■陳貴安 楊建軍 黃進(jìn)輝 陳康明

（1.廈門(mén)百城建設(shè)投資有限公司，廈門(mén) 361001；2.中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司，保定 072750；3.中建海峽建設(shè)發(fā)展有限公司，福州 350015；4.福州大學(xué)，福州 350108）

國(guó)內(nèi)外常以瀝青混凝土柔性鋪裝材料作為鋼橋面鋪裝，但傳統(tǒng)鋼橋面柔性鋪裝存在著2 個(gè)工程難題，一是因其需承受車(chē)輪荷載的直接作用，再加上局部效應(yīng)明顯，結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜等因素，導(dǎo)致鋼橋面板疲勞損傷問(wèn)題突出，較易發(fā)生疲勞開(kāi)裂[1-2]；二是鋼橋面板和柔性鋪裝材料間的彈性模量差異較大，荷載作用下變形協(xié)調(diào)性差，導(dǎo)致瀝青鋪裝層極易開(kāi)裂破損，每隔幾年需進(jìn)行修復(fù)，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重的影響。

若將纖維混凝土應(yīng)用到鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)中，一方面可利用其介于鋼與瀝青混凝土的彈性模量，作為應(yīng)力過(guò)渡層參與結(jié)構(gòu)整體受力，使其結(jié)構(gòu)變?yōu)殇擁敯濉w維混凝土組合橋面板，有效提高鋼橋面板局部剛度，緩解應(yīng)力集中效應(yīng)，改善疲勞受力性能[3]；另一方面，利用纖維混凝土較高的抗拉強(qiáng)度和良好的耐熱穩(wěn)定性，防止在負(fù)彎矩區(qū)段的混凝土出現(xiàn)開(kāi)裂與變形，進(jìn)而避免雨水滲入鋪裝層與鋼頂板面層之間的界面引起損傷，從而從減緩柔性鋪裝出現(xiàn)的開(kāi)裂、車(chē)轍、推移和坑槽等病害[4]。 Brandt[5]提出纖維混凝土剛性鋪裝的概念， 即將纖維分散于混凝土，以提高剛性鋪裝的抗拉性能。Sanjuan M A 等[6]研究得出在混凝土凝固期間，聚丙烯纖維能有效控制收縮裂縫；但在抑制混凝土受拉開(kāi)裂方面，聚丙烯纖維表現(xiàn)不佳，相比之下，鋼纖維能較有效控制混凝土裂縫生成和發(fā)展。Scorelli L G 等[7]研究結(jié)果表明，纖維長(zhǎng)度對(duì)混凝土不同的受力階段影響有所區(qū)別，短纖維在混凝土小撓度時(shí)發(fā)揮較大作用，可顯著提升混凝土承載能力和開(kāi)裂強(qiáng)度，長(zhǎng)纖維的增韌效果則在撓度方面發(fā)揮較大作用。 韋金峰[8]的研究發(fā)現(xiàn)，混凝土抗折強(qiáng)度與鋼纖維摻量及鋼纖維長(zhǎng)徑比呈現(xiàn)正相關(guān)性， 而混凝土的延性則與纖維種類(lèi)有關(guān)，故同等纖維摻量下，混合纖維增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能與延性最佳。 成張佳寧[9]的研究表明，通過(guò)摻入聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維和鋼纖維等材料，能夠有效增強(qiáng)高性能混凝土的力學(xué)性能，但較高的纖維摻量卻會(huì)對(duì)高性能混凝土的工作性能產(chǎn)生負(fù)作用。

綜上所述，摻入纖維可一定程度提高混凝土力學(xué)性能，不同纖維種類(lèi)和摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能影響不同。 為進(jìn)一步促進(jìn)纖維混凝土在鋼橋面鋪裝體系上的應(yīng)用，有必要進(jìn)行相關(guān)纖維混凝土基礎(chǔ)力學(xué)性能試驗(yàn)研究。 本研究系統(tǒng)分析纖維種類(lèi)、纖維形狀和纖維摻量等參數(shù)對(duì)纖維混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響。

1 纖維混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法

1.1 配合比和原材料

根據(jù)CECS 38-2004《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[10]，C50 混凝土配合比：水泥510.7 kg/m3、砂565 kg/m3、水192.9 kg/m3、碎石1 005 kg/m3、減水劑0.986 kg/m3。

1.1.1 水泥

采用42.5 普通硅酸鹽水泥，密度為3112 kg/m3。

1.1.2 集料

細(xì)集料選用福州地區(qū)的河砂， 粗集料選用5～20 mm 粒徑的碎石，二者表觀密度分別為2 580 kg/m3和2 650 kg/m3。

1.1.3 減水劑

選用CX-8 聚羧酸酯高效減水劑。

1.1.4 鋼纖維

選用6 種纖維，分別為鍍銅細(xì)鋼纖維（DSF）、端鉤型鋼纖維（GSF）、平直型鋼纖維（PSF）、銑削型鋼纖維（XSF）、玄武巖纖維（BF）與聚丙烯纖維（PF），纖維照片見(jiàn)圖1，纖維參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各纖維主要參數(shù)

圖1 試驗(yàn)纖維照片

抗壓試驗(yàn)采用150 mm×150 mm×150 mm 立方體試塊，抗折試驗(yàn)采用550 mm×150 mm×150 mm試塊。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以纖維種類(lèi)、纖維體積摻量和纖維形狀等作為研究參數(shù)，其中纖維種類(lèi)包括端鉤型鋼纖維、鍍銅細(xì)鋼纖維、玄武巖纖維和聚丙烯纖維，纖維體積摻量包括0%、0.5%和1%，纖維形狀包括端鉤型、平直型和銑削型。纖維混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 纖維混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)參數(shù)

