鄧宗才++耿雪輝++劉巖++蘭明章

摘要：為了降低機(jī)場道面混凝土脆性，通過混摻高性能粗聚烯烴纖維（PP）和細(xì)聚乙烯醇纖維（PVA）來提高道面混凝土韌性。通過四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，測得了梁試件荷載撓度曲線，分析了2種纖維體積摻率混摻對改善三級配機(jī)場道面混凝土彎曲韌性的效果。結(jié)果表明：纖維混摻可明顯改善混凝土抗彎韌性；PP的摻入使荷載撓度曲線出現(xiàn)了2次峰值；PVA體積摻率為0.2%或0.4%時(shí)，隨著PP摻率增加，韌性指標(biāo)值P300，P75，P50均呈增大趨勢；PP摻率的增加對后期韌性指標(biāo)值P75，P50的提高更為顯著；增加PVA摻率對提高第一峰值強(qiáng)度較為顯著；PP和PVA分別以體積摻率1.1%和0.4%混摻時(shí)，機(jī)場道面混凝土抗彎韌性提高最為明顯。

關(guān)鍵詞：機(jī)場道面；抗彎韌性；混摻纖維混凝土；強(qiáng)度；體積摻率

中圖分類號(hào)：TU502 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

水泥混凝土道面是中國民航機(jī)場最主要的道面結(jié)構(gòu)形式，但是水泥混凝土道面使用情況并不理想[15]。目前大部分水泥道面平均壽命為15～20年，有的在新建后2～3年就出現(xiàn)道面破壞，無法達(dá)到30年的設(shè)計(jì)年限[67]。道面早期角隅斷裂、斷板、掉邊掉角等現(xiàn)象導(dǎo)致大量結(jié)構(gòu)性損壞，扎破輪胎現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅飛行安全。根本原因是當(dāng)前機(jī)場道面建設(shè)中傳統(tǒng)的道面混凝土材料是準(zhǔn)脆性材料，容易開裂和斷板，影響道面使用安全性和服役壽命[810]。為此，有必要在混凝土中摻入纖維，開發(fā)一種具有高韌性的混凝土道面材料，從而降低脆性，有效改善抗裂性和抗疲勞性能等[1114]。

混摻纖維混凝土[1517]是指用2種或2種以上纖維或不同幾何特性的纖維制備的纖維混凝土。混摻纖維可以優(yōu)勢互補(bǔ)，充分發(fā)揮不同纖維的增強(qiáng)和增韌作用，以顯著改善混凝土變形性能。本文試驗(yàn)研究了粗聚烯烴纖維（PP）和細(xì)聚乙烯醇纖維（PVA）混摻對改善三級配機(jī)場道面混凝土彎曲韌性的效果，且給出了纖維最佳摻率的建議值，為機(jī)場工程建設(shè)提供參考數(shù)據(jù)。

1 纖維混凝土配合比及強(qiáng)度

1.1 纖維材性

PP由上海羅洋材料有限公司提供，它是聚丙烯與聚乙烯的共聚物，表面為壓痕波浪形；PVA由凱泰特種纖維科技有限公司提供，呈單絲狀。2種纖維的物理、力學(xué)性能指標(biāo)見表1。

1.2 混凝土配合比

水泥采用金隅牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，石子為石灰?guī)r碎石，采用粒徑5～10 mm，10～20mm，20～26.5 mm三級配。砂為中砂，細(xì)度模數(shù)為2.7，水為自來水，減水劑為江蘇奧萊特新建材有限公司生產(chǎn)的ATRM12高性能聚羧酸類減水劑，固含量為40%，減水率為37%。按照混凝土抗折強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為5.0 MPa的要求，混凝土配合比見表2。

1.3 混凝土強(qiáng)度

混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)采用150 mm×150 mm×550 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件。

PP體積摻率（簡稱摻率）為0.7%，0.9%，1.1%，PVA體積摻率為0.2%，0.4%，0.6%。為了減小基體變化對彎曲韌性的影響，所有試件的基體都采用表2的配合比。每種纖維摻率的試件有3個(gè)，試件澆筑成型24 h后脫模自然養(yǎng)護(hù)28 d。測得的試件抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度平均值見表3。試件編號(hào)中“”前的數(shù)字為PP體積摻率，“”后的數(shù)字為PVA體積摻率，如HC0.90.2表示PP體積摻率為0.9%，PVA體積摻率為0.2%。

