桥面铺装纤维高性能混凝土的力学及干燥收缩性能研究

李 萍

(福州市规划设计研究院集团有限公司，福建福州 350108)

由于高性能混凝土具有强度高、稳定性好、耐久性优等特点，故被广泛应用于我国桥梁铺装工程建设之中[1-4]。近年来，随着国内交通流量和重载轴载的日益增长，使得传统的桥面铺装高性能混凝土路面材料出现了少量的龟裂、破损等病害，因其难于修复给桥梁结构的后期运营带来了较大的安全风险[5-6]。纤维是一种耐酸碱、抗热寒、拉伸强度好、断裂延伸率优的新型材料，在传统的桥面铺装材料中掺入适量的纤维能够发挥其增韧阻裂的功效，有利于改善桥梁结构的使用安全和寿命[7-8]。

目前，我国路桥工作者针对桥面铺装纤维高性能混凝土展开了不少研究，如周浩等[9]通过对不同掺量的玄武岩纤维混凝土进行直接拉伸试验，发现玄武岩纤维可以改善高性能混凝土的韧性、抗裂性及抗拉性；霍凯荣等[10]基于正交试验方法，探究了钢纤维和聚丙烯纤维混杂情况下桥面高性能混凝土的性能，研究表明混杂纤维能够有效改善桥面铺装混凝土的强度及耐久性能；朱瑜珂[11]考察了钢纤维和聚丙烯纤维混杂对桥面铺装高性能混凝土的工作性能、流变性能、力学性能及抗裂抗渗性能的影响；欧忙等[12]研究了钢纤维掺量和长径比对桥面高性能混凝土工作性能及力学性能的影响，认为在最佳掺量前提下通过适量提高钢纤维的长径比能够改善混凝土的工作性能及力学性能。本文通过将不同掺量的钢纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维掺入到桥面铺装高性能混凝土中，采用抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度及干燥收缩试验，研究了纤维类型及掺量对高性能混凝土的力学及干燥收缩性能的影响规律，旨为桥面铺装纤维高性能混凝土的设计提供参考与借鉴。

1 试验材料及方法

1.1 原材料

（1）水泥：选用P.O 42.5级普通硅酸盐水泥，其各项力学性能指标（见表1）均满足道路硅酸盐水泥（GB/T 13693-2017）的技术要求。

表1 水泥的主要性能指标Table 1 Main performance indexes of cement

（2）骨料：粗骨料选用粒径为5～30 mm的花岗岩碎石，细骨料选用密度为2.56g/cm3的中粗天然河砂，细度模数为2.55，粗、细骨料的筛分结果见表2。

表2 骨料的筛分结果Table 2 Screening results of aggregates

（3）纤维：采用钢纤维（SF）、聚丙烯纤维（PF）、聚乙烯醇纤维（PVAF），其主要性能指标见表3。

表3 纤维的主要性能指标Table 3 Main performance indexes of fibers

（4）拌合水：市政生活用水。

1.2 试验方法

根据普通混凝土配合比设计规程（JGJ 55-2011）中相关标准进行纤维高性能混凝土配合比设计，基准混凝土的设计标号为C60，经室内试验确定基准混凝土的水泥用量为520kg/m3，碎石为1095kg/m3，天然河砂为725kg/m3，拌合水为172kg/m3。纤维均采用外掺方式添加到基准混凝土中，其中SF和PVAF的体积掺量分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%，PF的体积掺量分别为0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%。试验按照普通混凝土力学性能试验方法标准（GB/T 50081-2002）、普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准（GB/T 50082-2009），采用28d立方体抗压强度试验、劈裂抗拉强度试验及抗折强度试验评价纤维高性能混凝土的力学性能，采用干缩试验评价其干燥收缩性能，具体相关试验项目、试件尺寸等试验方案见表4。

表4 纤维高性能混凝土的试验方案Table 4 Test scheme for fiber high performance concrete

2 试验结果与分析

2.1 立方体抗压强度

不同纤维高性能混凝土28d立方体抗压强度试验结果如图1所示。

图1 不同纤维高性能混凝土的抗压强度试验结果Fig.1 Compressive strength test results of different f iber high-performance concrete

由图1可知，随着纤维掺量的增加，三种不同类型纤维高性能混凝土的立方体抗压强度均呈先增大后减小变化，其中在掺入0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的SF后，高性能混凝土的抗压强度较于未掺纤维分别提高了3.3%、5.9%、7.9%、2.1%，而在掺入2.5%的SF后，抗压强度则较未掺纤维降低了1.7%；在掺入0.4%、0.8%、1.2%的PF后，混凝土的抗压强度较未掺纤维分别提高了3.5%、5.9%、1.5%，而在掺入1.6%、2.0%的PF后，抗压强度则较未掺纤维分别降低了7.1%、12.1%。在掺入0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的PVAF后，混凝土的抗压强度较未掺纤维分别提高了5.7%、10.1%、8.9%、4.6%、1.8%。掺入SF、PF、PVAF纤维在一定程度上均可增强高性能混凝土的抗压强度，其中PVAF纤维的增幅效果最为明显，其次为SF，而PF则较小；三种纤维混凝土在抗压强度达到峰值时对应的最佳纤维掺量分别为1.5%、0.8%、1.0%，说明适宜掺量的纤维能够提升混凝土的抗压强度，原因是适量纤维加筋于混凝土结构内部可形成空间支撑体系，不仅增强了与胶凝材料的粘结能力，还能分散外界压力和抑制裂纹发展，因此混凝土的抗压强度得到提升；但随着纤维掺量的继续增加，纤维过多会出现结团现象，导致拌合料内部产生软弱界面，从而不利于抗压强度的提升。

