杜慧平

（山西路恒交通勘察設計咨詢有限公司，山西 太原 030031）

1 概述

在以往高速公路橋面鋪裝工程中，通常采用添加鋼纖維的方法減少混凝土的早期硬化開裂，提高混凝土的彎折性能和抗沖擊性能。鋼纖維在橋面鋪裝混凝土中的雜亂分布，隨著硬化的進行可有效傳遞和抵消應力的散布，有效抑制裂縫的產生，減少晝夜溫差大引發(fā)的表面龜裂[1-2]。但在長期的應用中發(fā)現(xiàn)，鋼纖維自重過大、易團結、難拌合、與水反應及受氯鹽銹蝕的缺點造成握裹力的降低，引起瀝青層與混凝土鋪裝層之間兩層皮的情況。聚丙烯仿鋼絲纖維是一種新型的纖維增強材料，具有高模量、抗裂性、耐腐蝕、耐沖擊的特點。由于其為有機合成材料，直徑更細，重量更輕，特別適合替代或部分替代鋼纖維，在混凝土橋面鋪裝應用。

2 原材料和配合比

2.1 試驗原材料

水泥為山西山水水泥有限公司生產的山水牌P·O 52.5級水泥；河砂為市售，河砂細度模數(shù)2.89；人工碎石選用5～10 mm，10～20 mm兩檔料；減水劑選用江蘇蘇博特新材料有限公司生產的聚羧酸高效減水劑；鋼纖維為河北省聯(lián)筑鋼纖維制造有限公司生產的SF-35型鋼纖維；仿鋼纖維選用江蘇射陽強力纖維制造有限公司生產的聚丙烯仿鋼纖維，外觀見圖1，兩種纖維的力學性能見表1。

表1 纖維的力學性能

圖1 仿鋼纖維外觀

2.2 配合比

根據(jù)橋面鋪裝混凝土的特性，本文選用仿鋼纖維體積率添加量0、0.3%、0.6%、0.9%的混凝土進行測試，選用鋼纖維體積率摻量1.5%的混凝土做對比試驗，混凝土配合比見表2所示。

表2 混凝土配合比 kg

3 力學性能分析

3.1 抗壓強度

按照上述配合比進行抗壓試件的制作，試件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，后進行單軸抗壓試驗，5組不同配比的28 d抗壓試驗結果見表3。

表3 混凝土抗壓強度試驗結果

未添加纖維的素混凝土抗壓強度是51.2 MPa，鋼纖維混凝土的抗壓強度42.9 MPa，3組仿鋼纖維混凝土的最大抗壓強度為49.2 MPa。對比素混凝土，鋼纖維混凝土和仿鋼纖維混凝土的強度均降低，且隨著仿鋼纖維摻量的增加混凝土強度出現(xiàn)下降的趨勢。在以往的研究中表明[3]，纖維的加入對素混凝土的抗壓強度確有下降的作用，但由于纖維在混凝土內部的雜亂排布，使得混凝土試件單位體積內的承壓載荷力傳導更為均勻，在破壞形式上出現(xiàn)延性破壞的特質，即混凝土試件不會出現(xiàn)承載力突然下降，一般呈現(xiàn)出達到峰值后承載力逐漸緩慢降低的趨勢。

3.2 抗折強度

采用萬能試驗機對混凝土試件進行四點彎曲抗折強度的試驗，試件成型尺寸100 mm×100 mm×450 mm，分別測試試件7 d、28 d的抗折強度，結果見表4。

表4 混凝土的抗折強度

試驗中發(fā)現(xiàn)未添加纖維的素混凝土在抗折試驗中表現(xiàn)出很強的脆性，達到極限載荷后即斷裂。而纖維混凝土在達到極限載荷時試件會出現(xiàn)表面裂紋，在開裂后還具有一定的承載力。在混凝土的7 d抗折強度上，素混凝土的抗折強度為4.68 MPa，鋼纖維混凝土的抗折強度為5.62 MPa，是素混凝土的1.2倍，仿鋼纖維混凝土在添加量為0.3%、0.6%時，仿鋼纖維混凝土的抗折強度較素混凝土有明顯提高，強度分別是素混凝土的1.06倍和1.23倍，而仿鋼纖維添加量為0.9%時，強度雖比素混凝土有提高，但與添加量0.6%的仿鋼纖維混凝土強度相比，出現(xiàn)了下降的趨勢。分析其中原因可能是纖維的數(shù)量增多帶來混凝土密實性的下降，從而造成強度的降低。

