仿钢纤维混凝土在桥面铺装的性能研究

杜慧平

（山西路恒交通勘察设计咨询有限公司，山西 太原 030031）

1 概述

在以往高速公路桥面铺装工程中，通常采用添加钢纤维的方法减少混凝土的早期硬化开裂，提高混凝土的弯折性能和抗冲击性能。钢纤维在桥面铺装混凝土中的杂乱分布，随着硬化的进行可有效传递和抵消应力的散布，有效抑制裂缝的产生，减少昼夜温差大引发的表面龟裂[1-2]。但在长期的应用中发现，钢纤维自重过大、易团结、难拌合、与水反应及受氯盐锈蚀的缺点造成握裹力的降低，引起沥青层与混凝土铺装层之间两层皮的情况。聚丙烯仿钢丝纤维是一种新型的纤维增强材料，具有高模量、抗裂性、耐腐蚀、耐冲击的特点。由于其为有机合成材料，直径更细，重量更轻，特别适合替代或部分替代钢纤维，在混凝土桥面铺装应用。

2 原材料和配合比

2.1 试验原材料

水泥为山西山水水泥有限公司生产的山水牌P·O 52.5级水泥；河砂为市售，河砂细度模数2.89；人工碎石选用5～10 mm，10～20 mm两档料；减水剂选用江苏苏博特新材料有限公司生产的聚羧酸高效减水剂；钢纤维为河北省联筑钢纤维制造有限公司生产的SF-35型钢纤维；仿钢纤维选用江苏射阳强力纤维制造有限公司生产的聚丙烯仿钢纤维，外观见图1，两种纤维的力学性能见表1。

表1 纤维的力学性能

图1 仿钢纤维外观

2.2 配合比

根据桥面铺装混凝土的特性，本文选用仿钢纤维体积率添加量0、0.3%、0.6%、0.9%的混凝土进行测试，选用钢纤维体积率掺量1.5%的混凝土做对比试验，混凝土配合比见表2所示。

表2 混凝土配合比 kg

3 力学性能分析

3.1 抗压强度

按照上述配合比进行抗压试件的制作，试件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，后进行单轴抗压试验，5组不同配比的28 d抗压试验结果见表3。

表3 混凝土抗压强度试验结果

未添加纤维的素混凝土抗压强度是51.2 MPa，钢纤维混凝土的抗压强度42.9 MPa，3组仿钢纤维混凝土的最大抗压强度为49.2 MPa。对比素混凝土，钢纤维混凝土和仿钢纤维混凝土的强度均降低，且随着仿钢纤维掺量的增加混凝土强度出现下降的趋势。在以往的研究中表明[3]，纤维的加入对素混凝土的抗压强度确有下降的作用，但由于纤维在混凝土内部的杂乱排布，使得混凝土试件单位体积内的承压载荷力传导更为均匀，在破坏形式上出现延性破坏的特质，即混凝土试件不会出现承载力突然下降，一般呈现出达到峰值后承载力逐渐缓慢降低的趋势。

3.2 抗折强度

采用万能试验机对混凝土试件进行四点弯曲抗折强度的试验，试件成型尺寸100 mm×100 mm×450 mm，分别测试试件7 d、28 d的抗折强度，结果见表4。

表4 混凝土的抗折强度

试验中发现未添加纤维的素混凝土在抗折试验中表现出很强的脆性，达到极限载荷后即断裂。而纤维混凝土在达到极限载荷时试件会出现表面裂纹，在开裂后还具有一定的承载力。在混凝土的7 d抗折强度上，素混凝土的抗折强度为4.68 MPa，钢纤维混凝土的抗折强度为5.62 MPa，是素混凝土的1.2倍，仿钢纤维混凝土在添加量为0.3%、0.6%时，仿钢纤维混凝土的抗折强度较素混凝土有明显提高，强度分别是素混凝土的1.06倍和1.23倍，而仿钢纤维添加量为0.9%时，强度虽比素混凝土有提高，但与添加量0.6%的仿钢纤维混凝土强度相比，出现了下降的趋势。分析其中原因可能是纤维的数量增多带来混凝土密实性的下降，从而造成强度的降低。

