PVA纤维与钢纤维对刚性路面路用性能的影响研究

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.