2 結(jié)果與分析

各組纖維混凝土抗壓試驗(yàn)和抗折試驗(yàn)的破壞照片見(jiàn)圖2、3。 由圖2 可知，GSF-0 組試塊與BF-1組有相同的破壞形態(tài)，這2 組的試塊破壞時(shí)碎塊朝周?chē)懒?，掉落較多，破壞后表面剝落較為明顯，而其他組的混凝土試塊則因纖維能較好地起到增強(qiáng)混凝土基體的粘結(jié)效果，開(kāi)裂后并未出現(xiàn)嚴(yán)重局部崩碎剝落的現(xiàn)象。 由圖3 可知，GSF-0 組試塊與BF-1 組的混凝土試塊破壞時(shí)出現(xiàn)脆性破壞特征，在荷載作用下被劈裂成兩半，而其他組別的混凝土試塊則僅下緣出現(xiàn)裂縫，并未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。 從試塊破壞形態(tài)來(lái)看，除了未摻纖維的GSF-0 組和摻入1%玄武巖纖維的BF-1 組外，大部分試件未表現(xiàn)出明顯的脆性破壞，表明纖維可起到一定的增強(qiáng)增韌作用；纖維混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3 和表4。

表3 纖維混凝土抗壓試驗(yàn)結(jié)果（單位：MPa）

表4 纖維混凝土抗折試驗(yàn)結(jié)果（單位：MPa）

圖2 抗壓試塊破壞照片

由表3、4 和圖4 可知，不同纖維種類(lèi)的混凝土強(qiáng)度從低到高到排序?yàn)椋壕郾├w維＜玄武巖纖維＜端鉤型鋼纖維＜鍍銅細(xì)鋼纖維，抗壓強(qiáng)度具體數(shù)值分別為39.9、47.7、53.6 和68.9 MPa，抗折強(qiáng)度具體數(shù)值分別為5.2、5.6、6.8 和7.9 MPa，后2 種纖維混凝土超過(guò)了工程設(shè)計(jì)C50 強(qiáng)度需求，可見(jiàn)鋼纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的提升較其他纖維明顯。

圖4 纖維種類(lèi)組強(qiáng)度比較

由圖5 可知， 隨著鋼纖維摻量從0%提高至1%，抗壓強(qiáng)度均呈逐漸增大的趨勢(shì)，具體數(shù)值分別為49.3、51.5 和53.6 MPa， 其中摻量為0.5%和1%的端鉤型鋼纖維混凝土超過(guò)了工程設(shè)計(jì)C50 強(qiáng)度需求，摻量為0.5%和1%的端鉤型鋼纖維混凝土較未摻纖維混凝土抗壓強(qiáng)度提高了4.5%和8.7%，提升效果并不明顯；抗折強(qiáng)度具體數(shù)值分別為5.6、6.0和6.8MPa，摻量為0.5%和1%的端鉤型鋼纖維混凝土較未摻纖維混凝土抗折強(qiáng)度提高了7.1%和21.4%，提升效果較抗壓強(qiáng)度有所增加。

圖5 纖維體積摻量組強(qiáng)度比較

由圖6 可知，不同纖維形狀的混凝土抗壓強(qiáng)度從高到低為：銑削型鋼纖維>端鉤型鋼纖維>平直型鋼纖維，但區(qū)別并不明顯，具體數(shù)值分別為54.3、53.6和52.4 MPa，均超過(guò)了工程設(shè)計(jì)C50 強(qiáng)度需求；而不同纖維形狀的混凝土抗折強(qiáng)度由高到低為：端鉤型鋼纖維>銑削型鋼纖維>平直型鋼纖維，具體數(shù)值分別為6.8、6.4 和6.2 MPa，其中摻入端鉤型鋼纖維對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度提升效果最為顯著。

圖6 纖維形狀組強(qiáng)度比較

綜上，GSF-0 組、BF-1 組和PF-1 組無(wú)法滿足工程設(shè)計(jì)C50 抗壓強(qiáng)度的需求；剩余的鋼纖維混凝土中以DSF-1 組的抗壓和抗折強(qiáng)度最高，但考慮到DSF-1 組所采用的鍍銅細(xì)鋼纖維的價(jià)格昂貴，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較低；雖然XSF-1 組的抗壓強(qiáng)度較GSF-1 組高1.3%，但其抗折強(qiáng)度較GSF-1 組低5.9%。故綜合考慮抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，端鉤型鋼纖維最宜作為工程使用的纖維混凝土材料。

3 結(jié)論

（1）4 種纖維混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度從小到大到排序?yàn)榫郾├w維＜玄武巖纖維＜端鉤型鋼纖維＜鍍銅細(xì)鋼纖維；（2）隨著端鉤型鋼纖維摻量從0%、0.5%增加到1%，纖維混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，且混凝土抗折強(qiáng)度提升效果更為顯著；（3）在鋼纖維摻量均為1%的前提下，纖維形狀（銑削型、端鉤型和平直型）對(duì)纖維混凝土抗壓強(qiáng)度的影響不如抗拉強(qiáng)度，其中以端鉤型鋼纖維混凝土抗折性能最優(yōu)；（4）除了未摻纖維的GSF-0 組和摻入1%玄武巖纖維的BF-1 組外，大部分試件未表現(xiàn)出明顯的脆性破壞，表明纖維可起到一定的增強(qiáng)增韌作用；（5）在滿足工程設(shè)計(jì)C50 抗壓強(qiáng)度的需求的前提下，綜合考慮纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的提升效果以及經(jīng)濟(jì)性能，端鉤型鋼纖維最宜作為工程使用的纖維混凝土材料，其纖維摻量宜為1%。