合成纤维对无砟轨道道床板混凝土早期抗裂性能影响

李化建，杨 鲁，黄法礼，谭盐宾，易忠来，谢永江

（1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081）

钢筋混凝土作为应用最广泛的建筑材料，在我国高速铁路无砟轨道工程中得到规模应用.双块式无砟轨道结构中道床板主要采用泵送混凝土连续浇筑施工，其具有需要浇注的混凝土量大、设计强度等级高、表面积大等特点.且我国铁路工程环境复杂，如混凝土施工措施控制不当，会导致混凝土产生裂缝，严重影响混凝土的耐久性，甚至会影响无砟轨道结构的承载力[1-3].研究表明，混凝土开裂主要出现在施工期[4]，混凝土早期开裂主要是混凝土塑性收缩、结构的约束和抗拉强度不足的综合作用结果.在混凝土中掺加纤维作为最有效预防裂缝的措施之一，已得到了广泛的研究和应用.本文为解决道床板混凝土的塑性开裂问题，研究了聚丙烯（PP）纤维、聚乙烯醇（PVA）纤维及其两种纤维的混杂纤维对砂浆塑性抗拉强度、混凝土极限拉应变和混凝土平板抗裂性能的影响，以期为提高道床板混凝土抗裂性能提供技术支撑.

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

水泥为金隅P O42.5水泥；矿物掺和料选用内蒙古赤峰元宝山I级粉煤灰，河北唐龙新型建材有限公司矿渣粉，其性能指标见表1和表2，表中含量均为质量分数.细骨料为细度模数为2.8、II区河砂，粗骨料为5～20mm连续级配碎石；减水剂为减水率29%的非引气型聚羧酸减水剂；纤维为聚丙烯（PP）纤维和聚乙烯醇（PVA）纤维，其性能指标见表3.

表1 粉煤灰性能指标Tab.1 Basic propertiesof fly ash

表2 矿渣粉的性能指标Tab.2 Basic propertiesof slag

表3 聚乙烯醇和聚丙烯纤维的性能指标Tab.3 Basic propertiesof PVA fiberand PP fiber

1.2 混凝土和砂浆配合比

道床板混凝土配合比见表4，砂浆配合比见表5.

表4 道床板混凝土配合比 kg/m3Tab.4 M ix proportion of concrete

表5 砂浆配合比 gTab.5 M ix proportion ofmortar

1.3 试验方法

1.3.1 塑性抗拉强度试验

塑性抗拉强度试验参照文献 [5]，试验装置示意图见图1.

1.3.2 极限拉伸应变、平板抗裂性能试验

混凝土极限拉伸应变按CECS 13:2009《纤维混凝土试验方法标准》进行，平板抗裂性能试验按GB/T 50082《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行.

2 结果与分析

2.1 砂浆塑性抗拉强度

通过测试砂浆的塑性抗拉强度，间接反应纤维对混凝土塑性抗拉抵抗力的影响.图2为砂浆塑性抗拉强度.基准混凝在180min时最早开裂，由图2可知，此时基准混凝土的塑性抗拉强度远小于纤维混凝土.纤维在砂浆中乱向分布形成的三维网格分布可以承受砂浆塑性阶段受拉产生的内应力，增强了砂浆的塑性抗拉抵抗力.聚丙烯纤维的长度长于聚乙烯醇纤维，与砂浆应该具有更好的粘结性能，表现为砂浆塑性抗拉强度略高.编号为M 3的砂浆为混杂纤维，PP纤维和PVA纤维各掺0.35 g，其塑性抗拉强度最高.

2.2 混凝土极限拉应变

由图3混凝土极限拉应变可知，掺加纤维的混凝土极限抗拉应变较基准均有提高，聚丙烯纤维混凝土的极限抗拉应变高于聚乙烯醇纤维混凝土，混杂纤维混凝土极限应变值最大.其原因是由于纤维均匀的分散于混凝土内部，在混凝土受拉出现裂缝后，纤维提供一定的桥联应力，阻碍了裂缝的扩展，当纤维受拉延长超过断裂伸长率后，混凝土断裂.聚丙烯纤维的断裂伸长率高于聚乙烯醇纤维，掺聚丙烯纤维混凝土极限抗拉应变略高.两种纤维混合具有一定的协同作用，进一步提高了混凝土的极限抗拉应变.

2.3 混凝土平板抗裂性能

由表6（混凝土平板抗裂性能）可知，掺加聚丙烯纤维混凝土表面初裂时间较基准混凝土开裂时间延后20m in，裂缝长度、裂缝宽度和裂缝面积较基准混凝土分别降低4%、67%和68%；掺加聚乙烯醇纤维和混杂纤维混凝土均未产生裂缝，抗裂效果最好，抗裂等级为I级.结合图2和图3可知，砂浆塑性抗拉强度、混凝土的极限抗拉应变与混凝土早期开裂试验结果并不一致，这主要是由于混凝土早期开裂是混凝土塑性收缩、外部约束和受到拉应力综合作用的结果.

表6 混凝土早期开裂试验结果及抗裂等级Tab.6 Early age cracking resultand cracking resistance grade of concrete

3 结论

1）合成纤维可以提高砂浆塑性抗拉强度及其早期混凝土的极限拉伸应变，聚丙烯纤维提高的幅度超过聚乙烯醇纤维，混杂纤维则提高得最大.

2）合成纤维能够延迟混凝土的初裂时间，降低混凝土的平均开裂面积，提高混凝土的抗裂等级，掺聚乙烯醇纤维以及混杂纤维混凝土未出现开裂现象.

3）砂浆塑性抗拉强度和混凝土的极限拉伸应变与混凝土平板抗裂试验结果并不完全一致，原因是前者表征混凝土抵抗开裂的能力，没考虑混凝土收缩的影响.

4）掺聚乙烯醇纤维或者聚乙烯醇与聚丙烯纤维的混杂纤维是解决道床板混凝土开裂的有效技术措施.

[1]王其昌.高速铁路土木工程 [M].成都：西南交通大学出版社，1999.

[2]赵国堂，李化建.高速铁路高性能混凝土应用管理技术 [M].北京：中国铁道出版社，2008.

[3]He Zhen.New experimentstudying early-age cracking of cement-basedmaterials[J].ACIMaterials Journal，2004，101（1）：50-56.

[4]巴恒静，高小建，杨英姿.高性能混凝土早期自收缩测试方法研究 [J].工业建筑，2003，33（8）：1-4.

[5]马一平.一种水泥基材料塑性抗拉强度的测定方法：中国专利，CN03151079.5[P].2004-09-08.