聚丙烯纖維混凝土路用性能研究

陳延新

隨著交通重載化和高速化的發展趨勢,路面和橋面板所受到的沖擊荷載越來越明顯。由于水泥混凝土具有明顯的脆性,嚴重限制了其在交通基礎設施中的應用。聚丙烯纖維增強水泥混凝土具有優良的抗裂和抗滲性能,近年來在國內外得到了大量的推廣應用。但是,目前對于聚丙烯纖維混凝土的路用性能研究還比較少,本文針對影響水泥混凝土路用性能的 4項試驗內容展開研究,研究內容包括:彎拉強度、抗凍性、抗滲性和抗沖擊性。

1 原材料

1)水泥。

水泥采用秦嶺水泥廠生產的P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥,其技術性質測試結果見表 1。

表1 水泥技術指標

2)粗集料。

選用粗骨料為粒徑范圍5mm～16mm的碎石,對于粗骨料的粒形、粒徑、壓碎值等指標要求依照JTG F30-2003公路水泥混凝土路面施工技術規范的相關規定。

3)細集料。

采用潔凈的河砂,細度模數為2.5,含泥量0.8%。

4)聚丙烯。

聚丙烯纖維混凝土具有穩定性好、不結團、分散性好、和易均勻分布等特點,其技術指標見表2。

表2 聚丙烯纖維技術參數

2 試驗方法

2.1 彎拉強度測試

彎拉強度反映了混凝土承受車輪荷載和溫度應力的能力,是水泥混凝土路面設計中的重要參數。采用三分點法,按照JTG E30-2005公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程的相關規定進行,試件為100mm×100mm×400mm的小梁。

2.2 抗凍性測試

抗凍性能測試采用快凍法,試件采用100mm×100mm×400mm的小梁,試件養護至28 d齡期時開始試驗,提前4 d將試件浸泡在溫度為 15℃～20℃的水中,試驗前測試動彈性模量和重量,每次凍融循環應在 2 h～4 h內完成,其中用于融化的時間不得少于整個凍融時間的1/4,一般每隔 50次循環作一次動彈性模量測試,在凍結和融化終了時,試件中的溫度應分別控制在(-17±2)℃和(8±2)℃。

2.3 抗滲性測試

抗滲試驗參照JTG E30-2005公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程進行,具體過程為:將水壓一次加到(0.8±0.05)MPa,同時開始記錄時間,24 h后停止試驗,劈開試件并測量其斷面 10個均分點處的滲水高度,并以這 10個測點的算術平均值作為該試件的滲水高度,采用相對滲水系數評價其抗滲性能。

2.4 抗沖擊性測試

抗沖擊性能采用 ACI-544“纖維混凝土性能測試”推薦的方法,即落錘沖擊圓板試驗進行。落錘質量為 4.45 kg,自由下落高度為457mm,試件厚度為64mm,直徑為150mm。試驗結果評定方法:經過落錘沖擊,當試驗板裂縫寬度大于0.3mm時,記錄沖擊次數,試驗結果取 3個試件沖擊次數的平均值。

2.5 配比設計

為了分析纖維摻量對混凝土性能的改善程度,纖維摻量分別取0%,0.1%,0.2%和0.3%(體積摻量)。混凝土配合比見表3,除了纖維摻量以外其他各參數均相同。

表3 混凝土配合比 kg/m3

3 結果與分析

3.1 彎拉強度

聚丙烯纖維混凝土 28 d抗彎拉強度測試結果如表 4所示。

表4 混凝土28 d抗彎拉強度測試結果

從表 4可以看出,聚丙烯纖維的加入能明顯提高水泥混凝土的抗彎拉強度,摻 0.20%纖維的混凝土其抗彎拉強度比普通混凝土增大了 22.6%。分析其原因是因為纖維在混凝土中呈三維立體分布,可有效的降低微裂縫尖端的應力集中,通過纖維的傳遞作用可把局部的荷載進行擴散,從而提高了其承載能力。但是并不是纖維越多越好,當纖維摻量達到 0.30%時,混凝土的彎拉強度反而有所下降。分析其原因是因為當纖維的摻量達到一定值時,纖維在混凝土內部不易分散,所以對混凝土的彎拉強度提高幅度有限。

3.2 抗凍性

分別測試混凝土在 50次,100次,200次凍融前后的質量損失率和彎拉強度損失率,以此反映凍融情祝,結果見圖 1和圖 2。

從圖 1和圖 2可以看出,聚丙烯纖維的加入顯著提高了混凝土的抗凍融性能,主要是因為聚丙烯纖維的加入使得混凝土內部引入一部分氣體,并形成良好的孔隙結構,并且纖維的摻入能緩解一部分凍脹壓力。但是聚丙烯纖維存在一個最佳摻量,當纖維摻量超過 0.20%時,混凝土的抗凍融性能基本不變。

3.3 抗滲性

抗滲性能測試結果如表 5所示。

表5 混凝土相對滲透系數

從表 5可以看出,與普通混凝土相比,聚丙烯纖維的加入能顯著提高混凝土的抗滲性能。主要是因為纖維的加入堵住了一部分孔隙,降低了孔隙聯通性,使混凝土變得更加密實,從而降低了水的流動性。當纖維摻量超過0.20%時,混凝土的抗滲性能反而有所下降,說明聚丙烯纖維存在一個最佳摻量。

3.4 抗沖擊性

抗沖擊性能測試結果見表 6。

表6 混凝土抗沖擊次數

從表 6可以看出,加入聚丙烯纖維以后,混凝土的抗沖擊次數逐漸增大,說明聚丙烯纖維對混凝土的抗沖擊性能有明顯的改善作用。由于纖維的阻裂效應,在混凝土受沖擊荷載作用時,纖維可以阻止內部裂縫的迅速擴展,并且纖維摻量越大其擴散能力越強。

4 結語

均勻分布在混凝土中的大量聚丙烯纖維起到了加筋的作用,有效地抑制了硬化過程中混凝土內部裂縫的產生,并且聚丙烯纖維對混凝土內部的孔隙可進行封堵,改善了其內部的孔隙結構,因而提高了混凝土的密實性,對其彎拉強度、抗凍性、抗滲性和抗沖擊性能均有明顯的改善作用。但是,聚丙烯纖維的摻量并不是越大越好,隨著其摻量的增大,會增加攪拌的難度,并且纖維會吸附大量的水分,影響水泥的水化,從而會對混凝土的各項性能產生不良的影響。綜合考慮各項路用性能指標,筆者最終推薦合適的聚丙烯摻量為0.20%。

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[2] JTG F30-2003,公路水泥混凝土路面施工技術規范[S].

[3] JTG E30-2005,公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程[S].

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