混杂纤维混凝土在桥面铺装中的应用研究.pdf

2 0 1 0年第 3期 6月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 0 N 0 3 J u n e 混杂纤维混凝土在桥面铺装 中的应用研究 高淑玲 ， 田稳苓 ， 张二龙 ( 河北 工业 大学 土木 工程 学 院 ， 天津 3 0 0 4 0 1 ) 摘要 ： 通 过试验 ， 研究开发 了一种 集优越力学性能和 良好 耐久性能于一体 ， 既能 满足桥面铺 装层的功能要 求又能解决桥 面 铺装层早期破坏和耐久性低 问题 的新型桥面铺装材料混杂纤维混凝土 。 引入聚丙烯仿钢丝粗纤维来代替部分钢纤维 ， 既可降 低工程造价又可降低铺装层 的自重 ， 其对纤维混凝土力学性能及耐久性能 的提高可和钢纤维 媲美 ， 甚至 比掺单钢纤维更 高。在混 杂纤维混凝土 中掺入膨胀剂和引气剂 ， 与素混凝土和单一纤维混凝土相 比， 抗弯强度 、 弯曲韧性明显改善 ， 抗渗等级提 高到 2 9级 ， 抗冻融性能也有一定程度 的提高 ， 耐久性显示 出明显 的优势 ， 是桥面铺装材料 的理想选择 。 关键词 ： 桥面铺装 ； 混杂纤维 ； 力学性能 ； 耐久性能 ； 膨胀剂 ； 引气剂 Ab s r ac t ：A s e t o f n e w b rid g e d e c k p a v e me n t ma t e ri a l s h y b r i d fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s s t u d i e d a n d d e v e l o p e d b y e x p e r i me n t ， wh i c h ha v e e x c e l l e n t me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d g o o d d u r a b i l i t y ，a n d c a n me e t t h e f u n c t i o n al r e q u i r e me n t s o f b r i d g e d e c k p a v e me n t a n d r e s o v l e e a r l y d a ma g e a n d t h e p r o b l e m o f l o w d u r a b i l i t y N o t o n l y t h e p r o j e c t S c o s t b u t al s o t h e w e i g h t o f p a v e m e n t l a y e r c a n b e r e d u c e d b y p o ly p r o p y l e n e i mi t a t i o n s t e e l wi r e fi b e r i n s t e a d i n g o f p a rt s of s t e e l fi b e r F u rth e r mo r e ，t h e me c h a ni c al pr o p e r t i e s a n d d u r a b i l i t y o f h y b rid fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e c a n b e i mp r o v e d e v e n t h a n s t e e l f i b e r s By a d mi x t u r i n g wi t h e x p a n s i v e ag e n t a n d a i r e n t r a i n i n g ag e n t ， c o mp a r e d wi t h s t e e l fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a n d p l a i n c o n c r e t e ，t h e c o mp o s i t e s h a s s i g n i fic a n t l y i mp r o v e d t h e fle x u r a l s t r e n g t h a n d t o u g h n e s s ，a n d t h e p e rm e a b