机场道面混掺纤维混凝土强度与抗弯韧性试验

邓宗才++耿雪辉++刘岩++兰明章

摘要：为了降低机场道面混凝土脆性，通过混掺高性能粗聚烯烃纤维（PP）和细聚乙烯醇纤维（PVA）来提高道面混凝土韧性。通过四点弯曲试验，测得了梁试件荷载挠度曲线，分析了2种纤维体积掺率混掺对改善三级配机场道面混凝土弯曲韧性的效果。结果表明：纤维混掺可明显改善混凝土抗弯韧性；PP的掺入使荷载挠度曲线出现了2次峰值；PVA体积掺率为0.2%或0.4%时，随着PP掺率增加，韧性指标值P300，P75，P50均呈增大趋势；PP掺率的增加对后期韧性指标值P75，P50的提高更为显著；增加PVA掺率对提高第一峰值强度较为显著；PP和PVA分别以体积掺率1.1%和0.4%混掺时，机场道面混凝土抗弯韧性提高最为明显。

关键词：机场道面；抗弯韧性；混掺纤维混凝土；强度；体积掺率

中图分类号：TU502 文献标志码：A

0 引 言

水泥混凝土道面是中国民航机场最主要的道面结构形式，但是水泥混凝土道面使用情况并不理想[15]。目前大部分水泥道面平均寿命为15～20年，有的在新建后2～3年就出现道面破坏，无法达到30年的设计年限[67]。道面早期角隅断裂、断板、掉边掉角等现象导致大量结构性损坏，扎破轮胎现象时有发生，严重威胁飞行安全。根本原因是当前机场道面建设中传统的道面混凝土材料是准脆性材料，容易开裂和断板，影响道面使用安全性和服役寿命[810]。为此，有必要在混凝土中掺入纤维，开发一种具有高韧性的混凝土道面材料，从而降低脆性，有效改善抗裂性和抗疲劳性能等[1114]。

混掺纤维混凝土[1517]是指用2种或2种以上纤维或不同几何特性的纤维制备的纤维混凝土。混掺纤维可以优势互补，充分发挥不同纤维的增强和增韧作用，以显著改善混凝土变形性能。本文试验研究了粗聚烯烃纤维（PP）和细聚乙烯醇纤维（PVA）混掺对改善三级配机场道面混凝土弯曲韧性的效果，且给出了纤维最佳掺率的建议值，为机场工程建设提供参考数据。

1 纤维混凝土配合比及强度

1.1 纤维材性

PP由上海罗洋材料有限公司提供，它是聚丙烯与聚乙烯的共聚物，表面为压痕波浪形；PVA由凯泰特种纤维科技有限公司提供，呈单丝状。2种纤维的物理、力学性能指标见表1。

1.2 混凝土配合比

水泥采用金隅牌P.O 42.5普通硅酸盐水泥，石子为石灰岩碎石，采用粒径5～10 mm，10～20mm，20～26.5 mm三级配。砂为中砂，细度模数为2.7，水为自来水，减水剂为江苏奥莱特新建材有限公司生产的ATRM12高性能聚羧酸类减水剂，固含量为40%，减水率为37%。按照混凝土抗折强度设计值为5.0 MPa的要求，混凝土配合比见表2。

1.3 混凝土强度

混凝土抗压强度试验采用150 mm×150 mm×150 mm的标准立方体试件，抗折强度试验采用150 mm×150 mm×550 mm的标准试件。

PP体积掺率（简称掺率）为0.7%，0.9%，1.1%，PVA体积掺率为0.2%，0.4%，0.6%。为了减小基体变化对弯曲韧性的影响，所有试件的基体都采用表2的配合比。每种纤维掺率的试件有3个，试件浇筑成型24 h后脱模自然养护28 d。测得的试件抗压强度和抗折强度平均值见表3。试件编号中“”前的数字为PP体积掺率，“”后的数字为PVA体积掺率，如HC0.90.2表示PP体积掺率为0.9%，PVA体积掺率为0.2%。

由表3可看出：无论PP，PVA是单掺还是混掺，均对改善混凝土抗压强度和抗折强度的效果不明显；所有试件的抗折强度大于5.5 MPa，满足机场道面对混凝土抗折强度的要求。2 抗弯韧性

