橋面鋪裝纖維高性能混凝土的力學(xué)及干燥收縮性能研究

李 萍

(福州市規(guī)劃設(shè)計研究院集團有限公司，福建福州 350108)

由于高性能混凝土具有強度高、穩(wěn)定性好、耐久性優(yōu)等特點，故被廣泛應(yīng)用于我國橋梁鋪裝工程建設(shè)之中[1-4]。近年來，隨著國內(nèi)交通流量和重載軸載的日益增長，使得傳統(tǒng)的橋面鋪裝高性能混凝土路面材料出現(xiàn)了少量的龜裂、破損等病害，因其難于修復(fù)給橋梁結(jié)構(gòu)的后期運營帶來了較大的安全風(fēng)險[5-6]。纖維是一種耐酸堿、抗熱寒、拉伸強度好、斷裂延伸率優(yōu)的新型材料，在傳統(tǒng)的橋面鋪裝材料中摻入適量的纖維能夠發(fā)揮其增韌阻裂的功效，有利于改善橋梁結(jié)構(gòu)的使用安全和壽命[7-8]。

目前，我國路橋工作者針對橋面鋪裝纖維高性能混凝土展開了不少研究，如周浩等[9]通過對不同摻量的玄武巖纖維混凝土進行直接拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維可以改善高性能混凝土的韌性、抗裂性及抗拉性；霍凱榮等[10]基于正交試驗方法，探究了鋼纖維和聚丙烯纖維混雜情況下橋面高性能混凝土的性能，研究表明混雜纖維能夠有效改善橋面鋪裝混凝土的強度及耐久性能；朱瑜珂[11]考察了鋼纖維和聚丙烯纖維混雜對橋面鋪裝高性能混凝土的工作性能、流變性能、力學(xué)性能及抗裂抗?jié)B性能的影響；歐忙等[12]研究了鋼纖維摻量和長徑比對橋面高性能混凝土工作性能及力學(xué)性能的影響，認為在最佳摻量前提下通過適量提高鋼纖維的長徑比能夠改善混凝土的工作性能及力學(xué)性能。本文通過將不同摻量的鋼纖維、聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維摻入到橋面鋪裝高性能混凝土中，采用抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度及干燥收縮試驗，研究了纖維類型及摻量對高性能混凝土的力學(xué)及干燥收縮性能的影響規(guī)律，旨為橋面鋪裝纖維高性能混凝土的設(shè)計提供參考與借鑒。

1 試驗材料及方法

1.1 原材料

（1）水泥：選用P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，其各項力學(xué)性能指標（見表1）均滿足道路硅酸鹽水泥（GB/T 13693-2017）的技術(shù)要求。

表1 水泥的主要性能指標Table 1 Main performance indexes of cement

（2）骨料：粗骨料選用粒徑為5～30 mm的花崗巖碎石，細骨料選用密度為2.56g/cm3的中粗天然河砂，細度模數(shù)為2.55，粗、細骨料的篩分結(jié)果見表2。

表2 骨料的篩分結(jié)果Table 2 Screening results of aggregates

（3）纖維：采用鋼纖維（SF）、聚丙烯纖維（PF）、聚乙烯醇纖維（PVAF），其主要性能指標見表3。

表3 纖維的主要性能指標Table 3 Main performance indexes of fibers

（4）拌合水：市政生活用水。

1.2 試驗方法

根據(jù)普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程（JGJ 55-2011）中相關(guān)標準進行纖維高性能混凝土配合比設(shè)計，基準混凝土的設(shè)計標號為C60，經(jīng)室內(nèi)試驗確定基準混凝土的水泥用量為520kg/m3，碎石為1095kg/m3，天然河砂為725kg/m3，拌合水為172kg/m3。纖維均采用外摻方式添加到基準混凝土中，其中SF和PVAF的體積摻量分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%，PF的體積摻量分別為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%。試驗按照普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準（GB/T 50081-2002）、普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準（GB/T 50082-2009），采用28d立方體抗壓強度試驗、劈裂抗拉強度試驗及抗折強度試驗評價纖維高性能混凝土的力學(xué)性能，采用干縮試驗評價其干燥收縮性能，具體相關(guān)試驗項目、試件尺寸等試驗方案見表4。