i l i t y g r a d e i s i n c r e a s e d t o 2 9 I n a d d i t i o n ，a n t i - f r e e z e -t h a w p e r f o rm a n c e h a s als o b e e n a c e rta i n i n c r e a s e d Th e d u r a b i l i t y d e mo n s t r a t e s a s i g n i fic a n t a d v a n t ag e a n d t h e c o mp o s i t e s wi l l be a n i d e al c h o i c e f o r bri d g e d e c k p a v e me n t ma t e ri als Ke y wo r d s ：B rid g e d e c k p a v e me n t ；Hy b rid fib e r ；Me c h a n i c al p r o p e rti e s ；Du r a b i l i t y ； Ex p a n s i v e ag e n t ； Ai r - e n t r a i n i n g a g e n t 中图分类号： T U3 7 5 文献标识码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 0 - 4 6 3 7 【 2 0 1 0 ) 0 3 5 5 0 5 0前 言 近年来 ， 全 国各地不少桥梁 刚刚建成不久 ， 桥面就 出现了严 重的破损 、 开裂 、 坑槽 、 拥包等病害 。 桥面如果 积水则会 引起桥 面渗水或漏水 ，在荷载 和水 的双重作 用下 ， 铺装层会加 速破坏 ， 给交通造 成很 大的不便 ， 严 重者还可 能造成交通事故 。 桥面铺装层要求具有足够 的抗压强度 、 抗 折强度 、 弯曲韧性等力学性能 。同时 ， 由于桥梁结构 的特殊性 ， 运 营中不 可避免地受外界恶劣环境 的影 响 ， 因此 ， 铺装 层 还应具有一定 的抗渗 、 抗冻融 、 抗腐蚀等耐久性 能l1 1 。 普 通混凝 土一般力学性能及耐久性不 足 ，不 能满足桥 面铺装层 的特殊需要 ， 钢纤维混凝土用 于桥 面铺装 ， 具 有优 良的力学性能和耐久性能 ，但单一钢纤维混凝 土 存在 自重大 、 造价 高 、 纤维容易结 团等 缺点口 _ 曰 ， 使其 应 用 于桥面铺装层受到一定的限制 。 针对 这一技 术难题 ， 利用聚丙烯有机仿钢丝纤维部分代替钢纤维 ，既可以 拥有钢纤维混凝土较高的力学性能和耐久性 能 ，又可 以降低结构 的自重和工程造价 。在此基础上再掺入 膨 胀剂补偿混凝土 的收缩 ，可减少与缩小裂缝源 的尺度 和数量 ， 抑制和推迟收缩裂缝的 出现 ， 提高混凝 土的抗 基金 项 目： 河 北省交 通运输厅科 学技术 项 目计 划 ( 重 点项 目) ( V- 0 6 0 2 2 5) 。 渗性能 ， 而且 当有剩余膨 胀值 时 ， 还会产生 自应力 ， 增 进混 杂纤维 与基体 间的界 面粘结力 和混凝 土整体的致 密性 ， 降低 孔隙率 ， 减小孔 尺度 ， 优化孔 级配与孔分布 ， 而孔 结构的改善正 是抗渗性 能提 高的重要标志 。 1 力学性能研究 1 1 试 验材料 钢纤维采用 T J B 一 3 5型剪切波浪形 钢纤维 ， 截面形 状 呈扁棱形 ， 当截面 面积 一定 ， 截 面越扁 ， 其 截面周 长 越 大。 由于这种纤维 的截面周长很大 ， 加大 了纤维的外 表面积 ， 可增加纤维 与基体 的粘结力 。 这种钢纤维外形 是经 过特殊处理 的波浪形纤维 ，大大增强 了其 与水 泥 基体 的咬合力 ， 同时纤维属 于长纤维 ， 对增强其 与水泥 基体 的界面粘结非常有利 ，与水泥基体之 间能够很好 地协 同工作 ， 具有很好 的界 面粘结 性能 。T J B 一 3 5型剪 切波浪形钢纤维 的形貌见 图 l 。 图 1 T J B 一 3 5型剪切波 浪钢纤维 一 5 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 3期 混凝土与水泥制品 总第 1 7 3期 聚丙烯仿钢丝纤维 以聚丙烯为 主要原料 ，并添加 特制的改性材料经独特 的纺丝工艺及特殊的表面处理 而制成 。 