钢纤维混凝土路用性能试验研究.pdf

3 4 道路交通 城 市道桥 与防洪 2 0 1 5 年 4 月第 4 期 钢纤维混凝土路用性能试验研究 顾 骥春 ( 上 海市 政交 通设计 研究 院有 限公 司 ， 上海 市2 0 0 0 3 0 ) 摘要 ： 为了提高重载混凝土路面的使用寿命 ， 改善混凝土路面的使用性能， 在混凝土中掺加不同含量的钢纤维 ， 对钢纤维混凝 土的路用性能进行试验分析。 结果表明： 钢纤维对混凝土路面抗弯、 抗冲击和耐磨性能影响较大； 抗弯强度增加了 1 3 1 3 9 6 ， 抗 冲击性能增 加 了 1 6 2 3 4 6倍 ， 耐磨 性能提 高了 6 8 4 2 6 。从工 程特性和经 济性角度 考虑 ， 建议 钢纤维 含量为 1 为宜。 关 键词 ： 重载 ； 混凝土路 面 ； 钢纤 维 ； 路用 性能 中图分 类号 ： U 4 1 4 文 献标 志码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 0 3 4 0 3 0 引言 随着我 国经 济的迅速发展 ，公路交通呈现 出 大交通量 、 重荷载 的发展趋势 ， 导致混凝 土路面的 使用 寿命下 降 ， 弯拉强度 、 抗 冲击力 、 抗裂性 能等 路用性能减弱 I 。混凝土本身为刚性材料 ， 抗拉强 度较低 ， 在重荷载作用下 ， 混凝土板易产 生弯拉破 坏 ， 使路面产生开裂 ， 当水 分从开裂处渗 入到路面 结构及路基 中 ， 将严重影响公路 的使用质量 ， 使得 养护lT作更加繁重 ， 养护费用增加 。钢纤维混凝土 是在普通混凝 土中掺加乱 向分布 的钢纤 维所 形成 的多相复合材料 ，可以有效改善混凝土路面的抗 弯拉 、 抗裂和耐磨性等路用性能 。本文通过对某 重载公路的钢纤维混凝土路面进行试验研究 ， 证 明了掺加钢纤维对提高混凝土路 面路用性 能的有 效性 ， 并提 出适用于该重载公路 的钢纤维掺量 ， 为 钢纤维混凝 土路面设计 和施工提供参考 o ， 。 1 钢纤维混凝土材料及配合比 1 1 钢纤维 所选用钢纤维的密度为 7 8 e m3 , 直径为 0 5 m m， 长度为 3 0 mm， 长径 比为 6 0 ， 抗拉强度为 6 4 0 M P a 。 结合工程 实际， 选择波浪形剪切钢纤维。 1 2 混凝 土 水泥采用 P o 4 2 5京兰水泥 ，钢纤维混凝土单 位体积水泥用量较大 ，一般取 为 3 6 04 5 0 k g m ； 粗集料最大粒径为 2 0 m m；细集料采用 区中砂 ， 细度 模数 为 2 6 3 ， 砂 率为 4 0 5 0 ， 随着 钢纤 维 体积率的增加 ，适当增大砂率 ，以满足工作和易 性 ； 水 灰 比最 大为 0 4 8 ， 以满足耐久 性要求 ； 外 加 剂采用 H N W一 2萘 系高效减水剂 ； 采用普通饮用水 收稿 日期 ： 2 0 1 4 1 2 0 1 作者简介 ： 顾骥春 ( 1 9 8 3 一 ) ， 男 ， 浙江吴 兴人 ， 工 程师 ， 从 事道路 设 计工作 。 进行拌合 。 1 3 配合 比 以素混凝土配合 比为基 准配合 比，在此基础 上掺加不 同掺量 的钢纤维 ， 并 调整水灰 比和砂率 。 根据工程实 际和钢纤维混凝土特点 ，为对 比分析 不 同含量钢纤维 的混凝土路用性能 ，室 内试验 配 合 比如表 1 所示。 2 钢 纤维 混凝土试 验结 果及路 用性能分 析 2 1 抗压 强度 对 比分 析 对不 同钢纤 维掺量 的混凝土进行抗压强度试 验 ， 制作标准立方体试件 ， 经 2 8 d 养护 ， 采用标准 试验方法测得抗压强度值 ， 如表 2和图 1 所示。 由表 2和图 1 可知 ： ( 1 ) 钢纤维的掺加 ， 可以提高混凝土的抗压强 度 ， 随着钢 纤维含量 的增加 ， 抗 压强度 随之增加 。 同不含 钢纤 维 时 的混 凝 土相 比 ，钢 纤 维含 量 为 0 5 、 1 、 1 5 时 的 混凝 土 抗 压 强 度 分 别 增 加 1 、 3 7 、 4 6 。 ( 2 ) 在混凝土 中掺加钢纤维对混 凝土 的抗压 强度影响较小 ，这主要是 因为混凝土构件 主要 承 受 的是压应力 ，而钢纤维为长条形 ，且呈乱 向分 布 ， 对抗压 强度贡献 较小 ； 同时 ， 如果钢 纤维 的掺 加影响 了水泥砂浆 同集料 的粘结 ，对钢纤维混凝 土的抗压强度增加影 响也较小。 ( 3 ) 抗压强度 随钢纤维含量 的增 加呈现 出先 慢再快最后缓慢增加 的趋势 ，当钢纤维含量 大于 1 时 ， 钢纤维混凝土抗压强度增加较少 。 2 2 抗弯强 度对 比分析 对不 同含量钢纤维混凝土进行抗弯强度试验 ， 试件为( 1 O 1 6 ) m mX 1 2 0 m m的圆柱体或 1 0 m mX 1 0 m m X 1 2 0 m m的长方柱体 ，利用万能材料试验 机进行试验 ， 试验结果 如表 3和图 2所示。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5 年 4 月第 4期 城 市道桥 与防洪 道路交通3 5 表 2抗弯强 度结果 图 1 不 同钢纤维 含量抗压 强度 表 3抗 弯强度 结果 图 2 不 l司钢 纤 维 含 量 抗 弯 强 度 由表 3和图 2可知 ： ( 1 ) 当钢纤维含量从 0 增加到 1 5 时 ， 钢纤 维混凝土 的抗弯强度呈现逐渐增加 的趋势 ，钢纤 维含 量 同抗弯 强度 的 回归 关 系为 ： 一 1 7 0 6 7 x + 3 4 2 x + O 1 9 6 + 5 6 3 ， 回归 系数 R = 1 ， 说 明 回归 曲 线很好地反映了混凝土中钢纤维的含量同抗弯强 度 的关 系 ， 即 ： 抗 弯强度先 缓慢增 加 ， 在达 到一定 钢纤维含量后抗弯强度增加较大 ，最后增加趋势 变缓。 ( 2 ) 钢纤维含量为 0 5 、 1 和 1 5 的混凝土 抗 弯强 度 比素 混凝 土抗 弯 强度 增 加 幅度 分别 为 1 3 1 、 3 3 9 和 3 9 6 ， 钢纤维的掺加显著增加了 混凝 土的抗弯 强度 。这 说 明当钢纤 维含量 为 0 时 ， 即素混凝 土 ， 其抗弯 性能较 差 ， 混凝 土试 件 的 底 部受弯拉应力 的作用产生裂缝后迅速破坏 。在 混凝土 中掺加钢纤维后 ，钢纤 维承担 了部分弯拉 应力 ，在钢纤维混凝土试 件承受弯拉应力及开 裂 的过程 中，钢纤维有效延缓并阻止裂缝 的产生及 发展 ， 减少因为荷 载因素所 引起 的应力集 中现 象 ， 提高了钢纤维混凝土试件的耐久性和使用寿命 。 ( 3 ) 当钢纤维含量大于 1 时， 其抗弯强度增 长趋势变缓 ，继续增加钢纤维 的含量对钢纤维 混 凝土抗 弯强度的影响逐渐减小 ， 且不经济 。 2 3 抗冲击性能对 比分析 抗 冲击性能 是 昆 凝 土构件抵抗 冲击 负荷作 用 的能力 ， 当重载车辆在混凝土路面上行驶 时 ， 需 要 路面具有一定 的抗 冲击性能 ，避免路 面产生脆 性 开裂。采用落锤试验对钢纤维混凝土的抗冲击性 能进行试验分析 ， 根据美 国 AC I 5 4 4委员会推荐 方 法 ， 落球重 4 5 k g ， 冲击高度为 6 0 0 m m， 试验结果 如表 4和图 3所示 。 表 4 抗冲击性 能结果 图 3 不 同钢纤维 含量抗 冲击次数 由表 4和 图 3可知 ： ( 1 ) 钢纤 维混凝 土 的抗 冲击性 能 比素混 凝土 提高较 多 ，钢纤 维含量 0 5 时 的抗 冲击 次数 是 O 时的 1 6 2倍 ，钢纤维含量 1 时的抗冲击次数 是 0 时 的 2 9 2倍 ，钢纤维含量 1 5 时 的抗冲击 次数是 O 时的 3 4 6 倍 。 ( 2 ) 钢纤维含量为 0 时的混凝 土在 受到冲击 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 6 道路交通 城 市道桥 与防洪 2 0 1 5 年 4 月第 4 期 破坏 时 ， 一旦 出现裂缝 ， 试件即发生断裂。