路面PVA纖維混凝土抗裂夾層性能研究

基金項目：2022年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“帶瀝青夾層的水泥混凝土路面結構的減振效應及動力響應研究”（編號：2022KY1123）、“基于一階剪切變形理論的正交異性鋼橋面板疲勞性能的無網格方法研究”（編號：2022KY1140）;2019年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“行車振動對C40混凝土力學性能影響”（編號：2019KY1337）

作者簡介：肖成明（1990—），碩士，講師，研究方向：道路與橋梁工程技術。

摘要：文章針對不同體積摻量和長度的PVA纖維混凝土開展力學性能研究。結果表明：PVA纖維的長度和摻量的增大均會降低混凝土的工作性能；PVA的摻入會引起混凝土抗壓強度和彈性模量略微的下降，且長纖維比短纖維影響更加明顯；PVA的摻入能大幅度提升混凝土的抗彎拉性能，其中6 mm和12 mm長度的PVA纖維對應抗彎拉強度最大提升幅度分別為24.8%和32.0%，且最佳PVA纖維體積摻量為0.1%，超過該界限后對彎拉強度提升不利。

關鍵詞：PVA纖維混凝土；工作性能；抗壓強度；抗彎拉強度；彈性模量

中圖分類號：U416.03

0 引言

濕熱地區的舊路面板裂縫或接縫普遍存在，舊水泥路面進行返修時采用在原舊路面加鋪一層瀝青混合料，即“白+黑”結構路面，此面層在使用過程中容易在瀝青加鋪層層底（原舊水泥路面）裂縫處產生應力集中現象，造成瀝青面層底部開裂形成反射裂縫。加鋪層產生反射裂縫并不代表路面已經破損，但路面雨水通過反射裂縫進入瀝青面層，引發路面次生病害，嚴重影響加鋪層的使用壽命。而在舊水泥混凝土路面面層和新加鋪瀝青混合料面層間設置PVA混凝土抗裂層能夠有效防治反射裂縫。

PVA纖維水泥基復合材料的具體特性是該材料具有良好的抗磨損以及抗破碎和抗裂性，將其摻入普通混凝土中能夠抑制裂縫的產生且成本低^［1-2］。目前關于塑性混凝土的研究現狀如下：

銀英姿等^［3］認為PVA纖維的大量摻入可以有效抑制混凝土早期裂縫的產生，且對混凝土早期強度產生影響。譚明輪等^［4］研究了不同摻量的PVA纖維對水泥基材料性能的影響，結果表明：PVA的摻量對混凝土抗壓強度有小幅度的降低作用。王圣怡等^［5］在研究PVA纖維長度和體積摻量對輕骨料混凝土的力學性能影響中發現，PVA纖維長度和體積摻量會在一定程度上降低輕骨料混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度，且當PVA纖維長度為3 mm、體積摻量為0.1%時，輕骨料混凝土的強度達到最大。李艷等^［6］通過對高性能PVA纖維增強水泥基復合材料進行研究，發現PVA纖維體積摻量的增加能夠增大HPFRCC的抗拉強度與極限拉應變。Skourup等^［7］和黃俊等^［8］認為PVA纖維能明顯提高砂漿的韌性和斷裂能，因此，PVA的摻入能夠在一定程度上提高材料韌性，則裂縫減少。

綜上所述，PVA纖維能夠有效抑制混凝土的開裂，提高混凝土的韌性。但當前對路用PVA纖維混凝土抗裂層的性能缺少系統的研究，從而阻礙了PVA混凝土抗裂層在道路工程領域的推廣應用。為此，本文針對不同體積摻量和長度的路用PVA纖維混凝土力學性能進行系統研究，為今后舊水泥混凝土路面面層和基層間設置PVA混凝土抗裂層防治反射裂縫的應用提供參考和借鑒。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥：采用海螺牌P.O 42.5水泥，經檢驗其性能滿足相關規范要求。

細骨料：采用細度模數為2.8，表觀密度為2 650 kg/m³，堆積密度為1 574 kg/m³的天然河砂。

粗骨料：采用粒徑為5～20 mm的連續級配碎石。

水：普通自來水。

減水劑：粉末狀聚羧酸高效減水劑，減水率為25%。

纖維：6 mm和12 mm兩種規格的PVA纖維。

1.2 配合比

為研究不同纖維摻量和長度對路面PVA纖維混凝土抗裂層的性能影響，設計了水膠比為0.4的基準配合比，各組分含量見下頁表1。在基準配合比中摻入的PVA纖維長度分別為6 mm和12 mm，體積摻量分別為0、0.05%、0.1%、0.15%、0.2%。減水劑摻量為膠凝材料總質量的0.2%。

1.3 試驗方法

PVA纖維混凝土拌和料的制備過程為：將各組分的質量稱好，將纖維分散于水中，一起加入攪拌機中進行拌和，達到規定拌和時間后，參照混凝土試驗規程對拌和物進行坍落度試驗。將符合要求的拌和物裝入試模中，在標準養護室中養護28 d，待試樣達到養護齡期后，對PVA纖維混凝土試樣進行抗壓強度、抗彎拉強度和彈性模量試驗，試驗方法均參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2016）規定執行。