它与水 泥基体具有 良好 的亲和性 ， 增加了纤维 与混凝土的粘结力和摩擦力 ，并可增强纤维混凝土 的 抗 弯性 能和 韧性性 能 ，同时其本 身还 具有 抗拉强 度 高 、 耐酸碱性强等特点。 聚丙烯仿钢丝纤维的形貌见图 2 图 2 聚丙烯有机仿钢丝纤维 1 2 投料顺序 采用 图 3 所示 的搅拌顺序可使纤维 的分散 良好 ， 并可获得较好的工作性能。 图 3纤 维 混凝 土 拌 料 流 程 1 3 混杂纤维混凝土配合 比 混杂纤维混凝土的配合 比如表 1 所示 。为了说明 复合纤维性能 的优越性 ，特与掺单一钢纤维混凝土和 掺单一仿钢丝纤维混凝土进行对比。 1 4工作性 能 表 2为各类纤维混凝土坍落度试验结果。 由表 2可见 ， 单一钢纤维混凝 土( S F ) 的坍落度最 表 1 纤维混凝土配合比 k g m 注 ： S F P F + 表示加入引气剂的混杂纤维混凝土 。其中单 掺钢纤维 s F体积率为 1 2 ， 单掺聚丙烯 仿钢丝纤维 P F体积率为 0 5 ， 混杂纤维 混凝土 S F P F为体积率为 0 7 的钢纤维和体积率为 0 5 的聚丙烯仿钢丝纤维混杂 ， 引气剂用量为胶 凝材料用量的 0 0 3 。 小 ， 单一仿 钢丝纤维混凝土 ( P F ) 的坍落度最大 ， 混杂纤 维介于二者之 间。 表 2 纤维混凝土坍落度试验结果 c r i l 1 5 抗压强度试验结果 采用 l O O mmx l O O mmx l O O mm立方体试件 ， 按照文 献【 9 】 的方法进行力学性能试验 。立方体抗压强度试验 结果见表 3 。 表 3 立方体抗压强度试验结果 表 3的结果表明 ，掺加纤维并 不能提高混凝土 的 抗压强度 ， 相反还略有降低 ， 但掺混杂纤维混凝土 的抗 压强度降低得最少。 虽然掺纤维不能提高混凝土的抗压强度 ，但纤维 一 5 6一 的掺人 可以改善混凝土试件的破坏形式 ，提高其抗压 韧性 ， 随着纤维体积含量的提高 ， 试件最终破坏形态 由 素混凝土的劈 裂破坏变成膨胀破坏 ，这表明纤维 吸收 了更多 的能量 ， 保证 了破坏后结构 的完整。 不同混凝土 试件 的破坏形态见图 4和图 5 。 图 4素混凝土试件破坏形态 图 5 纤维混凝土试件破坏形态 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 高淑玲 ， 田稳苓 ， 张二龙 混杂纤维混凝土在桥面铺装中的应用研究 1 6 抗折强度试验结果 抗 折 强 度 试 验试 件 尺 寸 为 1 0 0 m mx 1 0 0 mmx 4 0 0 m m， 对试件进行 四点弯 曲梁试验 ， 试验结果见表 4 。 表 4抗折强度试验结果 由表 4可见 ， 加入体积率为 O 5 的聚丙烯仿钢 丝 纤维后 ， 混凝土 的抗折强度 比素混凝土有所 降低 ， 这 可 能是 由于纤维 的掺人影响 了混凝土的密实性 。单掺 钢 纤维混凝土和混杂纤维混凝土 的抗折强度都有 明显 的 提高 ， 以混杂纤维混凝土的抗折强度为最高 ， 与素混凝 土相 比 ， 提高幅度达 2 3 8 ， 比单掺钢纤维 的抗折强度 提高还多 。 仿钢丝纤维 的初裂 挠度较大 ， 是 普通混凝 土的 1 0 倍 ， 说明仿钢丝纤维在 混凝 土开裂前 发挥 的作用较大 ， 可提高混凝土开裂前 的韧性 ，但起裂 荷载没有混凝土 大 。 混杂纤 维混凝 土初裂挠度是普通 混凝 土的 5倍 ， 而 起裂荷载相同 ， 也表现 出较优 的韧性 ， 而混 杂纤维的抗 弯极限荷载要 大于普通混凝 土 ， 是其 1 2 倍 。虽然混杂 纤维混 凝土的初裂荷 载小 于钢纤维混凝 土 ，但 其极限 荷载比钢纤维 混凝土还大 ，而且其后期承受 荷载的能 力和钢纤维混凝 土持平 。 韧 性 试 验 采 用 美 国 材 料 与 试 验 协 会 AS T M ( Ame r i c a n S o c i e t y o f T e s t i n g Ma t e r i a l s )C 1 0 1 8韧 度 指 数法 ， 试验结果见表 5和表 6 。 表 5 弯曲韧性试验结果 ( 1 ) 对 于素混凝 土( N C ) 来说 ， I o 相 对于 I 增 加 了 2 6 ， 而 I 等于 I 。 。由弯 曲韧性试验结果 ( 表 5 ) 可知 ， 5 5 8处荷载为零 ， 说 明混凝 土在这 以前 已经破坏 。 单一钢纤维混凝 土 ， I 。 相对 于 I 增加 了 1 1 6 ， 而 表 6 韧度指数值 I 加相对 于 I 0 增 加了 1 8 8 ；混杂纤维混凝土 ， I 相对 于 I s 增加 了 1 2 2 ， 而 I 相对于 I 。 