路面PVA纖維混凝土抗裂夾層性能研究

基金項目：2022年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目“帶瀝青夾層的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的減振效應(yīng)及動力響應(yīng)研究”（編號：2022KY1123）、“基于一階剪切變形理論的正交異性鋼橋面板疲勞性能的無網(wǎng)格方法研究”（編號：2022KY1140）;2019年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目“行車振動對C40混凝土力學(xué)性能影響”（編號：2019KY1337）

作者簡介：肖成明（1990—），碩士，講師，研究方向：道路與橋梁工程技術(shù)。

摘要：文章針對不同體積摻量和長度的PVA纖維混凝土開展力學(xué)性能研究。結(jié)果表明：PVA纖維的長度和摻量的增大均會降低混凝土的工作性能；PVA的摻入會引起混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量略微的下降，且長纖維比短纖維影響更加明顯；PVA的摻入能大幅度提升混凝土的抗彎拉性能，其中6 mm和12 mm長度的PVA纖維對應(yīng)抗彎拉強(qiáng)度最大提升幅度分別為24.8%和32.0%，且最佳PVA纖維體積摻量為0.1%，超過該界限后對彎拉強(qiáng)度提升不利。

關(guān)鍵詞：PVA纖維混凝土；工作性能；抗壓強(qiáng)度；抗彎拉強(qiáng)度；彈性模量

中圖分類號：U416.03

0 引言

濕熱地區(qū)的舊路面板裂縫或接縫普遍存在，舊水泥路面進(jìn)行返修時采用在原舊路面加鋪一層瀝青混合料，即“白+黑”結(jié)構(gòu)路面，此面層在使用過程中容易在瀝青加鋪層層底（原舊水泥路面）裂縫處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成瀝青面層底部開裂形成反射裂縫。加鋪層產(chǎn)生反射裂縫并不代表路面已經(jīng)破損，但路面雨水通過反射裂縫進(jìn)入瀝青面層，引發(fā)路面次生病害，嚴(yán)重影響加鋪層的使用壽命。而在舊水泥混凝土路面面層和新加鋪瀝青混合料面層間設(shè)置PVA混凝土抗裂層能夠有效防治反射裂縫。

PVA纖維水泥基復(fù)合材料的具體特性是該材料具有良好的抗磨損以及抗破碎和抗裂性，將其摻入普通混凝土中能夠抑制裂縫的產(chǎn)生且成本低^［1-2］。目前關(guān)于塑性混凝土的研究現(xiàn)狀如下：

銀英姿等^［3］認(rèn)為PVA纖維的大量摻入可以有效抑制混凝土早期裂縫的產(chǎn)生，且對混凝土早期強(qiáng)度產(chǎn)生影響。譚明輪等^［4］研究了不同摻量的PVA纖維對水泥基材料性能的影響，結(jié)果表明：PVA的摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度有小幅度的降低作用。王圣怡等^［5］在研究PVA纖維長度和體積摻量對輕骨料混凝土的力學(xué)性能影響中發(fā)現(xiàn)，PVA纖維長度和體積摻量會在一定程度上降低輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，且當(dāng)PVA纖維長度為3 mm、體積摻量為0.1%時，輕骨料混凝土的強(qiáng)度達(dá)到最大。李艷等^［6］通過對高性能PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)PVA纖維體積摻量的增加能夠增大HPFRCC的抗拉強(qiáng)度與極限拉應(yīng)變。Skourup等^［7］和黃俊等^［8］認(rèn)為PVA纖維能明顯提高砂漿的韌性和斷裂能，因此，PVA的摻入能夠在一定程度上提高材料韌性，則裂縫減少。

綜上所述，PVA纖維能夠有效抑制混凝土的開裂，提高混凝土的韌性。但當(dāng)前對路用PVA纖維混凝土抗裂層的性能缺少系統(tǒng)的研究，從而阻礙了PVA混凝土抗裂層在道路工程領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。為此，本文針對不同體積摻量和長度的路用PVA纖維混凝土力學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，為今后舊水泥混凝土路面面層和基層間設(shè)置PVA混凝土抗裂層防治反射裂縫的應(yīng)用提供參考和借鑒。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥：采用海螺牌P.O 42.5水泥，經(jīng)檢驗其性能滿足相關(guān)規(guī)范要求。

