寒區有機纖維混凝土路面材料的性能研究

孫偉光

（黑龍江省公路勘察設計院，黑龍江 哈爾濱 150080）

1 混凝土材料的收縮及開裂

混凝土的收縮變形是指由于混凝土中所含水分的變化，化學反應及溫度降低等因素引起的體積縮小。混凝土的收縮變形主要有施工初期的凝縮變性、硬化混凝土的干燥收縮變性、自身收縮變性、溫度下降引起的冷縮變性及基因碳化引起的碳化收縮變性等。當混凝土處于自由狀態時，混凝土收縮不會對混凝土造成不良后果，但實際情況下，混凝土結構由于基礎、相鄰板塊的牽制而處于不同程度的約束狀態，混凝土收縮因受到約束而引起拉應力，當拉應力大于混凝土的極限抗拉強度時，就會引起混凝土的開裂。

混凝土的收縮開裂主要發生在早期。早期裂縫主要包括：混凝土骨料沉落引起的裂縫、塑性收縮裂縫、施工方面原因造成的裂縫等。混凝土在恒溫恒濕條件下由膠凝材料的不斷水化作用等引起的體積變化稱為自生體積變形。因為這種體積變化多表現為減小，故稱為自生收縮。混凝土的早期收縮裂縫是干燥收縮和自生收縮等共同作用的結果。根據宮澤伸吾等的實驗結果，水灰比為0.4時混凝土自生收縮占總收縮的40%；水灰比為0.3時的混凝土自生收縮占總收縮的50%。而混凝土路面材料需要較高早期強度，水灰比較小，自生收縮比普通混凝土大，因而更容易產生開裂。

2 混凝土的塑裂和纖維的阻裂機理

2.1 混凝土收縮開裂的作用機理

混凝土澆注后由于泌水的原因會在其內部形成很多毛細泌水通道。當混凝土表面水份的蒸發速度大于水份向表面的遷移速度時，混凝土失水將由表及里向深處發展，毛細孔內水的彎液面的曲率也將隨之逐漸增大。

2.2 纖維阻止混凝土塑裂的機理

2.2.1 塑性裂縫總是從混凝土表面的原生微裂縫處開始擴展。當微裂縫的長度大于纖維的間距時，纖維將跨越裂縫起到傳遞荷載的橋梁作用，使混凝土內的應力場更加連續和均勻，使微裂縫尖端的應力集中得以鈍化，裂縫的進一步擴展受到約束。

2.2.2 長度小于纖維間距的原生裂縫擴展遇到纖維時，纖維將迫使其改變延伸方向或跨越纖維生成更微細的裂縫場，顯著增大了微裂縫擴展的能量消耗。

隨纖維細度的增大，在相同的體積摻量下，纖維的間距明顯減小，對裂縫的約束能力也顯著增強。

由于纖維的存在，使裂縫發展受阻，只能在混凝土塊體內形成類似于無害孔洞的封閉的空腔或者內徑非常細小的孔。傳統看法認為所有的孔隙在混凝土中都是有害的，其實真正有害的只是那些孔徑很大、并且相互貫通的空洞和裂隙。孔徑小到一定程度的孔，或者更嚴格地說應該是混凝土塊體當中的微小氣泡-孔徑或氣泡直徑小于50nm都屬于少害或無害的孔，如果孔徑小于20nm，這些孔對于提高混凝土的內在質量只有正向的作用，對于減少混凝土的自重是有益的。

3 有機纖維混凝土性能的測試研究

3.1 力學性能

強度是所有材料的最重要的力學性能之一，具體可以分為：抗壓性能、抗拉性能、抗彎性能、抗折強度等多種。而道路用水泥混凝土的抗壓強度以及抗折強度是強度的重要技術指標，所以選擇對混凝土抗壓強度、抗折強度進行研究。

強度是所有材料最重要的力學性質之一，是評價其承載各種載荷和抵抗各種作用力的性能指標。路用混凝土材料不僅要有高的強度要求，還要有高的耐久性要求。強度的測定既簡便，又簡單，并且由于混凝土的耐久性與強度有著密切的關系，所以強度從側面反映了混凝土的耐久性。一般來說，混凝土的強度越高，混凝土的剛性、不透水性、耐磨性能、抵抗風化和某些侵蝕介質的能力也越高，因此測定混凝土的強度是十分必要的。

通過相關實驗測得有機纖維混凝土1d抗壓強度均大于14MPa，達到美國戰略公路研究計劃中快速開放交通的抗壓強度要求值，均可作為有效材料。

3.2 收縮開裂

收縮特性是水泥基復合材料的收縮是其物理力學性能中的一個重要方面，混凝土自生收縮是由于水泥水化，引起混凝土內部發生一系列物理化學變化，從而使混凝土在宏觀上表現出體積縮小的現象，它對路面路面材料抗裂性及混凝土面層接縫布設均有重要的意義；對水泥混凝土面層結構的應力狀態、變形特性、承載能力及耐久性有很大影響。

在室溫條件下，將新拌混凝土澆入刷好油的鋼制方形模具中，插搗成型，待混凝土達到初凝時（從開始攪拌計時約4小時），開始觀察混凝土的開裂情況，記錄第一條裂縫出現的時間，此后，每半小時跟蹤觀察一次，用3～5倍放大鏡觀察混凝土裂縫的數量、位置、長度，填好表格，用50倍讀數顯微鏡讀取裂縫的寬度，歸納收縮裂縫的開裂情況隨時間變化的增長規律。觀察持續28d。

通過相關實驗表明與普通混凝土相比，雖然摻有聚丙烯纖維的混凝土試件裂縫數目沒有明顯減少，但裂縫特征皆為短而小，裂縫不連續，呈分散狀態，與普通混凝土板相比，開裂情況有了明顯改善，混凝土的開裂在一定范圍內得到了良好的控制。

3.3 耐磨性能

將尺寸為 150×150×150(mm)的混凝土試件上表面壓一重物(20kg)以模擬路面受壓磨損狀態，下表面置于磨石機高速旋轉的光滑鋼制磨盤上，金剛砂從入料口被水流勻速沖入磨盤上，在離心力的作用下均勻分布在磨盤和混凝土下表面之間。使用卡具固定試件位置以免被離心力拋出，但不施加垂直方向作用力。每塊試件磨損2.5min（合計1000r），停止磨石機，取下試件清洗表面稱取重量，取平均質量損失作為磨耗率以評價混凝土的耐磨性。實驗結果顯示水泥混凝土磨耗≤1.0g/cm2/1000r，達到技術指標。

3.4 抗凍性能

試件選用摻入長度12mm，摻入量為1kg/m的聚丙烯纖維增強的水泥混凝土試件，本試驗采用100mmx100mmx400mm的棱柱體試件，共4組試件。

使用快凍法對混凝土抗凍性能進行測試，即通過在水中經快速凍融來測定混凝土的抗凍性能。抗凍性能的指標用能經受快速凍融循環的次數來表示試件共四組，在300次凍融循環后，重量損失率均小于5%，實驗結果顯示28d齡期的有機纖維增強的混凝土試件的抗凍融性達到了D300的水平。

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