增加 了 1 7 2 ， 同样 具有很好 的后期延性 。 ( 2 ) 由不同配合 比的纤维混凝土韧 度指数 I 变化 可 知 ， 单掺钢纤维 的混凝 土和掺混杂纤维的混凝土 明 显 高于单掺聚丙烯 仿钢丝纤 维混凝 土和素混凝 土 ， 其 中复合纤维混凝土 的韧度指数最高 ，这说明复合纤维 混凝土具有最好 的后期延性 。 2耐久性 能 2 1 抗渗性 采用 H P 一 4 0型程控 自动调压抗渗数控 仪 ， 混凝 土 的抗渗等级 以 6个试件 中 4个试件未渗水 时的最大 水 压为依据 ， 按下式 计算 ： S = 1 0 P 一 1 ( 1 ) 式 中， S为抗渗 等级 ； P为 6个 试件 中 3个试 件渗水 时 的水压( MP a ) 。 抗渗试验结果见表 7 。 表 7 抗渗试验结果 由表 7可知 ： ( 1 ) 纤维混凝土的抗渗性 能要明显优于素混凝土 ， S F 、 S F P F 、 S F P F + 三组 纤 维 混凝 土 的 渗 透压 力均 超 过 3 0 MP a ， 抗渗等 级均达到 $ 2 9以上 ， 是普通混凝土 的 3 倍 。而单掺聚丙烯仿钢丝纤维混凝土( P F ) 的试验结果 不很理想 。 ( 2 ) 通过 对 比 P F 、 S F、 S F P F三组 纤维 混凝 土 的抗 渗试验结果可知 ，混杂纤维混凝土的抗 渗能力要优于 一 般 的单掺纤维混凝土 。这说明混杂纤 维的混杂效应 起到 了很好的作用 ，充分发 挥了各种纤 维的尺度和性 能效应 ， 并在不同尺度和性 能层次上相互激 发 、 相互补 充 ， 达到 了取长补短的效果 ， 进一步提高了混凝 土的抗 渗性能。 一 5 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 3期 混凝土与水泥制品 总第 1 7 3期 ( 3 ) 加入引气剂可 以改善纤维混凝土的抗渗性能。 2 2 抗冻融 能力 试验方法按照 G B J 8 2 8 5 ( 普通混凝土长期性能和 耐久性能试验方法 中的快冻法进行 。 试验结 果见 图 6 和图 7所示。 1 2 0 1 0 0 08 0 趟 慧0 6 o 需 靛0 4 0 0 2 0 O 0 o 一 NC 。 S F S F P F S F P F+ 0 2 5 5 0 7 5 1 o o 1 2 5 1 5 0 冻 融次数 图 6 冻融试验过程中相对动弹性模量变化 0 2 5 5 O 75 1 o o 1 2 5 l 5 O 冻 融次数 一NC S F 。 口 一S FP F S FP F + 图 7冻 融试 验 过 程 中 的重 量 损 失 由图 6可见 ，四种 配比混凝土的相对动弹性模量 大体上呈下降趋势 ，前 1 0 0次冻融循环混杂纤维混凝 土 S F P F和 S F P F + 与初始值相比都没有明显变化 ， 单掺 钢纤维混凝 土( S F ) 先降低 后又有所 回升 ， 而 素混凝土 相比初始值有所增大。 由图 7可见 ， 1 0 0次冻融循环后 ，四种配 比混凝土 的质量损失在 前 1 0 0次冻融 循环 中均呈现 负增长 ， 这 主要是由于混凝土试件在冻融循环过程 中充分吸水 所 致。 1 5 0次冻融循环时质量损失才开始明显增长 。 以上 现象说 明，冻融循环所 累积 的混凝土试件 内部损伤在 1 0 0次冻融循 环时才逐 渐开始表现出来 ，在 1 5 0次循 环时开始有 明显的损伤 ， 并且损伤的速率开始加快 ， 试 件表面 已经出现不同程度 的剥落现象 。此时停止冻融 试验 ， 对冻融后的试件进行力学性能试验 ， 并对 比分析 混凝土试件在质量和动 弹性模量还没有显著下降时冻 融前后力学性能的变化情况。冻融前后立方体抗压 强 度试验结果见表 8 。 由表 8可知 ： ( 1 ) 冻融试验结束之后进行力学性 能试验时 ， 冻融 一 58一 表 8 冻融前后立方体抗 压强度试验结果对 比 对 比试件 的龄期 已达到 1 0 0 d ，相 比 2 8 d 抗压强度 ， 素 混凝土稍有增长 ， 其他三组纤维混凝土都有较大增长 ， 分别 比 2 8 d抗压强度提高了 2 4 8 、 1 8 6 和6 8 。说 明纤维混凝 土抗压 强度后期增 长潜力较 大 ，而在 2 8 d 龄期时 ， 纤维对混凝土抗压强度的提高作用不明显 。 ( 2 ) 冻融循环后混凝土的抗压强度明显降低 ， 四种 配 比 的 混 凝 土 冻 融 循 环 后 分 别 比冻 融 前 降 低 了 1 5 6 、 1 7 1 、 1 5 2 和 1 2 9 。 