5%時(shí)的5.7MPa。鋼纖維摻量為1.5%時(shí)的4.7MPa。

上述研究不僅較好地描述了單摻PVA或單摻鋼纖維對(duì)水泥混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量、拉伸彈性模量的改善情況，并且進(jìn)一步驗(yàn)證了單摻PVA或單摻鋼纖維能夠提高水泥混凝土剛性路面使用性能，這將為以后在實(shí)際工程和進(jìn)一步的理論研究中提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]李衛(wèi)寧，王富強(qiáng).復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下再生混凝土多軸試驗(yàn)研究[J].西部交通科技，2014（9）：6-9，18.

[2]李衛(wèi)寧.再生骨料取代率對(duì)再生混凝土路面抗凍性的影響研究[J].西部交通科技，2017（10）：1-3.

[3]沈奇真.PVA/鋼混雜纖維增強(qiáng)水泥混凝土力學(xué)性能研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2013.

[4]徐安花.PVA/鋼混雜纖維對(duì)水泥混凝土彎曲韌性的影響[J].公路工程，2014（2）：88-92.