钢-聚丙烯混杂纤维对路桥混凝土结构抗渗及耐久性能的影响

王朝熠　罗伟峰　陈信朋　熊成　侯仪标

摘要：为了提高路桥混凝土结构的力学及耐久性能，保障结构正常使用寿命，文章分别将钢纤维和聚丙烯纤维进行单掺和复掺，对混凝土开展了抗压强度试验和抗渗性能试验，分析了单掺纤维和混杂纤维对混凝土强度及耐久性能的影响。研究结果表明：（1）单掺CF能够提高混凝土的抗压强度，但对抗渗压力影响不大，混凝土强度最高可提高11.6%；（2）单掺PPRF对混凝土强度影响不大，但可以提高其抗渗性能；（3）当纖维混合比例为CF40/PPRF1.5时，混凝土力学和耐久性能最佳。此研究可为复杂环境下的路桥混凝土配合比设计提供参考。

关键词：路桥混凝土；耐久性；纤维混凝土；钢纤维

0引言

在广西境内的岩溶地区发育着各种类型的岩溶地貌和岩溶形态，如地表陷穴、岩溶漏斗、落水洞、古暗河、溶洞等，且境内降水量偏高。地下水及地表水对道路与桥梁的混凝土结构会产生很大影响，因此有必要对路桥混凝土结构的耐久性进行研究。目前普遍认为，混凝土的抗渗性能越好，有害介质越不易侵入混凝土内部结构，其耐久性将得到提高。若混凝土的抗渗性能得不到保障，则会直接影响到工程的耐久性，可能减短路桥混凝土结构的使用寿命，甚至严重影响交通的安全运营。国内外学者对此展开了广泛的研究［1-3］，并取得了很多有意义的研究成果。既有研究表明［4］，聚丙烯纤维的掺入可以有效提高混凝土的抗渗性能，而钢纤维则能有效提高混凝土的抗裂性能。本文在前人的研究基础上，研究两种纤维在单掺和复掺时对混凝土力学性能及抗渗性能的影响，并探究两者混合掺入时的交互作用关系，为路桥混凝土结构配合比设计提供参考。

1 配合比设计及试验方案

1.1 原材料及配合比设计

水泥采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，其各项性能指标符合相关标准；粗骨料应满足《钢纤维混凝土》（JG/T-472-2015）［5］中5.3节的规定，即应采用连续级配的碎石，且最大公称直径应≤25 mm和钢纤维长度的3/4，本文采用粗骨料粒径为5～25 mm的碎石；细骨料选用天然河砂，细度模数为2.6，颗粒级配满足Ⅱ区连续级配，其各项性能指标符合相关标准；外加剂选用聚羧酸高效减水剂；钢纤维选用波浪剪切型钢纤维，聚丙烯纤维选用长度为19 mm的短纤维，纤维的各项性能指标如表1所示。

基准混凝土配合比计算应按照《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）［6］进行，基准混凝土配合比确定后，再掺入不同掺量的钢纤维和聚丙烯纤维。本文以C40混凝土为研究对象，通过计算可确定标准C40混凝土的配合比如表2所示。

1.2 试验方案设计

本文意在研究钢纤维（CF）和聚丙烯纤维（PPRF）在单掺和复掺时对混凝土强度和抗渗性能的影响。通过充分调研，综合考虑既有研究成果［7-8］，分别取CF掺量为35 kg/m3、40 kg/m3、45 kg/m3、50 kg/m3；PPRF掺量为0.5 kg/m3、1.0 kg/m3、1.5 kg/m3、2.0 kg/m3，首先对单因素进行试验测试并分析其影响规律，再根据试验结果，选取两个因素中具有代表性的掺量进行混合掺入，探究钢-聚丙烯混杂纤维对混凝土性能的影响。混凝土配合比及试验分组情况如下页表3所示。

试验编号为H1的混凝土为基准混凝土，起到空白对照的作用，编号为H2-H9的混凝土为单掺CF或PPRF的混凝土，通过对这9组混凝土进行抗压强度试验及渗透高度试验，评价不同掺量的纤维对混凝土力学性能及抗渗性能的影响规律，并确定每种纤维的最佳掺量，为后续试验建立基础。

2 单掺纤维对混凝土性能的影响

2.1 力学性能试验及结果分析

对于路桥混凝土结构而言，首先要满足混凝土的基本抗压强度。因此，本节将对基准混凝土及纤维混凝土开展28 d标准抗压强度试验，并对试验结果进行分析，探究两种纤维对混凝土强度的影响。根据《混凝土物理力学性能试验标准》（GB/T50081-2019）［9］中的相关要求进行混凝土抗压强度试验，依次测试9组混凝土的28 d抗压强度。试验结果如图1和图2所示。

由图1可知，随着CF掺量的不断提高，混凝土28 d强度呈现出先增大后减小的趋势，当钢纤维掺量为45 kg/m3时，混凝土28 d强度达到最高，相较于基准混凝土而言，其强度增长率为11.6%；当CF掺量＞45 kg/m3时，强度开始下降。这是因为过高的CF掺量将会导致混凝土工作性能降低，振捣不易密实，而且混凝土内部过多的钢纤维将影响混凝土骨料之间的粘结特性，致使强度下降。试验结果表明，单掺钢纤维时的最佳掺量为45 kg/m3。

由图2可知，随着PPRF掺量的提高，混凝土抗压强度同样呈现出先增大后减小的趋势，但强度增长趋势不明显，说明PPRF对混凝土强度影响不明显，其最佳掺量为1.5 kg/m3，此时强度增长率仅为5.8%。

