鋼—聚乙烯醇纖維對機制砂機場道面混凝土性能的影響研究*

林喜華，李馨慧，袁義進，顧青山，趙士豪，路東義，何凱，何欣

（中建西部建設貴州有限公司，貴州 貴陽 550000）

0 引言

隨著我國航空業的發展、機場建設的擴展及機場航班密度的增加，機場道面混凝土也隨之面臨更大程度的挑戰。相較于其他位置的混凝土，機場道面混凝土處于干濕交替、凍融循環的惡劣復雜環境，有時可能還要遭受火焰和高溫氣流的傷害[1]。機場道面，特別是飛機起降區域，要長期承受飛機起降而帶來的巨大的沖擊荷載[2-3]。機場道面混凝土表面的開裂對其性能、耐久性以及飛機行駛安全都有很大程度的影響[4]。由于機場道面混凝土所處的環境特點以及工作服役特性，要求機場道面混凝土具有良好的耐磨性能、較高的韌性（折壓比）以及較強的抗沖擊性能。

機場道面混凝土面臨反復沖擊荷載時，裂縫呈現“引發—開展—回復”的循環。在反復荷載作用下，原生裂縫的數量與尺寸對于后續裂縫的發展可起到關鍵性作用[3]。因此，在混凝土中摻入纖維形成一種高韌性材料，可以有效控制裂縫的產生，提高道面混凝土的耐久性，延長道面混凝土的服役年限。不同彈性模量的纖維對于不同尺寸裂縫的阻礙開展的效果是不同的[5]。此外，四川、貴州等西南地區天然砂較為稀缺，機制砂資源豐富，采用機制砂替代天然砂制備機場道面混凝土可充分利用當地資源，有效降低材料成本。本項研究主要通過對比單獨摻入 PVA 纖維與鋼—PVA 纖維混摻對于機制砂機場道面混凝土的彎韌性、耐磨性以及抗沖擊性能的影響，給出纖維摻量的合理建議值，并為機制砂混凝土在機場建設中提供參考數據。

1 纖維混凝土原材料及試驗方法

1.1 原材料

（1）水泥：海螺 P·O52.5 水泥，基本性能指標見表 1。

表 1 水泥基本性能

（2）集料：粗集料選用 5～10mm 和 10～40mm 石灰石碎石，細集料采用石灰石精品機制砂，基本性能如表 2 所示。

表 2 機制砂基本性能指標

（3）外加劑：北京科寧豐外加劑有限公司 ADD-3緩凝減水劑，減水率為 14%。

（4）水：自來水。

（5）PVA 纖維：上海鍇源化工生產的 PVA 纖維，呈單絲狀，具體性能參數見表 3。

表 3 PVA 纖維基本性能參數

（6）鋼纖維：采用浙江省嘉興市經緯鋼纖維有限公司生產的 DW-20 鋼纖維。具體性能參數見表 4。

表 4 鋼纖維基本性能參數

1.2 試驗方法

抗壓、抗折試驗參照 GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行；耐磨試驗參照 JTG E 30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》進行；抗沖擊試驗參照 GB/T 21120—2018《水泥混凝土和砂漿用合成纖維》中附錄 G《混凝土沖擊性能試驗方法》進行。

抗折試驗試件為 150mm×150mm×550mm 的標準試件，抗壓、耐磨試驗試件為 150mm×150mm×150mm 的標準立方體試件，抗沖擊試驗試件為直徑152mm、高 64mm 的圓柱體標準試件。

2 試驗配合比

為研究單獨摻入 PVA 纖維和復合摻入鋼—PVA 纖維對機場道面機制砂混凝土彎韌性及耐磨抗沖擊性能的影響，采用 7 組配合比進行研究，具體的配合比見表 5。其中 SP01 為普通道面機制砂混凝土，作為比較基準。SP02～SP04 為單獨摻入 PVA 纖維的機場道面混凝土，PVA 的體積摻量分別為 0.15%、0.3% 和 0.45%。SP05-07 為按梯度復合摻入鋼—PVA 纖維的機場道面混凝土。

表 5 纖維混凝土配合比 kg/m3

3 試驗結果及分析

3.1 力學性能

7 組混凝土的力學性能測試結果見表 6 和圖 1、2。

表 6 纖維混凝土的力學性能

從混凝土力學性能的數據圖表中可以看出：

（1）根據 SP01～SP04 共四組試件的力學性能測試結果，在混凝土中摻入 PVA 纖維后，混凝土的 7 天以及 28 天抗壓強度都有所下降，且隨著 PVA 摻量的增加，抗壓強度下降程度越大；混凝土 7 天及 28 天抗折強度呈現先增加后減少的變化趨勢，其中抗折強度最高的一組為 PVA 體積摻量為 0.15% 的 SP02 組試塊，其 7天和 28 天抗折強度可達到 5.12MPa 和 6.76MPa。相較基準混凝土 SP01，抗折強度提升了 4.3% 和 13.1%。結合 28 天抗壓強度及抗折強度的試驗結果，可以看出在混凝土中摻入 PVA 纖維，能夠提升混凝土的折壓比，有效提高道面混凝土的韌性。

