纖維混凝土在道路施工中的應(yīng)用

■徐 平 ■云陽縣公路養(yǎng)護(hù)中心，重慶 404500

隨著近年來，我國對(duì)于公路建設(shè)規(guī)模的日益增加，水泥混凝土路面得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。混凝土路面具有性價(jià)比高、適用性廣施工方便等優(yōu)點(diǎn)，但是也有不少缺點(diǎn)，混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度，但是其抗拉、抗折強(qiáng)度低，因而傳統(tǒng)的混凝土路面的拉伸應(yīng)變極小、具有脆性大、抗沖擊性能低等缺點(diǎn)。如何對(duì)混凝土路面進(jìn)行改進(jìn)，提高其抗拉性能、抗沖擊能力以及耐久性，是現(xiàn)代混凝土路面施工技術(shù)的研究重點(diǎn)。聚丙烯纖維混凝土是在普通混凝土中加入隨機(jī)分布的聚丙烯纖維所形成的一種新型的多相復(fù)合材料。這些隨機(jī)方向分布的聚丙烯纖維能夠有效地阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展及宏觀裂縫的形成，可以顯著提升混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊及抗疲勞性能，具有較好的延性。許多研究人員的［1－2］試驗(yàn)結(jié)果表明，聚丙稀纖維具有直徑小，在相同的質(zhì)量下就能得到很高的單位質(zhì)量的纖維數(shù)量，特別適合于抑制混凝土路面的開裂，而聚丙稀纖維的種類和摻入量和對(duì)混凝土路面的抗塑性干縮裂縫性能均有較大有影響，相比較于網(wǎng)狀纖維，直徑較小的單絲纖維具有更好的抗塑性干縮裂縫性能，其性能與聚丙稀纖維摻入量呈正相關(guān)。Wang Youjiang，Li Victor C，Backer Stanley［3］試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在混凝土中加入聚丙烯纖維能填充混凝土中的裂縫，降低混凝土中的孔隙率，提升整體混凝土路面的抗耐磨性能、抗?jié)B能力和抗凍融性能。本文通過紅外電鏡掃描儀對(duì)聚丙烯纖維混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)開展研究和聚丙烯纖維纖維混凝土在道路施工中的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)方法

為了探究聚丙烯纖維混凝土的力學(xué)性質(zhì)變化，試驗(yàn)根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，制作邊長為150mm的立方體試塊，然后在自然條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)28天，測(cè)試其抗壓強(qiáng)度，并對(duì)其試樣破壞面進(jìn)行電鏡掃描分析，從細(xì)觀角度分析混凝土在摻入聚丙稀纖維后裂縫的展開狀態(tài)和膠凝材料的粘結(jié)狀態(tài)。摻入聚丙稀纖維的混凝土制作方法與普通混凝土有區(qū)別，其采用干拌法，在攪拌機(jī)中裝入砂、膠凝材料、粗骨料和聚丙稀纖維后攪拌若干分鐘后，使得聚丙稀纖維均勻分布于混凝土中后再加入水進(jìn)行拌合。

混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn)機(jī)器采用萬能試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)為HF－9005S，可以用于金屬、非金屬材料的拉伸、壓縮、彎曲等力學(xué)性能測(cè)試和分析研究，并配有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果按照下列公式進(jìn)行計(jì)算:

式中:fc為標(biāo)準(zhǔn)立方體試件抗壓強(qiáng)度值，F(xiàn)為破壞荷載，A為試樣受力面積。

其試驗(yàn)結(jié)果精確至0.1MPa，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 摻入量與混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

試驗(yàn)結(jié)果顯示，摻入聚丙烯纖維能提高混凝土的抗壓性能，當(dāng)摻入量在0.5kg/m3－1kg/m3時(shí)，混凝土的抗壓效果提升不明顯，當(dāng)聚丙烯纖維的摻入量在1kg/m3－2kg/m3時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度效果提升明顯，由此可見，摻入聚丙烯纖維量較多時(shí)能明顯提高混凝土的抗壓性能。

2 試驗(yàn)原理分析

摻入聚丙烯纖維能提高混凝土的抗壓性能的原理可以從宏觀和微觀的角度來分析，從宏觀的角度來講，混凝土屬于復(fù)合膠凝材料，其本身是存在許多微小的間隙與裂縫，而摻入聚丙烯纖維后能降低混凝土整體的孔隙率，增加整體的密實(shí)度，因而能提高抗壓強(qiáng)度，從另外一方面來講，當(dāng)混凝土存在細(xì)微裂縫時(shí)，在外部受力的情況下回形成應(yīng)力集中的現(xiàn)象，在摻入聚丙烯纖維后，相當(dāng)于減小了缺陷成都，降低了裂縫端部的應(yīng)力奇異程度。從微觀機(jī)理上來講，混凝土的破壞主要是由于裂縫由細(xì)微裂縫逐漸擴(kuò)展成為大裂縫，最終貫穿試樣。而摻入聚丙烯纖維后，在裂縫進(jìn)行起裂和擴(kuò)展的過程中能起到相應(yīng)的阻擋作用，聚丙烯纖維上的應(yīng)力由基體通過其與混凝土的粘結(jié)界面?zhèn)鬟f給纖維，其端部的拉應(yīng)力最大，而中部較小，作用于纖維上的拉應(yīng)力是由端部向中部積累的后果。

3 破壞界面微觀分析

微觀分析主要采用型號(hào)為kyky－2008bsem的掃描電鏡進(jìn)行觀察。電鏡掃描結(jié)果見圖2和圖3，在未摻入聚丙烯纖維的試件破壞面中可見大量塊狀鈣礬石晶體和C－S－H晶體，而且未摻入聚丙烯纖維的試件內(nèi)部裂隙大，結(jié)構(gòu)稀疏，說明在未摻入聚丙烯纖維的情況下，膠凝材料的水化不充分。而在摻入聚丙烯纖維中，可以明顯觀察到整體結(jié)果較為緊密，無明顯的塊狀鈣礬石晶體和C－S－H晶體說明摻入聚丙烯纖維能增加混凝土的保水性，形成致密的水化產(chǎn)物。而在大量摻入聚丙烯纖維的試樣中，能看到大量的聚丙烯纖維縱橫交錯(cuò)，形成一定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以能有效提高混凝土路面的強(qiáng)度，防止路面開裂。

圖2 未摻入聚丙烯纖維的電鏡掃描圖

圖3 摻入聚丙烯纖維的電鏡掃描圖

4 結(jié)論

文章從微觀結(jié)構(gòu)入手進(jìn)行觀察，說明了摻入聚丙烯纖維對(duì)改善混凝土材料性能的機(jī)理。主要結(jié)論如下:均勻分布的聚丙烯纖維能有效組織混凝土表面水分的離析，保證了水泥水化反應(yīng)的充分作用，形成致密的表面結(jié)構(gòu)。摻入聚丙烯纖維，能有效降低混凝土內(nèi)部裂縫尖端的應(yīng)力奇異性，降低應(yīng)力集中程度。

［1］Romualbi James P，Mandel，James A.Tensile strength of concrete affected by uniformly distributed closely spaced short lengths of wire reinforcement［J］.ACI Journal Proceeding，1964，61(6):657 － 671.

［2］Ajdukiewicz A，Kliszczewicz A .Influence of recycled aggregates on mechanical properties of hs/hpc.Cement and Concrete Composites，2002，24(2):269－279.

［3］Wang Youjiang，Li Victor C，Backer Stanley.Tensile properties of synthetic fiber reinforced mortar［J］.Cement and Concrete Composites，1990(12):29－40.