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PVA纤维与钢纤维对刚性路面路用性能的影响研究

2020-03-01王富强李卫宁

西部交通科技 2020年10期
关键词:水泥混凝土纤维性能

王富强 李卫宁

摘要:水泥混凝土作為刚性路面是最常用的材料,具有使用寿命长、耐久性好、不易老化衰变的特点,在重载交通作用下应用效果显著,但在车辆重复荷载作用下容易开裂。文章通过研究单掺PVA或单掺钢纤维对水泥混凝土抗压强度、弹性模量、拉伸弹性模量的影响,验证了单掺PVA或单掺钢纤维能够提高水泥混凝土刚性路面使用性能,为以后在实际工程和进一步的理论研究中提供了参考。

关键词:水泥混凝土;刚性路面;纤维;性能

0 引言

水泥混凝土作为刚性路面最常用的材料,具有使用寿命长、耐久性好、不易老化衰变的特点,在重载交通作用下应用效果显著。尽管水泥混凝土刚性路面有许多优点,但也存在一些缺点。混凝土是一种脆性材料,车辆重复荷载作用下容易开裂[1,2]。在过去的一个世纪里,一些发展中国家如中国、巴西等积极研发与应用推广各种非石棉纤维材料水泥产品,这些纤维材料包括天然纤维(如稻草、马毛)、玻璃纤维、碳纤维、钢纤维和合成纤维(如尼龙、聚丙烯、聚乙烯)等。纤维改性已经成为脆性材料控制裂缝和性能优化的重要技术手段[3]。

钢纤维加固经历了许多变化,通常钢纤维是由高抗拉强度钢制造生产。钢纤维为冷拉钢丝,采用高抗拉强度钢先变形成所需的形状,再进行切割成形。为了使钢纤维在水泥混凝土基体中更好地发挥作用,工程应用中开发出各种各样的几何形状,但目前最常用的两种,分别为波浪形钢纤维和弯钩形钢纤维。波浪形钢纤维通常是一种生产副产品,因此其质量低于弯钩形钢纤维。弯钩形钢纤维常用于纤维钢筋混凝土,其通常被整理成小束,在混凝土混合过程中分散分布在整个水泥混凝土基体中,以提高基体界面粘结性能。

聚乙烯醇纤维(下称PVA)作为水泥混凝土添加材料,可以提高路面的拉伸强度和延展性,改善水泥混凝土的路用性能。研究表明,水泥混凝土添加PVA,可提高混凝土的抗弯拉强度,防止裂缝的发展并提高混凝土弹性模量。在混凝土中添加PVA可使裂缝的数量、长度和宽度大大减少,并降低生成贯通裂缝的可能性,延迟路面开裂。PVA在水泥基体碱性环境中具有良好的稳定性和耐久性,且亲水性良好,在含水的混凝土拌和物中,较其他纤维具有很好的分散性,绿色环保[4]。本文主要研究添加PVA对刚性水泥混凝土刚性路面抗弯拉强度的影响。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

(1)PVA:国外某公司生产,呈暗黄色,其各项基本性能见表1。

(2)钢纤维:国内某公司生产,剪切波浪形,其各项基本性能见表1。

(3)水泥:P·O42.5R水泥。

(4)细骨料:天然河砂干燥后筛分制成,颗粒级配在Ⅱ区范围内,平均粒径为0.44mm,含泥量≤2.5%。

(5)粗骨料:连续级配的人工碎石,最大粒径为15mm。

(6)水:普通自来水。

1.2 试验方案

本实验设计混凝土水灰比为0.45。试件保持相同的原材料、级配、水灰比,变化参数为PVA和钢纤维的掺入比例。在混凝土试件分别单掺PVA,比例依次为0.1%、0.3%和0.5%;单掺钢纤维,比例依次为0.75%、1.0%和1.5%。

2 试验结果

2.1 单掺PVA或单掺钢纤维水泥混凝土的抗压强度

单掺PVA或单掺钢纤维水泥混凝土的抗压强度见图1。由图1可以看出:按一定比例分别单掺PVA或单掺钢纤维均使水泥混凝土的抗压强度显著提高,钢纤维的提升作用更明显。

单掺0.1%、0.3%和0.5%PVA的水泥混凝土的抗压强度较未掺入的分别提高5.4%、8.1%和18.9%,最高抗压强度为PVA掺量为0.5%时的44MPa。PVA的亲水性表面与水泥基体中的胶凝材料发生化学反应,二者的界面粘结使得混凝土基体更加坚硬,提高了抗拉强度和弹性模量,既减少混凝土干燥收缩,又不影响其延展性,有效阻止原有的缺陷(微裂缝)扩展,并延缓新裂缝的出现,将车辆载荷传递到水泥基体的不同部位,使水泥混凝土刚性路面受力更均匀。