表4 纖維高性能混凝土的試驗方案Table 4 Test scheme for fiber high performance concrete

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 立方體抗壓強度

不同纖維高性能混凝土28d立方體抗壓強度試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同纖維高性能混凝土的抗壓強度試驗結(jié)果Fig.1 Compressive strength test results of different f iber high-performance concrete

由圖1可知，隨著纖維摻量的增加，三種不同類型纖維高性能混凝土的立方體抗壓強度均呈先增大后減小變化，其中在摻入0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的SF后，高性能混凝土的抗壓強度較于未摻纖維分別提高了3.3%、5.9%、7.9%、2.1%，而在摻入2.5%的SF后，抗壓強度則較未摻纖維降低了1.7%；在摻入0.4%、0.8%、1.2%的PF后，混凝土的抗壓強度較未摻纖維分別提高了3.5%、5.9%、1.5%，而在摻入1.6%、2.0%的PF后，抗壓強度則較未摻纖維分別降低了7.1%、12.1%。在摻入0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的PVAF后，混凝土的抗壓強度較未摻纖維分別提高了5.7%、10.1%、8.9%、4.6%、1.8%。摻入SF、PF、PVAF纖維在一定程度上均可增強高性能混凝土的抗壓強度，其中PVAF纖維的增幅效果最為明顯，其次為SF，而PF則較??；三種纖維混凝土在抗壓強度達到峰值時對應(yīng)的最佳纖維摻量分別為1.5%、0.8%、1.0%，說明適宜摻量的纖維能夠提升混凝土的抗壓強度，原因是適量纖維加筋于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部可形成空間支撐體系，不僅增強了與膠凝材料的粘結(jié)能力，還能分散外界壓力和抑制裂紋發(fā)展，因此混凝土的抗壓強度得到提升；但隨著纖維摻量的繼續(xù)增加，纖維過多會出現(xiàn)結(jié)團現(xiàn)象，導(dǎo)致拌合料內(nèi)部產(chǎn)生軟弱界面，從而不利于抗壓強度的提升。

2.2 劈裂抗拉強度

不同纖維高性能混凝土28d劈裂抗拉強度試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同纖維高性能混凝土的劈裂抗拉強度試驗結(jié)果Fig.2 Split tensile strength test results of high-performance concrete with different fibers

從圖2可以看出，隨著纖維摻量的增加，三種纖維高性能混凝土的劈裂抗拉強度均呈先增大后減小變化，其中在纖維摻量分別為1.5%、0.8%、1.0%時，SF、PF、PVAF纖維混凝土的劈裂抗拉強度都達到峰值，此時三種纖維的劈裂抗拉強度較未摻纖維分別提高了13.4%、26.3%、18.8%，說明纖維的摻入能夠改善高性能混凝土的劈裂抗拉強度，原因是纖維具有吸附穩(wěn)定、界面增強等作用，其加筋于混凝土中能夠形成網(wǎng)狀支撐結(jié)構(gòu)，一方面可促進水泥膠凝材料的粘結(jié)性提高，另一方能夠有效分散、傳遞、協(xié)調(diào)荷載應(yīng)力，使得混凝土內(nèi)的受荷應(yīng)力分布更為均勻，從而抑制了裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，故增強了混凝土的劈裂抗拉強度。三種纖維高性能混凝土的劈裂抗拉強度峰值從大到小依次表現(xiàn)為：PF＞PVAF＞SF，表明了PF纖維的抗拉能力優(yōu)于PVAF和SF纖維，原因是PF纖維與水泥膠凝材料的粘結(jié)效果更好，具有較好的抗拉作用，而PVAF和SF纖維的彈性模量較高，當受外力作用時會被拉出混凝土基體，故其劈裂抗拉強度較差于PF纖維。