2.2 劈裂抗拉强度

不同纤维高性能混凝土28d劈裂抗拉强度试验结果如图2所示。

图2 不同纤维高性能混凝土的劈裂抗拉强度试验结果Fig.2 Split tensile strength test results of high-performance concrete with different fibers

从图2可以看出，随着纤维掺量的增加，三种纤维高性能混凝土的劈裂抗拉强度均呈先增大后减小变化，其中在纤维掺量分别为1.5%、0.8%、1.0%时，SF、PF、PVAF纤维混凝土的劈裂抗拉强度都达到峰值，此时三种纤维的劈裂抗拉强度较未掺纤维分别提高了13.4%、26.3%、18.8%，说明纤维的掺入能够改善高性能混凝土的劈裂抗拉强度，原因是纤维具有吸附稳定、界面增强等作用，其加筋于混凝土中能够形成网状支撑结构，一方面可促进水泥胶凝材料的粘结性提高，另一方能够有效分散、传递、协调荷载应力，使得混凝土内的受荷应力分布更为均匀，从而抑制了裂缝的产生与发展，故增强了混凝土的劈裂抗拉强度。三种纤维高性能混凝土的劈裂抗拉强度峰值从大到小依次表现为：PF＞PVAF＞SF，表明了PF纤维的抗拉能力优于PVAF和SF纤维，原因是PF纤维与水泥胶凝材料的粘结效果更好，具有较好的抗拉作用，而PVAF和SF纤维的弹性模量较高，当受外力作用时会被拉出混凝土基体，故其劈裂抗拉强度较差于PF纤维。

2.3 抗折强度

不同纤维高性能混凝土28d抗折强度试验结果如图3所示。

图3 不同纤维高性能混凝土的抗折强度试验结果Fig.3 Resistance to folding strength test results of high-performance concrete with different fibers

根据图3可知，随着SF、PF、PVAF纤维掺量的增加，高性能混凝土的抗折强度均呈先增大后减小变化，其中在纤维掺量较少时，高性能混凝土的抗折强度逐渐上升，原因是随机分布的纤维还未形成完整的空间网状支撑体系，但纤维具有分散、传递、协调荷载应力、加筋等作用，在一定程度上也能提高混凝土的抗折强度；在SF、PF、PVAF纤维掺量分别达1.5%、0.8%、1.0%时，混凝土的抗折强度分别达到峰值，且较未掺纤维分别提高了10.9%、10.2%、13.7%，此时纤维掺量达到饱和状态，其在混凝土中形成了稳定的空间网状结构，加之纤维在混凝土折断过程中能起到良好的牵拉作用，因而提高了混凝土的抗折能力和延性；而在纤维较多时，混凝土的抗折强度逐渐下降，原因是纤维过多在混凝土内部难以均匀分散，导致产生结团、堆积、应力集中等问题，从而在一定程度上削弱了混凝土的抗折强度。

2.4 干燥收缩

通过对不同类型及掺量的桥面铺装纤维高性能混凝土进行干燥收缩试验，得到0～90 d养护龄期下各混凝土试件的干缩应变变化曲线，如图4所示。

由图4可知，高性能混凝土的干缩应变随着养护龄期的增长逐渐增大，其中在0～28d龄期内，混凝土的干缩应变增速较快，而在28d龄期后，干缩应变的增速则有所减缓。随着SF、PF、PVAF纤维掺量的增加，高性能混凝土的干缩应变均呈先减小后增大变化，通过90d龄期峰值干缩应变可确定出三种纤维高性能混凝土的最佳掺量分别为1.5%、0.8%、1.0%，此时三种纤维混凝土的干缩应变较未掺纤维分别降低了10.5%、12.8%、9.1%，纤维的掺入能够抑制混凝土的干燥收缩变形，原因是纤维均匀分布加筋于混凝土中能够消散一部分应力扩展的不利影响。

4 结论

（1）随着纤维掺量的增加，高性能混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度及抗折强度均呈先增大后减小变化，纤维的掺入对高性能混凝土抗压强度的增幅较小，而对劈裂抗拉强度和抗折强度的增幅则较为明显。

（2）掺PVAF纤维高性能混凝土的抗压、抗折能力优于SF和PF纤维，而掺PF纤维高性能混凝土的劈裂抗拉性能较优。

（3）高性能混凝土的干燥收缩应变随着纤维掺量的增加均呈先减小后增大变化，因适量纤维均匀分布加筋于混凝土中能够抵消一部分应力扩展的不利影响，故一定程度上有效抑制了混凝土的干燥收缩变形。

（4）综合高性能混凝土的力学性能、干燥收缩性能试验结果可知，SF、PF、PVAF纤维能够有效改善混凝土的强度和干燥收缩变形，建议三种纤维的最佳掺量分别为1.5%、0.8%、1.0%。