掺加钢 纤维后 ， 由于钢纤维在混凝土 中混杂分布 ， 使得钢 纤维混凝 土的韧性增强 ， 延缓 内部 的裂缝发展 ， 在 受 到外部 冲击荷 载的情况下 ，钢纤维 的拉 伸作 用 也可 以延缓 开裂 、 阻止过快发生断裂现象。 2 4耐磨性能对比分析 钢纤维混凝土磨耗试验采用 1 5 0 mm1 5 0 mm 1 5 0 mm的立 方体标 准试件 ， 在混凝土磨耗试 验机 上进行试验 ， 在 2 0 0 N负荷下磨 3 0转 ， 记 重量 I T I ， 然后在 2 0 0 N负荷下磨 6 0 转 ， 记重量 in ， 两个重量 的差除 以接 触面积便 计算得 出单位 面积磨损量 ， 表示耐磨性能 。试验结果如表 5所示 。 表 2耐磨性 能结果 由表 5可 知 ： ( 1 ) 钢纤维混凝土 的耐磨性能随钢纤维的掺加 及 含量增加逐渐提高 ，钢纤 维含量 为 0 5 1 5 时磨耗量减 少了 6 8 4 2 6 。 ( 2 ) 钢纤维提高了钢纤维混凝土的强度 、 韧性 ， 阻止混凝土 内部裂缝 的产生并使钢纤维混凝 土更 好地粘聚成整体 ，对耐磨性的提高均起到了很好 的促进作用 。 3 结论 ( 1 ) 重载道路为了满足 日益增长的车流量和车 辆荷载 ， 同普通道路相 比， 其路用性能要求提 高较 多 ， 因此 ， 对 于重载混凝土路面 ， 要求更高的抗压 、 抗弯 、 抗 冲击等性能 ， 才 能提高道路 的使用寿命 。 ( 2 ) 钢纤 维对 混凝土 的抗 压强 度 、 抗 弯强度 、 抗 冲击性能及耐磨性 能等路用性 能均有影响 。当 钢 纤维 掺 量为 0 5 1 5 时 ，抗 压 强度 增加 了 l 4 6 ， 抗 弯 强度 增加 了 1 3 1 3 9 6 ， 抗 冲 击 性 能 增 加 了 1 6 2 3 4 6倍 ，耐 磨 性 能 提 高 了 6 8 4 2 6 。 其 中， 钢纤维对混凝土抗压性能影响 较小 ， 对抗弯 、 抗 冲击和耐磨性能影响较大。 ( 3 ) 通 过对各 含量 钢纤维 的混凝 土试件进 行 试验分析 ，并且从经济性和该重载公 路实际情况 的角度考虑 ，钢纤维 含量取 1 即满 足T程要求 ， 在保证工程费用的条件下提高了该 重载公路 的路 用性能 参考 文献 1 杨 宇林纤维混凝 土复合 材料 耐久性 能研究综 述 混 凝土 ， 2 0 1 2 ， 2 ( 2 6 8 ) ： 7 8 8 0 2 蒋应 军 ， 刘 海鹏 ， 土 琪钢纤维 混凝 土性 能与施 工： 艺研究 I J 1 混凝土 ， 2 0 0 8 ， 8 ( 2 2 6 1 ： 8 2 8 4 3 尚建丽 ， 邢琳琳 ， 梁航 ， 等 钢纤维混凝土抗 裂性 能的试验研 究I J 1 混凝土 ， 2 0 1 1 ， 7 ( 2 6 1 1 ： 5 9 6 1 4 汪 益敏 ， 贺军 ， 焦 楚杰 钢纤 维混凝 土 复合 层路 面材 料 的力 学 性能I J 1 华南 理工 大学学报 ( 自然科学 版 ) ， 2 0 1 0 ， 1 】 ( 3 8 ) ： 2 I 一 2 5 【 5 】 赵 国藩 ， 彭少 民 ， 黄承 逵 钢纤 维混凝 土结 构【 M1 北 京 ： 中 围建 筑工业 出版社 ， 1 9 9 9 f 6 刘贺 ， 付智 ， 刘奕含 路面 纤维混 凝 土韧 性试验研 究 中 周公 路学报 ， 2 0 1 2 ， 3 ( 2 5 ) ： 3 3 3 9 7 J 潘慧敏，闫国亮 层布式钢纤维混凝土力学性能试验研究 J I _ 硅酸盐通 报 ， 2 0 1 0 。 4 ( 2 9 ) ： 7 9 3 7 9 7 f 8 贺东青 ， 王一 呜 ， 刘 博 复 合式钢 纤维混 凝土 路而研 究 河 南 大学学报 ( 自然科 学版 ) ， 2 0 1 4 ， 2 ( 4 4 ) ： 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