2.2 耐久性能试验及结果分析

混凝土耐久性能试验采用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082-2009）［10］中的逐级加压法。试件采用185 mm×175 mm×150 mm的抗渗试件，浇筑并养护完成后，首先将试件表面的浮浆清理干净，随后在试件侧面涂抹一层熔化的内加少量松香的石蜡，然后采用螺旋加压器将试件压入经过烘箱预热过的钢模中，使试件与试模底平齐，并在试模变冷后解除压力，将密封好的试件安装在抗渗仪上。每组试件以6个为一组，按照规范方法进行逐级加压试验，并记录每组试件的抗渗压力。试验结果如表4所示。

试验结果表明，CF和PPRF的掺入均有利于提高混凝土的抗渗压力，其中，CF的掺入能够使混凝土抗渗压力提高0.1～0.2 MPa，提高幅度有限。当CF掺量为40 kg/m3时，抗渗压力提高到0.9 MPa。随着钢纤维掺量的不断提高，抗渗压力出现下降的趋势，当CF掺量为50 kg/m3时，抗渗压力甚至低于基准混凝土，说明过高的CF掺量会导致混凝土内部缺陷增多，从而影响混凝土的抗渗性能。PPRF的掺入能够使混凝土抗渗压力提高0.1～0.3 MPa，提高幅度比CF混凝土更大；当其掺量为1.5 kg/m3时，抗渗等级达到1.1 MPa，为9组混凝土中的最高水平。由此可见，针对混凝土抗渗性能而言，CF的最佳掺量为40 kg/m3，PPRF的最佳掺量为1.5 kg/m3。

3 混杂纤维对混凝土性能的影响

通过对单掺纤维混凝土进行强度及耐久性能试验可以发现：CF具有代表性的掺量为40 kg/m3和45 kg/m3；PPRF具有代表性的掺量为1.0 kg/m3和1.5 kg/m3。因此，本节将在前文的研究基礎上，将CF和PPRF进行复掺，探究混杂纤维对混凝土强度及耐久性的影响。本节所采用的试验方法与前文相同，试件分组及试验结果如表5和图3所示。

图表中CF40/PPRF1.0代表混杂纤维混凝土中钢纤维的掺量为40 kg/m3，聚丙烯纤维的掺量为45 kg/m3，以此类推。试验结果表明，混杂纤维混凝土的强度和耐久性普遍高于单掺纤维混凝土，说明钢纤维和聚丙烯纤维能够起到正混杂效应，两者复掺能够进一步提高混凝土的强度及耐久性，这是因为重量较轻的聚丙烯纤维能在混凝土中形成立体的空间三维网状结构［11］，为较重的钢纤维起到承托作用，防止钢纤维出现下沉而分布不均的情况。4组混杂纤维混凝土中，CF40/PPRF1.5的抗压强度和抗渗压力最高，相较于基准混凝土，其强度增长率为18.2%，抗渗压力提高了0.5 MPa。

4 结语

通过对单掺和复掺纤维混凝土进行力学性能和耐久性能试验，可得到如下结论：

（1）单掺钢纤维时，随着CF掺量的不断提高，混凝土强度出现先增大后下降的趋势。当CF掺量为45 kg/m3时，强度达到最高为46.1 MPa，强度增长率为11.6%；当CF掺量为40 kg/m3时，抗渗压力最大为0.9 MPa。

（2）单掺聚丙烯纤维时，混凝土强度提高幅度不大。当PPRF掺量为1.5 kg/m3时，强度增长率仅为5.8%，但抗渗压力提高了0.3 MPa，说明PPRF对混凝土抗压强度影响不大，但对耐久性能有较大影响。

（3）复掺钢纤维和聚丙烯纤维时，CF40/PPRF1.5的抗压强度和抗渗压力最高，相较于基准混凝土，其强度增长率为18.2%，抗渗压力提高了0.5 MPa，说明两者能够起到正混杂效应。

参考文献：

［1］陈石林.基于钢纤维混凝土施工技术在路桥工程中的实践分析［J］.运输经理世界，2020（5）：106-108.

［2］熊剑平.道路混凝土抗冻性与抗渗性关系的试验研究［J］.西部交通科技，2009（11）：5-9.

［3］常 晟，罗云蓉，付 磊.钢纤维混凝土力学性能研究综述［J］.四川轻化工大学学报（自然科学版），2022，35（3）：84-92.

［4］周兴宇，杨鼎宜，朱从香，等.基于孔结构分析的多尺度聚丙烯纤维混凝土耐久性［J］.材料科学与工程学报，2022，40（1）：110-115.

［5］JG/T 472-2015，钢纤维混凝土［S］.

［6］JGJ55-2011，普通混凝土配合比设计规程［S］.

［7］Song Min，Song Nixia，Zhang Yunlong，et al.Mechanical Properties of Polypropylene-Fiber-Reinforced High- Performance Concrete Based on the Response Surface Method［J］.Advances in Materials Science and Engineering，2022（15）：1-4.

［8］童伟光，范银波.钢纤维及混杂纤维混凝土力学性能试验研究［J］.江西建材，2022（2）：13-15.

［9］JG/T50081-2019，混凝土物理力学性能试验方法标准［S］.

［10］GB/T 50082-2009，普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准［S］.

［11］吴 涛，杨 雪，刘 喜.钢-聚丙烯混杂纤维自密实轻骨料混凝土性能［J］.建筑材料学报，2021，24（2）：268-275，282.

作者简介：王朝熠（1994—），工程师，主要从事道路桥梁工程施工管理工作。