说明在 1 5 0次冻融循环 之后 ，虽然混凝土试件 的动弹性模 量降低和质量损失 不很显著 ， 但混凝土的抗压强度 已经有 明显的下降。 ( 3 ) 四种配 比的混凝土中， 加入引气剂 的混杂纤维 混凝土 S F P F + 在冻融后抗压强度降低最少 ，这也说明 了引气剂的加入改善了纤维混凝土的抗冻融性能 。 表 9为各配比混凝土冻融前后 的弯曲韧性试验结 果 表 9 弯曲韧性试验结果 由表 9可见 ，四种配比的混凝土冻融后 比冻融前 的弯曲极限荷 载都稍有降低 ，降低幅度 分别为冻融前 的7 1 ( NC) 、 8 1 ( S F) 、 5 1 ( S F P F ) 和2 3 ( S P F P + ) 。这说 明 1 5 0次冻融循环 已经影 响到混凝土 的弯曲韧性 ，不过与冻融前后抗压 强度 的降低幅度比 较 ， 弯曲韧性降低得较少 。由此可以看 出 ， 与弯曲受拉 性能相 比，混凝土的抗压性能对冻融循环的破坏作用 更加敏感 。 从冻融前后弯曲韧性降低幅度上看 ， 混杂纤 维混凝土 S F P F和 S F P F + 降低幅度较小 ， 反映出混杂纤 维混凝土具有较好的抗冻融性能 。 3结论 ( 1 ) 研制 的钢纤 维一 聚丙烯仿钢纤维混杂纤维混凝 m m 加 舳 n n n m m m m 、 瓣 骚 _軎哩 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 高淑玲 ， 田稳苓 ， 张二龙 混杂纤维混凝土在桥面铺装中的应用研究 土新 型桥 面铺装层 与 钢纤维 混凝 土相 比具 有 造价 降 低 、 自重降低 、 防腐蚀能力 提高等 特性 ， 且 抗压强度 几 乎 没有差别 。 纤维总体积率相 同时 ， 混杂纤维混凝土的 抗 压强度 高于掺单一钢纤维 的混凝土 。混杂纤 维混凝 土的抗折强度 、 韧性指数 、 抗渗性能及 1 5 0 次冻 融循 环 后 的力学性能都优于掺单一钢纤维的混凝土 。 ( 2 ) 掺 加膨胀剂 和引气剂 可以 明显 提高混凝 土 的 抗渗性能和抗冻性能。 参考文献 ： 1 冯红芳 桥 面铺装 层裂缝原因分析及 控制措施 J 1 青海交 通科技 ， 2 0 04 ( 6)： 31、 3 6 【 2 高丹盈 ， 刘 建秀 钢纤维混 凝土基本理论【 M】 北 京 ： 科学技术 文献 出 版 社 1 9 9 4 3 黄承逵纤维 混凝 土结构 M 】 北京 ： 机械工业出版社 ， 2 0 0 4 4 徐至钧 纤维 混凝土技术及应 用 M 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 03 5 】 王成启 ， 吴科如 混杂纤维水泥基复合材料及其应用l J 1 工业建筑 ， 2 0 0 2 ( 9 ) ： 5 1 - 5 3 6 】曹继锋 聚丙烯长纤维混凝土性能研究【 D 大连理工 大学 ， 2 0 0 5 7 孙 道胜 ， 邓敏 纤维及混杂纤 维增强膨胀混凝 土耐久性研究【 J 工 业建筑 ， 2 0 0 5 ( 0 4 ) ： 4 7 ， 6 9 7 1 【 8 孙伟 ， 钱红萍 ， 陈惠苏 纤维混杂及其 与膨胀 剂复合对水泥基材料 的物理性能的影响 J 硅酸盐学报 ， 2 0 0 0， 2 8 ( 2 )： 9 5 1 0 4 9 】 C E C S 1 3 ： 8 9，钢纤维 混凝 土试验方法i s ， 1 9 8 9 1 0 F e l d ma n D ，Z h e n g Z S y n t h e t i c F i b r e s f o r F i b r e C o n c r e t e C o mp o s i t e s Ma t e r i a l r e s e a r c h S o c i e t y S y mp o s i a Pr o c e e d i ng s ，1 9 9 3 ： 1 2 3 1 2 8 收 稿 日期 ： 2 0 1 0 0 3 2 2 作者简介 ： 高淑玲 ( 1 9 7 7 一 ) ， 女 ， 博士后 、 讲师。 通讯地址 ： 天津市河北工业大学土木工程学院北 辰校 区 联 系电话 ： 1 3 6 4 2 1 0 9 3 5 6 Email ： g s l 2 0 00 01y a ho o c omcn 一 5 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m