細(xì)骨料：采用細(xì)度模數(shù)為2.8，表觀密度為2 650 kg/m³，堆積密度為1 574 kg/m³的天然河砂。

粗骨料：采用粒徑為5～20 mm的連續(xù)級配碎石。

水：普通自來水。

減水劑：粉末狀聚羧酸高效減水劑，減水率為25%。

纖維：6 mm和12 mm兩種規(guī)格的PVA纖維。

1.2 配合比

為研究不同纖維摻量和長度對路面PVA纖維混凝土抗裂層的性能影響，設(shè)計了水膠比為0.4的基準(zhǔn)配合比，各組分含量見下頁表1。在基準(zhǔn)配合比中摻入的PVA纖維長度分別為6 mm和12 mm，體積摻量分別為0、0.05%、0.1%、0.15%、0.2%。減水劑摻量為膠凝材料總質(zhì)量的0.2%。

1.3 試驗方法

PVA纖維混凝土拌和料的制備過程為：將各組分的質(zhì)量稱好，將纖維分散于水中，一起加入攪拌機(jī)中進(jìn)行拌和，達(dá)到規(guī)定拌和時間后，參照混凝土試驗規(guī)程對拌和物進(jìn)行坍落度試驗。將符合要求的拌和物裝入試模中，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d，待試樣達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后，對PVA纖維混凝土試樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度和彈性模量試驗，試驗方法均參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2016）規(guī)定執(zhí)行。

路面PVA纖維混凝土抗裂夾層性能研究/肖成明，胡邦勝，洪星架，朱志廣

2 試驗結(jié)果分析及討論

2.1 PVA摻量及長度對混凝土工作性能的影響

混凝土工作性能隨PVA纖維長度和摻量的變化規(guī)律如圖1所示。由圖1可知，混凝土坍落度隨纖維摻量的增大呈逐漸減小的趨勢，且纖維越長下降趨勢越明顯。其中PVA纖維摻量由0增至0.2%時，對應(yīng)長度6 mm和12 mm的混凝土坍落度相比于基準(zhǔn)組分別下降4.1%、14.7%、17.9%和20.0%，8.7%、17.4%、16.7%和22.1%。結(jié)果表明：PVA纖維的長度和摻量對混凝土的工作性能均有影響。究其原因為：摻入纖維后，纖維呈網(wǎng)狀交叉隨機(jī)分散在混凝土拌和物中，將水泥砂漿包裹于其中，由于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的束縛作用阻礙了水泥砂漿的自由流動，且束縛力隨纖維摻量的增加，導(dǎo)致單位體積中網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的變密而增強(qiáng)，在宏觀上表現(xiàn)為混凝土坍落度隨纖維摻量的增加而下降。而纖維越長，也會進(jìn)一步增加單位體積水泥砂漿中的纖維網(wǎng)的密度，增加對水泥砂漿的包裹作用和阻礙力，從而降低混凝土的流動性。

2.2 PVA摻量及長度對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

混凝土抗壓強(qiáng)度隨PVA纖維長度和摻量的變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可知，混凝土抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量的增大呈逐漸減小的趨勢，且纖維越長的下降趨勢越明顯。其中，當(dāng)PVA纖維摻量由0增至0.2%時，對應(yīng)長度6 mm和12 mm的混凝土抗壓強(qiáng)度相比于基準(zhǔn)組分別下降1.3%、1.7%、4.6%和6.3%，2.3%、3.4%、5.5%和9.2%。究其原因：PVA纖維的摻入會引入一定不均勻大小的氣體，在一定程度上減弱膠凝材料與骨料之間的粘結(jié)力，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度下降。圖2也反映出，當(dāng)纖維摻量為0.05%～0.1%時，抗壓強(qiáng)度只有略微的下降，而在0.15%～0.2%時，對應(yīng)的抗壓強(qiáng)度降幅明顯加大。分析原因為：隨著纖維摻量的增大，纖維隨機(jī)亂向分布在混凝土內(nèi)部，形成三維空間網(wǎng)狀，當(dāng)纖維摻量超過一定界限時發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象^［9］，從而引起宏觀力學(xué)強(qiáng)度的下降。結(jié)果表明，對抗壓強(qiáng)度而言，纖維的最佳摻量為0.1%～0.15%。