2.1 试验方法

抗弯韧性试验采用三分点加载，混凝土梁尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，跨度为300 mm，试验在电液伺服控制试验机上进行，恒位移控制加载，位移速率为2 min·mm-1，计算机自动记录数据，并自动绘制荷载挠度曲线。

2.2 破坏过程及形式

随着荷载的增加，素混凝土梁在发生初裂瞬间即开始裂纹的局部扩展，且扩展时间极短，一裂即断，属于脆性破坏。相比素混凝土梁，单掺PVA混凝土梁发生初裂后，主裂缝扩展相对较慢，变形性能较明显，由脆性破坏变为具有一定延性的破坏，裂缝具有一定的宽度。

单掺PP混凝土梁和混掺纤维混凝土梁的破坏过程较为相似，明显呈延性破坏，随着荷载增大，裂缝不断扩展，但荷载下降缓慢，裂缝截面的纤维逐渐从混凝土中拔出或拔断，表现出良好的变形性能。

2.3 荷载挠度曲线

典型试件的荷载挠度曲线见图1。由图1（a）可看出：单掺PVA混凝土梁开裂前，荷载增长较快，荷载挠度曲线呈直线上升趋势；开裂后，挠度增长速度加快，曲线斜率略有下降，此阶段和素混凝土基本相同；当荷载达到峰值以后迅速下降，然后保持在较低值，随着挠度的继续增大，荷载下降速度逐渐变缓，裂缝宽度变宽，直至试件破坏。

比较图1（b），（c）可看出，单掺PP混凝土梁和混掺纤维混凝土梁的荷载挠度曲线特征较为相似，荷载挠度曲线都出现了2次峰值，裂缝扩展很慢，呈延性破坏。当荷载过峰值后迅速下降，但仍保持着较高承载力，下降趋势也变得平缓，在峰值荷载之后出现了第2次峰值，原因主要是PP横跨裂缝阻止了裂缝的进一步扩展，引起了受拉区的应力重分布。曲线达到第2次峰值后的下降段出现了上下抖动的锯齿状，这是PP不断拔出和拔断的过程。

混掺纤维与单掺PP试件荷载挠度曲线的不同之处是峰值荷载后单掺PP混凝土梁的荷载会接近直线迅速下降，混掺纤维混凝土梁由于PVA的桥联作用荷载下降较缓慢。

2.4 抗弯韧性评价

2.4.1 Banthia韧性指标评价方法

由于确定初裂挠度存在很大的人为误差，Banthia等[1819]提出纤维混凝土韧性分析方法，以峰值荷载为界限把荷载挠度曲线面积在峰值荷载Ppeak处分为峰前（Tpre）和峰后（Tpwt，m）两部分，以特定的挠度为变量来考虑纤维混凝土在变形过程中的能量消耗。这样定义的韧性指标不像ASTM C1018方法那样过度依赖初裂挠度，Banthia韧性指标计算方法示意如图2所示。

由图3可知：当PP掺率一定时，PVA掺率由0.2%提高到0.4%，韧性指标增加幅度较大；当PVA掺率为0.6%时，韧性指标增加幅度减小；当PP掺率为0.7%，PVA掺率为0.2%，0.4%，0.6%时，韧性指标P300比单掺PP时分别提高了26.4%，43.7%，33.9%，P75分别提高了21.8%，31.9%，20.7%，P50分别提高了47.6%，67.8%，55.2%。PVA掺率为0.4%时韧性指标值最大，掺率为0.6%时韧性指标值减小，韧性降低，这是由于PVA掺率为0.6%时，PVA分散不均匀所致，这与试件成型过程中观察的PVA分散状况一致。

当PVA掺率为0.2%或0.4%时，随着PP掺率增加，韧性指标值呈增大趋势，且PP掺率由0.9%提高到1.1%时，韧性指标提高值明显小于掺率由0.7%提高到0.9%，当PP掺率大于0.9%时，韧性指标增长趋势变缓。

PVA掺率0.2%与PP掺率0.9%混掺较与PP掺率0.7%混掺时，其韧性指标值P300，P75，P50分别提高了16.8%，42.2%，25.7%；PVA掺率0.2%与PP掺率1.1%混掺较与PP掺率0.7%混掺时，其韧性指标值P300，P75，P50分别提高了19.6%，51.8%，30%。PP掺率增加对韧性指标P75，P50提高更为明显，表明其对后期增韧效果显著。

