李 萍

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，福建福州 350108)

由于高性能混凝土具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、耐久性優(yōu)等特點(diǎn)，故被廣泛應(yīng)用于我國(guó)橋梁鋪裝工程建設(shè)之中[1-4]。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)交通流量和重載軸載的日益增長(zhǎng)，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(yùn)營(yíng)帶來(lái)了較大的安全風(fēng)險(xiǎn)[5-6]。纖維是一種耐酸堿、抗熱寒、拉伸強(qiáng)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(guó)路橋工作者針對(duì)橋面鋪裝纖維高性能混凝土展開(kāi)了不少研究，如周浩等[9]通過(guò)對(duì)不同摻量的玄武巖纖維混凝土進(jìn)行直接拉伸試驗(yàn)，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(yàn)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(qiáng)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(duì)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(zhǎng)徑比對(duì)橋面高性能混凝土工作性能及力學(xué)性能的影響，認(rèn)為在最佳摻量前提下通過(guò)適量提高鋼纖維的長(zhǎng)徑比能夠改善混凝土的工作性能及力學(xué)性能。本文通過(guò)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(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及干燥收縮試驗(yàn)，研究了纖維類(lèi)型及摻量對(duì)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(jì)提供參考與借鑒。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 原材料

（1）水泥：選用P.O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)（見(jiàn)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(biāo)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(xì)骨料選用密度為2.56g/cm3的中粗天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.55，粗、細(xì)骨料的篩分結(jié)果見(jiàn)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(biāo)見(jiàn)表3。

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

（4）拌合水：市政生活用水。

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程（JGJ 55-2011）中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行纖維高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)，基準(zhǔn)混凝土的設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C60，經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)確定基準(zhǔn)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(zhǔn)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(yàn)按照普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50081-2002）、普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50082-2009），采用28d立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)及抗折強(qiáng)度試驗(yàn)評(píng)價(jià)纖維高性能混凝土的力學(xué)性能，采用干縮試驗(yàn)評(píng)價(jià)其干燥收縮性能，具體相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目、試件尺寸等試驗(yàn)方案見(jiàn)表4。

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

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 立方體抗壓強(qiáng)度

不同纖維高性能混凝土28d立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同纖維高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)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(lèi)型纖維高性能混凝土的立方體抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)高性能混凝土的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度達(dá)到峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的最佳纖維摻量分別為1.5%、0.8%、1.0%，說(shuō)明適宜摻量的纖維能夠提升混凝土的抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度得到提升；但隨著纖維摻量的繼續(xù)增加，纖維過(guò)多會(huì)出現(xiàn)結(jié)團(tuán)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(qiáng)度的提升。

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

不同纖維高性能混凝土28d劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)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(qiáng)度試驗(yàn)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(qiáng)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(shí)，SF、PF、PVAF纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度都達(dá)到峰值，此時(shí)三種纖維的劈裂抗拉強(qiáng)度較未摻纖維分別提高了13.4%、26.3%、18.8%，說(shuō)明纖維的摻入能夠改善高性能混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，原因是纖維具有吸附穩(wěn)定、界面增強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)了混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。三種纖維高性能混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)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(dāng)受外力作用時(shí)會(huì)被拉出混凝土基體，故其劈裂抗拉強(qiáng)度較差于PF纖維。

2.3 抗折強(qiáng)度

不同纖維高性能混凝土28d抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同纖維高性能混凝土的抗折強(qiáng)度試驗(yàn)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(qiáng)度均呈先增大后減小變化，其中在纖維摻量較少時(shí)，高性能混凝土的抗折強(qiáng)度逐漸上升，原因是隨機(jī)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(qiáng)度；在SF、PF、PVAF纖維摻量分別達(dá)1.5%、0.8%、1.0%時(shí)，混凝土的抗折強(qiáng)度分別達(dá)到峰值，且較未摻纖維分別提高了10.9%、10.2%、13.7%，此時(shí)纖維摻量達(dá)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(guò)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(shí)，混凝土的抗折強(qiáng)度逐漸下降，原因是纖維過(guò)多在混凝土內(nèi)部難以均勻分散，導(dǎo)致產(chǎn)生結(jié)團(tuán)、堆積、應(yīng)力集中等問(wèn)題，從而在一定程度上削弱了混凝土的抗折強(qiáng)度。

2.4 干燥收縮

通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型及摻量的橋面鋪裝纖維高性能混凝土進(jìn)行干燥收縮試驗(yàn)，得到0～90 d養(yǎng)護(hù)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(hù)齡期的增長(zhǎng)逐漸增大，其中在0～28d齡期內(nèi)，混凝土的干縮應(yīng)變?cè)鏊佥^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(guò)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(shí)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(kuò)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(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度均呈先增大后減小變化，纖維的摻入對(duì)高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的增幅較小，而對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)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(kuò)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(yàn)結(jié)果可知，SF、PF、PVAF纖維能夠有效改善混凝土的強(qiáng)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%。