聚丙烯纤维高性能混凝土路用性能研究

马士宾，徐文斌，许艳伟，杨鑫玮

(河北工业大学 土木与交通学院, 天津 300401)

0 引 言

高性能水泥混凝土具有诸多优点，如耐久性能好、强度高等，因此在桥梁施工建设过程中得到了广泛应用[1]。在海洋防水建设工程中，使用高性能水泥混凝土能够显著提高海洋建筑结构的防腐蚀性能和强度。但是由于各种原因，目前，高性能水泥混凝土很少用在道路工程的建设中[2]。随着我国公路建设的高速发展，对于路面结构使用寿命的要求也越来越高。若能在道路工程建设中应用高性能水泥混凝土，对于路面结构使用寿命的延长与公路建设经济效益的发挥都有较大帮助[3]。严武建等研究了聚丙烯纤维混凝土在冻融循环下的力学特性[4]；张华等研究了聚丙烯纤维混凝土在高应变率下的动态力学模型和本构模型[5]；吴刚等研究了聚丙烯纤维混凝土的防水机理[6]；孙家瑛等研究了高性能混凝土掺加网状聚丙烯纤维后的耐久性能[7]；研究人员对掺加聚丙烯纤维的普通混凝土、高性能混凝土进行了大量、细致的研究工作，然而针对其路用性能的相关研究还不够全面。

笔者将粉煤灰和矿粉复合掺加到水泥混凝土中，既弥补了混凝土早期强度低的缺点，又能利用矿粉增加胶凝体系中颗粒之间的交互作用，得到单一材料无法达到的优良效果，从而更好的发挥了矿物掺合料的优势。通过将聚丙烯纤维以不同掺量掺加至高性能混凝土中研究其工作性、力学强度、抗冲击性能、抗渗性能、干缩性能以及疲劳性能，分析了不同掺量的聚丙烯纤维对路用性能的影响，为聚丙烯纤维在水泥混凝土道路工程中的应用提供了参考。

1 原材料性能及配合比设计

1.1 原材料性能

试验选用的粗集料为天津宏顺砂石料厂的3档粒径的石料，分别为5～10 mm、10～20 mm和20～30 mm，选用的细集料为天津北辰宏图砂石料厂的中砂，其细度模数为2.74，两种石料的各项技术指标均符合相关技术规范[8]的要求。采用深圳海川公司生产的路威束状聚丙烯纤维，其主要技术参数如表1。

选用天津骆驼牌P·O42.5普通硅酸盐水泥，岩瑞建材有限公司聚羧酸高效减水剂，杨柳青发电厂I级粉煤灰，S95矿粉，主要的技术指标如表2～表5。

表2 天津骆驼牌P·O42.5普通硅酸盐水泥的主要性能指标Table 2 Main performance indexes of Camel P•O42.5 ordinaryportland cement of Tianjin

表3 减水剂的主要性能指标Table 3 Main performance indexes of water reducing agent

表4 粉煤灰的主要性能指标Table 4 Main performance indexes of fly ash %

表5 矿粉的主要性能指标Table 5 Main performance indexes of mineral powder

1.2 配合比设计及试验过程

通过筛分试验按照规范的级配范围，确定3档集料5～10 mm、10～20 mm、20～30 mm的比例为3∶5∶2。聚丙烯纤维掺量分别为0、0.45、0.9、1.35、1.8 kg/m3，对应的试件编号分别记为0#、1#、2#、3#、4#。所有编号试件水泥、水砂、粉煤灰、矿粉、碎石、减水剂等掺量均相同，分别为240、150、646、40、120、1 254、4 kg/m3。在制备试件当中，为了使原材料能被充分搅拌均匀，先将石料、砂料、水泥放入搅拌机中干拌30 s，然后将聚丙烯纤维加入搅拌机中继续干拌30 s，最后将水和减水剂加入再次搅拌60 s。试验中每次搅拌完毕后都需检查纤维的分散效果，如果聚丙烯纤维在高掺量情况下出现结团现象，为了保证的纤维分散效果，需继续搅拌直到纤维完全分散于混凝土拌合物中。