路面PVA纖維混凝土抗裂夾層性能研究/肖成明，胡邦勝，洪星架，朱志廣

2 試驗結果分析及討論

2.1 PVA摻量及長度對混凝土工作性能的影響

混凝土工作性能隨PVA纖維長度和摻量的變化規律如圖1所示。由圖1可知，混凝土坍落度隨纖維摻量的增大呈逐漸減小的趨勢，且纖維越長下降趨勢越明顯。其中PVA纖維摻量由0增至0.2%時，對應長度6 mm和12 mm的混凝土坍落度相比于基準組分別下降4.1%、14.7%、17.9%和20.0%，8.7%、17.4%、16.7%和22.1%。結果表明：PVA纖維的長度和摻量對混凝土的工作性能均有影響。究其原因為：摻入纖維后，纖維呈網狀交叉隨機分散在混凝土拌和物中，將水泥砂漿包裹于其中，由于網狀結構的束縛作用阻礙了水泥砂漿的自由流動，且束縛力隨纖維摻量的增加，導致單位體積中網狀結構的變密而增強，在宏觀上表現為混凝土坍落度隨纖維摻量的增加而下降。而纖維越長，也會進一步增加單位體積水泥砂漿中的纖維網的密度，增加對水泥砂漿的包裹作用和阻礙力，從而降低混凝土的流動性。

2.2 PVA摻量及長度對混凝土抗壓強度的影響

混凝土抗壓強度隨PVA纖維長度和摻量的變化規律如圖2所示。由圖2可知，混凝土抗壓強度隨纖維摻量的增大呈逐漸減小的趨勢，且纖維越長的下降趨勢越明顯。其中，當PVA纖維摻量由0增至0.2%時，對應長度6 mm和12 mm的混凝土抗壓強度相比于基準組分別下降1.3%、1.7%、4.6%和6.3%，2.3%、3.4%、5.5%和9.2%。究其原因：PVA纖維的摻入會引入一定不均勻大小的氣體，在一定程度上減弱膠凝材料與骨料之間的粘結力，導致抗壓強度下降。圖2也反映出，當纖維摻量為0.05%～0.1%時，抗壓強度只有略微的下降，而在0.15%～0.2%時，對應的抗壓強度降幅明顯加大。分析原因為：隨著纖維摻量的增大，纖維隨機亂向分布在混凝土內部，形成三維空間網狀，當纖維摻量超過一定界限時發生團聚現象^［9］，從而引起宏觀力學強度的下降。結果表明，對抗壓強度而言，纖維的最佳摻量為0.1%～0.15%。

2.3 PVA摻量及長度對混凝土抗彎拉強度的影響

混凝土抗彎拉強度隨PVA纖維長度和摻量的變化規律如圖3所示。由圖3可知，混凝土抗彎拉強度隨纖維摻量的增大呈先增大后下降的趨勢，且長度為12 mm的纖維同比長度為6 mm的纖維對混凝土抗彎拉強度提升的幅度更明顯。抗彎拉強度峰值點對應的PVA纖維體積摻量為0.1%，相比于基準組混凝土抗彎拉強度分別增長24.8%和32.0%。而當纖維體積摻量在0.1%～0.2%時，混凝土抗彎拉強度相比于峰值組有小幅度下降趨勢。究其原因為：PVA纖維的摻入能在基體中如同多根微細筋，在開裂后起到限制裂縫發展和產生的作用，基體通過和纖維的界面咬合力依舊傳遞應力，再通過纖維將應力傳給未開裂的基體，隨著纖維摻量的增加這種“橋接作用”越明顯，因此在宏觀性能上表現為混凝土抗彎拉強度隨纖維摻量的增加而提高^［10］。當纖維摻量超過一定界限時，此時纖維難以均勻分散在混凝土基體中，發生纖維團聚現象，因此表現出抗彎拉強度隨纖維的繼續增大而略微下降的趨勢。

2.4 PVA摻量及長度對混凝土彈性模量的影響

混凝土彈性模量隨PVA纖維長度和摻量的變化規律如圖4所示。由圖4可知，混凝土彈性模量隨纖維摻量的增大呈下降的趨勢，且長度為12 mm的纖維同比長

度為6 mm的纖維對混凝土彈性模量的下降幅度更明顯。其中，當PVA纖維摻量由0增至0.2%時，對應長度為6 mm和12 mm的混凝土彈性模量相比于基準組分別下降1.2%、2.4%、2.4%和5.3%，2.7%、5.2%、5.6%和5.9%。分析原因：纖維的摻入增強了水泥基與界面的錨固作用，但由于纖維的摻入引入了一些氣泡，這些氣泡成為混凝土內部的薄弱部分，且纖維摻量越大，引入的氣泡量越大，增大了纖維團聚的概率，導致彈性模量有略微的下降。

3 結語

（1）PVA纖維的摻入會降低混凝土的工作性能，且PVA纖維體積摻量越大，纖維長度越長，工作性能下降越明顯；當PVA纖維體積摻量由0增至0.2%時，對應長度為6 mm和12 mm的混凝土坍落度相比于基準組最大降幅達分別為20.0%、22.1%。

（2）PVA纖維的摻入會導致混凝土抗壓強度的下降，最大降幅可達9.2%；當PVA纖維體積摻量在0～0.15%時，其抗壓強度隨摻量的增大而略微減小，當PVA纖維摻量＞0.15%時，下降速率明顯加快。對混凝土抗壓強度而言，纖維的最佳摻量為0.10%～0.15%，且長纖維的摻入會在更大程度上降低混凝土的抗壓強度。

（3）不同長度和體積摻量的PVA纖維均能明顯提升混凝土的抗彎拉強度，6 mm和12 mm長度的PVA纖維對應抗彎拉強度最大提升幅度為24.8%和32.0%；最佳的PVA纖維體積摻量為0.1%，當超過該臨界的摻量后，混凝土抗彎拉強度相較于峰值組有略微的下降。

（4）混凝土彈性模量隨PVA纖維長度和摻量的增大呈略微下降的趨勢，且長度為12 mm的纖維同比長度為6 mm的纖維對混凝土彈性模量的下降幅度更明顯，相較于基準組最大降幅分別為5.3%和5.9%。

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