圖 1 纖維混凝土的抗壓強度

圖 2 纖維混凝土的抗折強度

（2）試件 SP04 與 SP05、SP03 與 SP06 以及 SP02與 SP07 兩兩對比，發現加入鋼纖維后，混凝土的抗壓強度以及抗折強度都有所提高，但抗壓強度提升的程度更大，韌性得到削弱。其中，當混摻鋼纖維體積為 1.5% 時，抗折強度提升效果最好，其抗折強度增加量可達單摻同等數量 PVA 纖維混凝土抗折強度的10.62%；當混摻鋼纖維體積比為 1.5% 時，抗壓強度提升效果最好，其抗壓強度增加量可達單摻同等數量 PVA纖維混凝土抗壓強度的 16.22%。

（3）摻入鋼纖維后，混凝土的折壓比會得到降低，但仍比不摻纖維的混凝土折壓比要大。結合抗壓強度、抗折強度以及折壓比的變化，可認為鋼纖維的摻入雖在一定程度上提高了混凝土的力學性能，但由于抗壓性能提升幅度遠大于抗折性能，導致折壓比有所下降，致使混凝土的韌性減弱。

3.2 耐磨性能

將 200N 負荷下耐磨試驗機磨 30 轉后試塊質量記為 m1，然后在 200N 負荷下耐磨試驗機磨 60 轉后試塊質量記為 m2。7 組混凝土的耐磨性能測試結果見表 7 和圖 3。

表 7 纖維混凝土的耐磨性能

圖 3 纖維混凝土的耐磨性能

從混凝土耐磨性能的數據圖表中可以看出：

（1）單獨摻加 PVA 纖維后，混凝土的耐磨效果呈現先減弱后增強的變化趨勢。其中，耐磨性能效果最好的時體積比為 0.3% 的 SP03 組試塊，其單位面積質量損失為 2.800kg/m2，可減少基準混凝土單位面積質量損失的 10.23%。

（2）對比相同 PVA 摻量的混凝土試塊，隨著鋼纖維的摻入，混凝土單位質量損失先減小再增加。摻入體積比為 0.5% 的鋼纖維能夠提升混凝土的耐磨效果，單位面積質量損失僅為單摻同等數量 PVA 纖維的89.45%。

（3）磨損試驗中，鋼纖維大多以“拔出”的形式抵抗磨損，未能提供更多的抗磨損的作用，因此摻入鋼纖維的混凝土的單位面積質量損失值會偏高，耐磨效果不如單摻 PVA 纖維的混凝土。經對比結果表明，加入少量鋼纖維能夠降低混凝土的質量磨損，提高耐磨性。

3.3 抗沖擊性能

纖維混凝土落錘試驗中重錘質量為 6.05kg，提升高度為 600mm，重力加速度記為 9.8N/kg。7 組混凝土的抗沖擊性能測試結果見表 8 和圖 4。

表 8 纖維混凝土的抗沖擊性能

圖 4 纖維混凝土的抗沖擊性能

從混凝土抗沖擊性能的數據圖表中可以看出：

（1）單獨摻加 PVA 纖維后，混凝土的抗沖擊性能呈現先增強后減弱再增強的變化趨勢。其中，摻入體積比為 0.3% 的 PVA 纖維時，混凝土的抗沖擊性能最弱；摻入體積比為 0.15% 和 0.45% PVA 纖維時，抗沖擊效果相同。可見適量摻入 PVA 纖維可以在一定程度上提高混凝土的抗沖擊效果。

（2）加入鋼纖維后，混凝土的抗沖擊性能得到提升，且隨著鋼纖維摻入量的增加，抗沖擊性能提升的幅度越大。其中，摻入體積比為 1.5% 的鋼纖維時，抗沖擊效果增幅最大，可達單摻同等數量 PVA 纖維的混凝土抗沖擊效果的 5.9 倍。

（3）基準混凝土和單摻 PVA 纖維的混凝土的試件破壞時為試件完全裂開；摻鋼纖維的混凝土破壞時為試件僅有一條過大的裂縫不完全裂開，其破壞有一定的延性，且破壞面上有鋼纖維的連接。根據初裂與終裂的沖擊次數的差值和試件破壞效果，摻入鋼纖維后，鋼纖維能夠起到“橋梁”的作用，可連接裂縫兩端，延緩沖擊裂縫的開展，進而吸收更多的沖擊功。

4 結論

（1）單獨摻加 PVA 纖維，能降低混凝土的抗壓強度，提高混凝土的折壓比；耐磨性能隨著 PVA 纖維的摻量增加先減弱后加強，抗沖擊性能則先增強后減弱再增強。綜合三種性能，當摻入體積比為 0.3% 的 PVA 纖維時，混凝土的綜合性能可以達到較好的水平。

（2）相同 PVA 纖維摻量時，鋼纖維摻量的增加，混凝土的折壓比減小，韌性減弱；耐磨性能先增強后減弱；抗沖擊性能得到提升。綜合折壓比、耐磨性以及抗沖擊性，當摻入體積比為 0.3% 的 PVA 纖維和 1.0% 的鋼纖維時，混凝土的性能可以達到較好的水平。

（3）對比相同 PVA 纖維摻量時，摻入鋼纖維后，混凝土的抗壓強度、抗折強度以及抗沖擊性能有不同程度的提高，耐磨性能略有削弱。總體上可認為鋼纖維的加入提升了摻 PVA 纖維混凝土的性能，鋼纖維與 PVA纖維在提高混凝土彎韌性、抗沖擊性能方面有協同作用。