纖維混凝土在道路施工中的應用

■徐 平 ■云陽縣公路養護中心，重慶 404500

隨著近年來，我國對于公路建設規模的日益增加，水泥混凝土路面得到了廣泛的推廣和應用。混凝土路面具有性價比高、適用性廣施工方便等優點，但是也有不少缺點，混凝土具有較高的抗壓強度，但是其抗拉、抗折強度低，因而傳統的混凝土路面的拉伸應變極小、具有脆性大、抗沖擊性能低等缺點。如何對混凝土路面進行改進，提高其抗拉性能、抗沖擊能力以及耐久性，是現代混凝土路面施工技術的研究重點。聚丙烯纖維混凝土是在普通混凝土中加入隨機分布的聚丙烯纖維所形成的一種新型的多相復合材料。這些隨機方向分布的聚丙烯纖維能夠有效地阻礙混凝土內部微裂縫的擴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］試驗結果表明，聚丙稀纖維具有直徑小，在相同的質量下就能得到很高的單位質量的纖維數量，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。Wang Youjiang，Li Victor C，Backer Stanley［3］試驗研究結果表明，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、抗滲能力和抗凍融性能。本文通過紅外電鏡掃描儀對聚丙烯纖維混凝土的細觀結構開展研究和聚丙烯纖維纖維混凝土在道路施工中的應用。

1 試驗方法

為了探究聚丙烯纖維混凝土的力學性質變化，試驗根據《普通混凝土力學性能試驗方法》進行，制作邊長為150mm的立方體試塊，然后在自然條件下進行養護28天，測試其抗壓強度，并對其試樣破壞面進行電鏡掃描分析，從細觀角度分析混凝土在摻入聚丙稀纖維后裂縫的展開狀態和膠凝材料的粘結狀態。摻入聚丙稀纖維的混凝土制作方法與普通混凝土有區別，其采用干拌法，在攪拌機中裝入砂、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行拌合。

混凝土抗壓強度測試試驗機器采用萬能試驗機，型號為HF－9005S，可以用于金屬、非金屬材料的拉伸、壓縮、彎曲等力學性能測試和分析研究，并配有實時數據采集系統。混凝土的抗壓強度試驗結果按照下列公式進行計算:

式中:fc為標準立方體試件抗壓強度值，F為破壞荷載，A為試樣受力面積。

其試驗結果精確至0.1MPa，試驗結果如圖1所示。

圖1 摻入量與混凝土抗壓強度的關系

試驗結果顯示，摻入聚丙烯纖維能提高混凝土的抗壓性能，當摻入量在0.5kg/m3－1kg/m3時，混凝土的抗壓效果提升不明顯，當聚丙烯纖維的摻入量在1kg/m3－2kg/m3時，混凝土抗壓強度效果提升明顯，由此可見，摻入聚丙烯纖維量較多時能明顯提高混凝土的抗壓性能。

2 試驗原理分析

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，增加整體的密實度，因而能提高抗壓強度，從另外一方面來講，當混凝土存在細微裂縫時，在外部受力的情況下回形成應力集中的現象，在摻入聚丙烯纖維后，相當于減小了缺陷成都，降低了裂縫端部的應力奇異程度。從微觀機理上來講，混凝土的破壞主要是由于裂縫由細微裂縫逐漸擴展成為大裂縫，最終貫穿試樣。而摻入聚丙烯纖維后，在裂縫進行起裂和擴展的過程中能起到相應的阻擋作用，聚丙烯纖維上的應力由基體通過其與混凝土的粘結界面傳遞給纖維，其端部的拉應力最大，而中部較小，作用于纖維上的拉應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為kyky－2008bsem的掃描電鏡進行觀察。電鏡掃描結果見圖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部裂隙大，結構稀疏，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，形成一定的網狀結構，所以能有效提高混凝土路面的強度，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 結論

文章從微觀結構入手進行觀察，說明了摻入聚丙烯纖維對改善混凝土材料性能的機理。主要結論如下: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的充分作用，形成致密的表面結構。摻入聚丙烯纖維，能有效降低混凝土內部裂縫尖端的應力奇異性，降低應力集中程度。

［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.