纤维混凝土在道路施工中的应用

■徐 平 ■云阳县公路养护中心，重庆 404500

随着近年来，我国对于公路建设规模的日益增加，水泥混凝土路面得到了广泛的推广和应用。混凝土路面具有性价比高、适用性广施工方便等优点，但是也有不少缺点，混凝土具有较高的抗压强度，但是其抗拉、抗折强度低，因而传统的混凝土路面的拉伸应变极小、具有脆性大、抗冲击性能低等缺点。如何对混凝土路面进行改进，提高其抗拉性能、抗冲击能力以及耐久性，是现代混凝土路面施工技术的研究重点。聚丙烯纤维混凝土是在普通混凝土中加入随机分布的聚丙烯纤维所形成的一种新型的多相复合材料。这些随机方向分布的聚丙烯纤维能够有效地阻碍混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成，可以显著提升混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能，具有较好的延性。许多研究人员的［1－2］试验结果表明，聚丙稀纤维具有直径小，在相同的质量下就能得到很高的单位质量的纤维数量，特别适合于抑制混凝土路面的开裂，而聚丙稀纤维的种类和掺入量和对混凝土路面的抗塑性干缩裂缝性能均有较大有影响，相比较于网状纤维，直径较小的单丝纤维具有更好的抗塑性干缩裂缝性能，其性能与聚丙稀纤维掺入量呈正相关。Wang Youjiang，Li Victor C，Backer Stanley［3］试验研究结果表明，在混凝土中加入聚丙烯纤维能填充混凝土中的裂缝，降低混凝土中的孔隙率，提升整体混凝土路面的抗耐磨性能、抗渗能力和抗冻融性能。本文通过红外电镜扫描仪对聚丙烯纤维混凝土的细观结构开展研究和聚丙烯纤维纤维混凝土在道路施工中的应用。

1 试验方法

为了探究聚丙烯纤维混凝土的力学性质变化，试验根据《普通混凝土力学性能试验方法》进行，制作边长为150mm的立方体试块，然后在自然条件下进行养护28天，测试其抗压强度，并对其试样破坏面进行电镜扫描分析，从细观角度分析混凝土在掺入聚丙稀纤维后裂缝的展开状态和胶凝材料的粘结状态。掺入聚丙稀纤维的混凝土制作方法与普通混凝土有区别，其采用干拌法，在搅拌机中装入砂、胶凝材料、粗骨料和聚丙稀纤维后搅拌若干分钟后，使得聚丙稀纤维均匀分布于混凝土中后再加入水进行拌合。

混凝土抗压强度测试试验机器采用万能试验机，型号为HF－9005S，可以用于金属、非金属材料的拉伸、压缩、弯曲等力学性能测试和分析研究，并配有实时数据采集系统。混凝土的抗压强度试验结果按照下列公式进行计算:

式中:fc为标准立方体试件抗压强度值，F为破坏荷载，A为试样受力面积。

其试验结果精确至0.1MPa，试验结果如图1所示。

图1 掺入量与混凝土抗压强度的关系

试验结果显示，掺入聚丙烯纤维能提高混凝土的抗压性能，当掺入量在0.5kg/m3－1kg/m3时，混凝土的抗压效果提升不明显，当聚丙烯纤维的掺入量在1kg/m3－2kg/m3时，混凝土抗压强度效果提升明显，由此可见，掺入聚丙烯纤维量较多时能明显提高混凝土的抗压性能。

2 试验原理分析

掺入聚丙烯纤维能提高混凝土的抗压性能的原理可以从宏观和微观的角度来分析，从宏观的角度来讲，混凝土属于复合胶凝材料，其本身是存在许多微小的间隙与裂缝，而掺入聚丙烯纤维后能降低混凝土整体的孔隙率，增加整体的密实度，因而能提高抗压强度，从另外一方面来讲，当混凝土存在细微裂缝时，在外部受力的情况下回形成应力集中的现象，在掺入聚丙烯纤维后，相当于减小了缺陷成都，降低了裂缝端部的应力奇异程度。从微观机理上来讲，混凝土的破坏主要是由于裂缝由细微裂缝逐渐扩展成为大裂缝，最终贯穿试样。而掺入聚丙烯纤维后，在裂缝进行起裂和扩展的过程中能起到相应的阻挡作用，聚丙烯纤维上的应力由基体通过其与混凝土的粘结界面传递给纤维，其端部的拉应力最大，而中部较小，作用于纤维上的拉应力是由端部向中部积累的后果。

3 破坏界面微观分析

微观分析主要采用型号为kyky－2008bsem的扫描电镜进行观察。电镜扫描结果见图2和图3，在未掺入聚丙烯纤维的试件破坏面中可见大量块状钙矾石晶体和C－S－H晶体，而且未掺入聚丙烯纤维的试件内部裂隙大，结构稀疏，说明在未掺入聚丙烯纤维的情况下，胶凝材料的水化不充分。而在掺入聚丙烯纤维中，可以明显观察到整体结果较为紧密，无明显的块状钙矾石晶体和C－S－H晶体说明掺入聚丙烯纤维能增加混凝土的保水性，形成致密的水化产物。而在大量掺入聚丙烯纤维的试样中，能看到大量的聚丙烯纤维纵横交错，形成一定的网状结构，所以能有效提高混凝土路面的强度，防止路面开裂。

图2 未掺入聚丙烯纤维的电镜扫描图

图3 掺入聚丙烯纤维的电镜扫描图

4 结论

文章从微观结构入手进行观察，说明了掺入聚丙烯纤维对改善混凝土材料性能的机理。主要结论如下:均匀分布的聚丙烯纤维能有效组织混凝土表面水分的离析，保证了水泥水化反应的充分作用，形成致密的表面结构。掺入聚丙烯纤维，能有效降低混凝土内部裂缝尖端的应力奇异性，降低应力集中程度。

［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.