在混凝土的28 d抗折強度上，素混凝土的抗折強度為5.26 MPa，鋼纖維混凝土的抗折強度為6.11 MPa，0.3%、0.6%、0.9%仿鋼纖維混凝土的抗折強度分別為 5.48 MPa、6.15 MPa、5.87 MPa。鋼纖維混凝土的抗折強度是素混凝土的1.16倍，摻量0.3%、0.6%、0.9%仿鋼纖維混凝土的抗折強度分別是素混凝土的1.04、1.19、1.09倍。28 d仿鋼纖維試件與7 d仿鋼纖維試件的強度漲幅比來看，7 d仿鋼纖維試件的強度漲幅更大，表明仿鋼纖維在混凝土硬化初期的增韌、抗彎折效果更為明顯。

3.3 抗彎疲勞性

混凝土在動態(tài)載荷下的抗彎疲勞性由于試件成型的不均勻性和具體操作情況會出現(xiàn)一定的離散，加大試驗量，取概率分布中的最大概率值作為代表值進行疲勞壽命的數(shù)據(jù)處理。設置應力水平分別為0.6、0.7、0.8，考察 5 種混凝土的抗彎疲勞壽命[4]，數(shù)據(jù)見表5。

表5 混凝土的耐疲勞壽命

從表5可知，5種混凝土的抗彎疲勞壽命與應力水平有著密切的關系，隨著應力水平的增加出現(xiàn)大幅下降。而從5種混凝土的各個應力水平下的疲勞壽命上來看，纖維的加入對提高混凝土的的抗彎疲勞性具有顯著效果，以應力0.7為例，未添加纖維的素混凝土抗彎疲勞壽命為1 523次，鋼纖維混凝土的抗彎疲勞壽命為14 257次；摻量0.3%、0.6%、0.9%仿鋼纖維混凝土的抗彎疲勞壽命分別為6 259次、12 259次、14 745次，表明纖維用量越大，混凝土抗疲勞效果越好。這種趨勢隨著應力水平的變大而更加明顯，摻量0.6%仿鋼纖維混凝土的疲勞壽命較素混凝土提高量是4.11倍、9.68倍、10.98倍，高應力對抗彎疲勞效果有放大的作用。

3.4 抗?jié)B性

橋梁防撞墻附近0.5 m的瀝青混凝土中面層，通常采用碎石代替瀝青混凝土用以提高橋面的排水滲透性，冬季氯鹽滲透作用于該區(qū)域，易引橋面鋪裝混凝土性能下降。為評價仿鋼纖維混凝土的抗?jié)B性能，采用電通量法測量混凝土氯離子遷移系數(shù)進行抗?jié)B性能評價。常規(guī)養(yǎng)護28 d后又將試件放入混凝土凍融試驗箱中開展混凝土抗凍性試驗[5]，用以模擬橋面鋪裝混凝土的冬季氯鹽腐蝕環(huán)境，后進行電通量測試。由于試驗存在離散性，具體測試結果取各組有效數(shù)據(jù)的平均值，數(shù)據(jù)見表6。

表6 電通量試驗結果

由表6電通量試驗結果可知，仿鋼纖維混凝土的氯離子滲透性要好于鋼纖維混凝土，主要原因是仿鋼纖維主要材質為聚丙烯，纖維直徑小，在混凝土內雜亂排布更分散，耐腐蝕，經氯鹽凍融環(huán)境處理后表面無明顯變化，質量損失小，氯離子滲透性低。仿鋼纖維混凝土的電通量在摻量低于0.6%時，氯離子滲透性高于素混凝土，但當仿鋼纖維摻量大于0.9%時，其電通量上升，接近素混凝土電通量水平，后切樣發(fā)現(xiàn)，因仿鋼纖維質量較輕，隨著纖維摻量的增多，在混凝土內部排布出現(xiàn)聚集的情況，造成滲透界面的出現(xiàn)，氯離子滲透性隨之上升。

4 總結

仿鋼纖維密度低，具有很好的耐彎拉性和耐候性。采用仿鋼纖維制備混凝土較之鋼纖維混凝土其抗折性能、耐疲勞性能和抗?jié)B性能均有提高。仿鋼纖維添加量易控制在總體摻量的0.6%左右，超過該區(qū)間混凝土抗?jié)B性能和抗折性能出現(xiàn)下降。