2 力学性能试验研究

2.1 工作性及常规力学强度研究

由于掺加聚丙烯纤维后高性能混凝土的工作性会发生一定的变化，0#高性能混凝土的坍落度为144 mm，1#、2#、3#、4#聚丙烯纤维高性能混凝土的坍落度分别为141、136、130、122 mm。根据实验结果可知，聚丙烯纤维的掺入量越高，高性能混凝土的坍落度越低，新拌混凝土的工作性能越差。

按照JTGE 30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行试样制作、养护并对养生龄期为7、14、28 d的试件分别进行抗压强度和抗弯拉强度试验，结果如图1～图2。

图1 混凝土抗压强度与聚丙烯纤维掺量关系Fig. 1 Relationship between compressive strength of concreteand polypropylene fiber content

由图1可得，聚丙烯纤维的加入对高性能混凝土的抗压强度影响较小且略有降低的趋势。7、14、28 d养护龄期的高性能混凝土抗压强度变化规律基本一致。由于聚丙烯纤维密度为0.9 kg/m3，远小于混凝土其他组分的密度，当大掺量聚丙烯掺入到混凝土中时，会导致混凝土密度降低，从而降低了高性能混凝土的抗压强度。

图2 混凝土抗弯拉强度与聚丙烯纤维掺量关系Fig. 2 Relationship between flexural tensile strength of concreteand polypropylene fiber content

由图2可得，聚丙烯纤维的掺量越高，高性能混凝土的抗弯拉强度越大，且在不同的养护龄期下，高性能混凝土抗弯拉强度变化趋势相似。聚丙烯纤维相当于无数的短加强筋，能够延缓高性能混凝土的裂缝扩展，提高了高性能混凝土的抗弯拉强度，相应的增强高性能混凝土路面承载能力和抗裂能力。

2.2 抗冲击性能研究

在进行混凝土的冲击试验时，一般采用ACI推荐规范。该试验对试样有一定的要求，并且当使用4.54 kg的钢球对其进行冲击时，第一次冲击时就会使得试件达到终裂破坏，所以有一定的缺陷[9]。将成型的混凝土试件(150 mm×150 mm×150 mm)标准养护28 d，养护完成后切割成40、50、60 mm 3种厚度试件。厚度为40、50 mm的试件用0.5 kg的钢球进行冲击试验，厚度为60 mm的试件用1 kg的钢球进行冲击试验。试验中，落锤在900 mm处下落，记录试件产生第一条裂纹的冲击次数N1和最终破坏的冲击次数N2。具体试验数值见表6。

表6 不同厚度试样初裂与终裂破坏冲击次数Table 6 Impact times of initial and final cracks on specimens withdifferent thickness

在不同厚度混凝土试件的冲击过程中，高性能混凝土的最终破坏呈现脆性破坏，试件一分为二且端口较为齐整，而掺加聚丙烯纤维的高性能混凝土试件的破坏，其裂缝从中间向四周呈放射状分布。由此可以看出，聚丙烯掺量越高、试样厚度越大，高性能混凝土的破坏冲击次数越多。

试件初裂冲击能量和最终破坏冲击能量分别用E1和E2表示，计算公式如式(1)：

(1)

式中：E1和E2为试件初裂和最终破坏冲击能量；N1和N2为初裂和最终破坏的冲击次数；m为落锤的质量(0.5 kg或1 kg)；g为重力加速度(9.81 m/s2)；h为落锤释放高度(900 mm)。

试件初裂和最终破坏冲击能量结果如图3。

图3 混凝土初裂和终裂破坏冲击能量与聚丙烯纤维掺量关系Fig. 3 Relationship between impact energy of concrete initial and final cracks and polypropylene fiber content

从图3可以看出，聚丙烯纤维的掺入量越高，高性能混凝土吸收能量的能力越强，并且随着试样厚度的增加，高性能混凝土吸收的能量也增加。由于聚丙烯纤维减小了混凝土的裂隙宽度，对于材料的介质连续性有一定的增强效果，从而减少了冲击波被阻断引起的局部应力集中现象，对混凝土内部裂缝的扩展有阻碍作用，同时试样越厚，冲击应力扩展的范围就越大，高性能混凝土的抗冲击韧性越好。