2.3 PVA摻量及長度對混凝土抗彎拉強(qiáng)度的影響

混凝土抗彎拉強(qiáng)度隨PVA纖維長度和摻量的變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可知，混凝土抗彎拉強(qiáng)度隨纖維摻量的增大呈先增大后下降的趨勢，且長度為12 mm的纖維同比長度為6 mm的纖維對混凝土抗彎拉強(qiáng)度提升的幅度更明顯?？箯澙瓘?qiáng)度峰值點對應(yīng)的PVA纖維體積摻量為0.1%，相比于基準(zhǔn)組混凝土抗彎拉強(qiáng)度分別增長24.8%和32.0%。而當(dāng)纖維體積摻量在0.1%～0.2%時，混凝土抗彎拉強(qiáng)度相比于峰值組有小幅度下降趨勢。究其原因為：PVA纖維的摻入能在基體中如同多根微細(xì)筋，在開裂后起到限制裂縫發(fā)展和產(chǎn)生的作用，基體通過和纖維的界面咬合力依舊傳遞應(yīng)力，再通過纖維將應(yīng)力傳給未開裂的基體，隨著纖維摻量的增加這種“橋接作用”越明顯，因此在宏觀性能上表現(xiàn)為混凝土抗彎拉強(qiáng)度隨纖維摻量的增加而提高^［10］。當(dāng)纖維摻量超過一定界限時，此時纖維難以均勻分散在混凝土基體中，發(fā)生纖維團(tuán)聚現(xiàn)象，因此表現(xiàn)出抗彎拉強(qiáng)度隨纖維的繼續(xù)增大而略微下降的趨勢。

2.4 PVA摻量及長度對混凝土彈性模量的影響

混凝土彈性模量隨PVA纖維長度和摻量的變化規(guī)律如圖4所示。由圖4可知，混凝土彈性模量隨纖維摻量的增大呈下降的趨勢，且長度為12 mm的纖維同比長

度為6 mm的纖維對混凝土彈性模量的下降幅度更明顯。其中，當(dāng)PVA纖維摻量由0增至0.2%時，對應(yīng)長度為6 mm和12 mm的混凝土彈性模量相比于基準(zhǔn)組分別下降1.2%、2.4%、2.4%和5.3%，2.7%、5.2%、5.6%和5.9%。分析原因：纖維的摻入增強(qiáng)了水泥基與界面的錨固作用，但由于纖維的摻入引入了一些氣泡，這些氣泡成為混凝土內(nèi)部的薄弱部分，且纖維摻量越大，引入的氣泡量越大，增大了纖維團(tuán)聚的概率，導(dǎo)致彈性模量有略微的下降。

3 結(jié)語

（1）PVA纖維的摻入會降低混凝土的工作性能，且PVA纖維體積摻量越大，纖維長度越長，工作性能下降越明顯；當(dāng)PVA纖維體積摻量由0增至0.2%時，對應(yīng)長度為6 mm和12 mm的混凝土坍落度相比于基準(zhǔn)組最大降幅達(dá)分別為20.0%、22.1%。

（2）PVA纖維的摻入會導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度的下降，最大降幅可達(dá)9.2%；當(dāng)PVA纖維體積摻量在0～0.15%時，其抗壓強(qiáng)度隨摻量的增大而略微減小，當(dāng)PVA纖維摻量＞0.15%時，下降速率明顯加快。對混凝土抗壓強(qiáng)度而言，纖維的最佳摻量為0.10%～0.15%，且長纖維的摻入會在更大程度上降低混凝土的抗壓強(qiáng)度。

（3）不同長度和體積摻量的PVA纖維均能明顯提升混凝土的抗彎拉強(qiáng)度，6 mm和12 mm長度的PVA纖維對應(yīng)抗彎拉強(qiáng)度最大提升幅度為24.8%和32.0%；最佳的PVA纖維體積摻量為0.1%，當(dāng)超過該臨界的摻量后，混凝土抗彎拉強(qiáng)度相較于峰值組有略微的下降。

（4）混凝土彈性模量隨PVA纖維長度和摻量的增大呈略微下降的趨勢，且長度為12 mm的纖維同比長度為6 mm的纖維對混凝土彈性模量的下降幅度更明顯，相較于基準(zhǔn)組最大降幅分別為5.3%和5.9%。

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