单掺0.75%、1.0%和1.5%钢纤维的水泥混凝土的抗压强度较未掺入的分别提高21.6%、24.3%和40.5%,最高抗压强度为钢纤维掺量为0.5%时的52MPa。加入钢纤维后进行极限破坏只是造成了试件局部纹裂,试件基本是完整的,而不加钢纤维的普通混凝土试件进行极限破坏后是粉碎性破坏。随着钢纤维掺量的增加,抗压强度也在增大,抗压强度值高于掺加PVA的试件。这是由于PVA分散性比较差,影响水泥浆体的均匀性,需浆体包裹的面积也会增加,影响其流动性。虽然钢纤维表面光滑容易插入到浆体中,但在浆体黏的情况下钢纤维容易结团,影响混凝土的匀质性和自密实性。所以在水泥浆体流动性较好的情况下,加入适量的钢纤维比掺加PVA对水泥混凝土刚性路面基体均匀性造成的影响要小。

2.2 单掺PVA或单掺钢纤维水泥混凝土的弹性模量

单掺PVA或单掺钢纤维水泥混凝土的弹性模量见下页图2。由图2可以看出:按一定比例分别单掺PVA或单掺钢纤维,水泥混凝土的弹性模量随掺入PVA比例的增加呈现下降趋势,随掺入钢纤维比例的增加影响较小。

单掺0.1%、0.3%和0.5%PVA的水泥混凝土的弹性模量较未掺入的分别下降6.1%、15.2%和18.2%,最高弹性模量为PVA掺量为0.1%时的31MPa。单掺0.75%、1.0%和1.5%钢纤维的水泥混凝土的弹性模量较未掺入的分别下降9.1%、6.1%和3.0%,最高弹性模量为钢纤维掺量为1.5%时的32MPa,约等于未掺入的弹性模量。无论是单掺PVA或者钢纤维,水泥混凝土的弹性模量随掺入比例的增加呈现下降趋势,原因是单掺PVA或者钢纤维产生的部分孔隙不易被填充,导致水泥混凝土基体孔隙率增大,改变结构应力集中,应力分布趋于均匀,单掺PVA或者钢纤维发挥良好的协同作用约束裂缝。弹性模量下降,其韧性越好,水泥混凝土基体裂缝开展路径增多,但呈现出裂而不散、坏而不碎的破坏特征。

2.3 单掺PVA或单掺钢纤维的拉伸弹性模量

单掺PVA或单掺钢纤维水泥混凝土的拉伸弹性模量见图3。由图3可以看出:按一定比例分别单掺PVA或单掺钢纤维均使水泥混凝土的拉伸弹性模量得到显著提高,PVA的提升作用更明显。

单掺0.1%、0.3%和0.5%PVA的水泥混凝土的拉伸弹性模量较未掺入的分别提高45.3%、49.1%和52.8%,最高拉伸弹性模量为PVA掺量为0.5%时的5.7MPa。单掺0.75%、1.0%和1.5%鋼纤维的水泥混凝土的拉伸弹性模量较未掺入的分别提高17.4%、18.3%和26.7%,最高拉伸弹性模量为钢纤维掺量为1.5%时的4.7MPa。无论是单掺PVA或者钢纤维,水泥混凝土的拉伸弹性模量随掺入比例的增加显著提高,原因是水泥混凝土基体中的PVA或者钢纤维跨越劈裂面起到了搭接承载作用,随着掺入比例的增加而增大,使拉伸弹性模量显著提高,减少水泥混凝土刚性路面早期裂缝的发生。

3 结语

通过上述研究与分析得出如下结论:

(1)按一定比例分别单掺PVA或单掺钢纤维均使水泥混凝土的抗压强度显著提高,钢纤维的提升作用更明显。最高抗压强度为PVA掺量为0.5%时的44MPa,钢纤维掺量为0.5%时的52MPa。

(2)按一定比例分别单掺PVA或单掺钢纤维,水泥混凝土的弹性模量随掺入PVA比例的增加呈现下降趋势,随掺入钢纤维比例的增加影响较小。最高弹性模量为PVA掺量为0.1%时的31MPa,钢纤维掺量为1.5%时的32MPa。

(3)按一定比例分别单掺PVA或单掺钢纤维均使水泥混凝土的拉伸弹性模量显著提高,PVA的提升作用更明显。最高拉伸弹性模量为PVA掺量为0.5%时的5.7MPa。钢纤维掺量为1.5%时的4.7MPa。

上述研究不仅较好地描述了单掺PVA或单掺钢纤维对水泥混凝土抗压强度、弹性模量、拉伸弹性模量的改善情况,并且进一步验证了单掺PVA或单掺钢纤维能够提高水泥混凝土刚性路面使用性能,这将为以后在实际工程和进一步的理论研究中提供参考。

参考文献:

[1]李卫宁,王富强.复杂应力状态下再生混凝土多轴试验研究[J].西部交通科技,2014(9):6-9,18.

[2]李卫宁.再生骨料取代率对再生混凝土路面抗冻性的影响研究[J].西部交通科技,2017(10):1-3.

[3]沈奇真.PVA/钢混杂纤维增强水泥混凝土力学性能研究[D].西安:长安大学,2013.

[4]徐安花.PVA/钢混杂纤维对水泥混凝土弯曲韧性的影响[J].公路工程,2014(2):88-92.

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