由图3还可以看出：PP与PVA混掺时，混凝土的韧性指标P300最大，P75其次，P50最小，P50和P75非常接近，表明韧性指标值随挠度增大而逐渐降低，但挠度大于4 mm以后基本不变。

2.4.2 美国ASTM C1609标准评价方法

ASTM C1609标准是在2005年提出的一个新的韧性评价标准[20]，以取代ASTM C1018标准。ASTM C1609标准采用的评价韧性指标为绝对值参数而不是相对值参数，主要包括荷载P、强度f、挠度δ以及某一特定挠度时荷载挠度曲线下的面积T。确定第一峰值荷载P1、特定挠度残余荷载P100，1.0，P100，4.0，P100，6.0，通过计算获得0～6.0 mm挠度区间内荷载挠度曲线下的面积T100，6.0，即弯曲韧性。P100，1.0，P100，4.0，P100，6.0分别为宽和高均为100 mm的棱柱体试件在弯曲韧性测试过程中挠度达到1.0，4.0，6.0 mm时对应的荷载。由P1计算的强度为第一峰值强度f1，挠度分别为1.0，4.0，6.0 mm时对应的残余弯曲强度为f100，1.0，f100，4.0，f100，6.0。评价韧性指标计算结果见表5。

由表5可以看出：单掺PVA的掺率为0.2%，0.4%，0.6%时，第一峰值强度比素混凝土分别提高了5.66%，7.08%，9.12%，提高值呈增大趋势；残余弯曲强度f100，1.0随着PVA掺率增加而增大；随着PP掺率增加，第一峰值强度几乎保持不变，但残余弯曲强度f100，1.0，f100，4.0，f100，6.0均增大。

第一峰值强度与PP，PVA掺率的关系见图4。结果表明：当PP掺率不变，随着PVA掺率增加，第

图4 第一峰值强度与PP，PVA掺率的关系

Fig.4 Relationship of the First Peak Strength with

PP and PVA Mixing Ratio一峰值强度较单掺PP时有一定提高；当PVA掺率不变，随着PP掺率增加，第一峰值强度较单掺PVA时几乎没有变化。无论单掺还是混掺，掺入PVA对提高第一峰值强度影响较为显著，这是因为PVA为短细纤维，强度和模量较高，其在混凝土裂缝萌生和微裂阶段的阻裂作用明显。

残余弯曲强度、弯曲韧性与PP，PVA掺率的关系分别见图5，6。结果表明，PP掺率一定，PVA掺率由0.2%提高到0.4%时，残余弯曲强度、弯曲韧性增加幅度较大，但当PVA掺率为0.6%时增加幅度减小。当PVA掺率为0.2%或0.4%时，随着PP掺率增加，残余弯曲强度、弯曲韧性都增大，但当PP掺率大于0.9%时增长趋势变缓；PP掺率增加对残余弯曲强度f100，4.0，f100，6.0和T100，6.0提高更为明显。

由图5可以看出，混掺纤维时残余弯曲强度f100，1.0最大，f100，4.0其次，f100，6.0最小，f100，6.0和f100，4.0相差很小，表明残余弯曲强度随挠度增大而逐渐降低，但挠度大于4 mm以后基本不变。3 结 语

（1）粗PP和细PVA混掺显著改善了三级配机场道面混凝土的弯曲韧性，由于PP的掺入，荷载挠度曲线出现了2次峰值，呈现出良好的变形性能。

（2）当PP体积掺率一定，PVA掺率由0.2%提高到0.4%时，韧性指标值增幅较大，但当PVA掺率为0.6%时，韧性指标值增幅减小，这是PVA分散不均匀所致。

（3）PVA掺率为0.2%或0.4%时，随着PP掺率增加，韧性指标值P300，P75，P50均增大，且韧性指标值P75，P50的提高更为明显，说明粗PP对后期增韧效果显著。

（4）采用ASTM C1609标准计算后可知，增加PVA掺率对提高第一峰值强度影响较为显著。

（5）PP掺率为1.1%与PVA掺率为0.4%混掺时，弯曲韧性指标值达到最大，若再增加PP掺量，韧性指标值提高很小。综合考虑纤维分散性及经济性，建议PP与PVA混掺时纤维体积掺率分别为1.1%和0.4%。

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