3 耐久性能试验研究

3.1 抗渗性能研究

通过快速氯离子迁移试验得出不同聚丙烯纤维掺量混凝土试块的氯离子扩散系数DRCM如图4。

图4 氯离子扩散系数与聚丙烯纤维掺量关系Fig. 4 Relationship between chloride diffusion coefficient andpolypropylene fiber content

从图4可以看出，与基准高性能混凝土相比，掺加聚丙烯纤维的高性能混凝土试件的氯离子扩散系数变小，且聚丙烯纤维掺入量越多，聚丙烯纤维高性能混凝土的氯离子扩散系数越低。

3.2 干缩性能研究

测定不同聚丙烯纤维掺量对高性能混凝土规定龄期的收缩值，按式(2)进行收缩率计算：

(2)

式中：εT为龄期为T时刻的聚丙烯纤维高性能混凝土的收缩率；L0为试件长度的初始读数；LT为龄期为T时刻的聚丙烯纤维高性能混凝土的累计变形量；L为聚丙烯纤维高性能混凝土收缩测量标准长度。

根据得到的收缩率结果，绘制收缩率与龄期的曲线如图5。

图5 收缩系数与龄期关系Fig. 5 Relationship between shrinkage coefficient and age

从图5可以看出，聚丙烯纤维高性能混凝土随着龄期的增加，干燥收缩变形逐渐变慢。聚丙烯纤维掺量的增加能使高性能混凝土收缩率显著降低。因为乱向分布的纤维在混凝土中起到类似筛网的作用，不仅能缓解混凝土中粗骨料的快速下沉，还能降低混凝土中水分的散失速率，对混凝土早期塑性收缩有缓解和防止作用。同时，聚丙烯纤维在混凝土内部具有一定的阻裂作用，减少了混凝土内部的微裂缝的产生，通过切断混凝土内部的水分散失通道来减少混凝土的干燥收缩。

3.3 弯曲疲劳性能研究

试验采用的试件尺寸为100 mm×100 mm×550 mm。采用三分点加载方式进行疲劳试验。根据路面上实际车辆荷载作用的波形来确定正弦波和加载频率。设置最小荷载为最大荷载的10%，波形间不插入间隙时间。疲劳试验选用的应力比范围为0.6～0.9，当应力比为0.6、0.7时试验加载频率为10 Hz；当应力比为0.8和0.9时试验加载频率为5 Hz。将疲劳寿命取对数并分析其回归趋势线与不同应力比的关系，疲劳试验结果如图6。

图6 不同聚丙烯纤维掺量下应力比与疲劳寿命关系Fig. 6 Relationship between stress ratio and fatigue life underdifferent polypropylene fiber content

由图6可知，不同聚丙烯纤维掺量下的应力比与疲劳寿命对数呈一次线性关系。随着聚丙烯纤维掺量的增加，高性能混凝土的疲劳寿命逐渐增加，低应力比下聚丙烯纤维对高性能混凝土疲劳寿命的影响小于高应力比对其的影响。混凝土的疲劳试验过程是在重复荷载作用下对其内部造成的损伤缓慢积累的过程。高性能混凝土内部的微裂缝能够在聚丙烯纤维加入后得到一定的细化和抑制。同时，裂缝尖端的应力场被聚丙烯纤维钝化打乱，提高高性能混凝土的疲劳寿命。

4 结 论

通过一系列室内试验，系统研究了双掺粉煤灰和矿粉的高性能混凝土在不同聚丙烯纤维掺量下的路用性能，得到如下结论：

1)聚丙烯纤维的加入会降低高性能混凝土的工作性，使高性能混凝土的抗压强度略微降低，但能够明显改善其抗弯拉强度和抗冲击性能。试件越厚、聚丙烯纤维掺量越高，高性能混凝土吸收冲击能量的能力越强。

2)聚丙烯纤维能够提高高性能混凝土的抗渗和抗侵蚀能力，增加高性能混凝土的疲劳寿命，同时对早期塑性收缩有一定的缓解和防治作用。

3)聚丙烯纤维能改善高性能混凝土路用性能。较高的抗压强度及抗弯拉强度提高了路面的承载能力；较好的抗渗性增加了路面的耐久性和使用的安全性；良好的抗冲击性及抗疲劳性能增加路面的使用寿命。