2.3 抗折強度

不同纖維高性能混凝土28d抗折強度試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同纖維高性能混凝土的抗折強度試驗結(jié)果Fig.3 Resistance to folding strength test results of high-performance concrete with different fibers

根據(jù)圖3可知，隨著SF、PF、PVAF纖維摻量的增加，高性能混凝土的抗折強度均呈先增大后減小變化，其中在纖維摻量較少時，高性能混凝土的抗折強度逐漸上升，原因是隨機分布的纖維還未形成完整的空間網(wǎng)狀支撐體系，但纖維具有分散、傳遞、協(xié)調(diào)荷載應(yīng)力、加筋等作用，在一定程度上也能提高混凝土的抗折強度；在SF、PF、PVAF纖維摻量分別達1.5%、0.8%、1.0%時，混凝土的抗折強度分別達到峰值，且較未摻纖維分別提高了10.9%、10.2%、13.7%，此時纖維摻量達到飽和狀態(tài)，其在混凝土中形成了穩(wěn)定的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，加之纖維在混凝土折斷過程中能起到良好的牽拉作用，因而提高了混凝土的抗折能力和延性；而在纖維較多時，混凝土的抗折強度逐漸下降，原因是纖維過多在混凝土內(nèi)部難以均勻分散，導(dǎo)致產(chǎn)生結(jié)團、堆積、應(yīng)力集中等問題，從而在一定程度上削弱了混凝土的抗折強度。

2.4 干燥收縮

通過對不同類型及摻量的橋面鋪裝纖維高性能混凝土進行干燥收縮試驗，得到0～90 d養(yǎng)護齡期下各混凝土試件的干縮應(yīng)變變化曲線，如圖4所示。

由圖4可知，高性能混凝土的干縮應(yīng)變隨著養(yǎng)護齡期的增長逐漸增大，其中在0～28d齡期內(nèi)，混凝土的干縮應(yīng)變增速較快，而在28d齡期后，干縮應(yīng)變的增速則有所減緩。隨著SF、PF、PVAF纖維摻量的增加，高性能混凝土的干縮應(yīng)變均呈先減小后增大變化，通過90d齡期峰值干縮應(yīng)變可確定出三種纖維高性能混凝土的最佳摻量分別為1.5%、0.8%、1.0%，此時三種纖維混凝土的干縮應(yīng)變較未摻纖維分別降低了10.5%、12.8%、9.1%，纖維的摻入能夠抑制混凝土的干燥收縮變形，原因是纖維均勻分布加筋于混凝土中能夠消散一部分應(yīng)力擴展的不利影響。

4 結(jié)論

（1）隨著纖維摻量的增加，高性能混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度及抗折強度均呈先增大后減小變化，纖維的摻入對高性能混凝土抗壓強度的增幅較小，而對劈裂抗拉強度和抗折強度的增幅則較為明顯。

（2）摻PVAF纖維高性能混凝土的抗壓、抗折能力優(yōu)于SF和PF纖維，而摻PF纖維高性能混凝土的劈裂抗拉性能較優(yōu)。

（3）高性能混凝土的干燥收縮應(yīng)變隨著纖維摻量的增加均呈先減小后增大變化，因適量纖維均勻分布加筋于混凝土中能夠抵消一部分應(yīng)力擴展的不利影響，故一定程度上有效抑制了混凝土的干燥收縮變形。

（4）綜合高性能混凝土的力學(xué)性能、干燥收縮性能試驗結(jié)果可知，SF、PF、PVAF纖維能夠有效改善混凝土的強度和干燥收縮變形，建議三種纖維的最佳摻量分別為1.5%、0.8%、1.0%。