在混凝土的28 d抗折强度上，素混凝土的抗折强度为5.26 MPa，钢纤维混凝土的抗折强度为6.11 MPa，0.3%、0.6%、0.9%仿钢纤维混凝土的抗折强度分别为 5.48 MPa、6.15 MPa、5.87 MPa。钢纤维混凝土的抗折强度是素混凝土的1.16倍，掺量0.3%、0.6%、0.9%仿钢纤维混凝土的抗折强度分别是素混凝土的1.04、1.19、1.09倍。28 d仿钢纤维试件与7 d仿钢纤维试件的强度涨幅比来看，7 d仿钢纤维试件的强度涨幅更大，表明仿钢纤维在混凝土硬化初期的增韧、抗弯折效果更为明显。

3.3 抗弯疲劳性

混凝土在动态载荷下的抗弯疲劳性由于试件成型的不均匀性和具体操作情况会出现一定的离散，加大试验量，取概率分布中的最大概率值作为代表值进行疲劳寿命的数据处理。设置应力水平分别为0.6、0.7、0.8，考察 5 种混凝土的抗弯疲劳寿命[4]，数据见表5。

表5 混凝土的耐疲劳寿命

从表5可知，5种混凝土的抗弯疲劳寿命与应力水平有着密切的关系，随着应力水平的增加出现大幅下降。而从5种混凝土的各个应力水平下的疲劳寿命上来看，纤维的加入对提高混凝土的的抗弯疲劳性具有显著效果，以应力0.7为例，未添加纤维的素混凝土抗弯疲劳寿命为1 523次，钢纤维混凝土的抗弯疲劳寿命为14 257次；掺量0.3%、0.6%、0.9%仿钢纤维混凝土的抗弯疲劳寿命分别为6 259次、12 259次、14 745次，表明纤维用量越大，混凝土抗疲劳效果越好。这种趋势随着应力水平的变大而更加明显，掺量0.6%仿钢纤维混凝土的疲劳寿命较素混凝土提高量是4.11倍、9.68倍、10.98倍，高应力对抗弯疲劳效果有放大的作用。

3.4 抗渗性

桥梁防撞墙附近0.5 m的沥青混凝土中面层，通常采用碎石代替沥青混凝土用以提高桥面的排水渗透性，冬季氯盐渗透作用于该区域，易引桥面铺装混凝土性能下降。为评价仿钢纤维混凝土的抗渗性能，采用电通量法测量混凝土氯离子迁移系数进行抗渗性能评价。常规养护28 d后又将试件放入混凝土冻融试验箱中开展混凝土抗冻性试验[5]，用以模拟桥面铺装混凝土的冬季氯盐腐蚀环境，后进行电通量测试。由于试验存在离散性，具体测试结果取各组有效数据的平均值，数据见表6。

表6 电通量试验结果

由表6电通量试验结果可知，仿钢纤维混凝土的氯离子渗透性要好于钢纤维混凝土，主要原因是仿钢纤维主要材质为聚丙烯，纤维直径小，在混凝土内杂乱排布更分散，耐腐蚀，经氯盐冻融环境处理后表面无明显变化，质量损失小，氯离子渗透性低。仿钢纤维混凝土的电通量在掺量低于0.6%时，氯离子渗透性高于素混凝土，但当仿钢纤维掺量大于0.9%时，其电通量上升，接近素混凝土电通量水平，后切样发现，因仿钢纤维质量较轻，随着纤维掺量的增多，在混凝土内部排布出现聚集的情况，造成渗透界面的出现，氯离子渗透性随之上升。

4 总结

仿钢纤维密度低，具有很好的耐弯拉性和耐候性。采用仿钢纤维制备混凝土较之钢纤维混凝土其抗折性能、耐疲劳性能和抗渗性能均有提高。仿钢纤维添加量易控制在总体掺量的0.6%左右，超过该区间混凝土抗渗性能和抗折性能出现下降。