由表3可看出：無論P(yáng)P，PVA是單摻還是混摻，均對改善混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的效果不明顯；所有試件的抗折強(qiáng)度大于5.5 MPa，滿足機(jī)場道面對混凝土抗折強(qiáng)度的要求。2 抗彎韌性

2.1 試驗(yàn)方法

抗彎韌性試驗(yàn)采用三分點(diǎn)加載，混凝土梁尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，跨度為300 mm，試驗(yàn)在電液伺服控制試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，恒位移控制加載，位移速率為2 min·mm-1，計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，并自動(dòng)繪制荷載撓度曲線。

2.2 破壞過程及形式

隨著荷載的增加，素混凝土梁在發(fā)生初裂瞬間即開始裂紋的局部擴(kuò)展，且擴(kuò)展時(shí)間極短，一裂即斷，屬于脆性破壞。相比素混凝土梁，單摻PVA混凝土梁發(fā)生初裂后，主裂縫擴(kuò)展相對較慢，變形性能較明顯，由脆性破壞變?yōu)榫哂幸欢ㄑ有缘钠茐?，裂縫具有一定的寬度。

單摻PP混凝土梁和混摻纖維混凝土梁的破壞過程較為相似，明顯呈延性破壞，隨著荷載增大，裂縫不斷擴(kuò)展，但荷載下降緩慢，裂縫截面的纖維逐漸從混凝土中拔出或拔斷，表現(xiàn)出良好的變形性能。

2.3 荷載撓度曲線

典型試件的荷載撓度曲線見圖1。由圖1（a）可看出：單摻PVA混凝土梁開裂前，荷載增長較快，荷載撓度曲線呈直線上升趨勢；開裂后，撓度增長速度加快，曲線斜率略有下降，此階段和素混凝土基本相同；當(dāng)荷載達(dá)到峰值以后迅速下降，然后保持在較低值，隨著撓度的繼續(xù)增大，荷載下降速度逐漸變緩，裂縫寬度變寬，直至試件破壞。

比較圖1（b），（c）可看出，單摻PP混凝土梁和混摻纖維混凝土梁的荷載撓度曲線特征較為相似，荷載撓度曲線都出現(xiàn)了2次峰值，裂縫擴(kuò)展很慢，呈延性破壞。當(dāng)荷載過峰值后迅速下降，但仍保持著較高承載力，下降趨勢也變得平緩，在峰值荷載之后出現(xiàn)了第2次峰值，原因主要是PP橫跨裂縫阻止了裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展，引起了受拉區(qū)的應(yīng)力重分布。曲線達(dá)到第2次峰值后的下降段出現(xiàn)了上下抖動(dòng)的鋸齒狀，這是PP不斷拔出和拔斷的過程。

混摻纖維與單摻PP試件荷載撓度曲線的不同之處是峰值荷載后單摻PP混凝土梁的荷載會(huì)接近直線迅速下降，混摻纖維混凝土梁由于PVA的橋聯(lián)作用荷載下降較緩慢。

2.4 抗彎韌性評價(jià)

2.4.1 Banthia韌性指標(biāo)評價(jià)方法

由于確定初裂撓度存在很大的人為誤差，Banthia等[1819]提出纖維混凝土韌性分析方法，以峰值荷載為界限把荷載撓度曲線面積在峰值荷載Ppeak處分為峰前（Tpre）和峰后（Tpwt，m）兩部分，以特定的撓度為變量來考慮纖維混凝土在變形過程中的能量消耗。這樣定義的韌性指標(biāo)不像ASTM C1018方法那樣過度依賴初裂撓度，Banthia韌性指標(biāo)計(jì)算方法示意如圖2所示。

由圖3可知：當(dāng)PP摻率一定時(shí)，PVA摻率由0.2%提高到0.4%，韌性指標(biāo)增加幅度較大；當(dāng)PVA摻率為0.6%時(shí)，韌性指標(biāo)增加幅度減??；當(dāng)PP摻率為0.7%，PVA摻率為0.2%，0.4%，0.6%時(shí)，韌性指標(biāo)P300比單摻PP時(shí)分別提高了26.4%，43.7%，33.9%，P75分別提高了21.8%，31.9%，20.7%，P50分別提高了47.6%，67.8%，55.2%。PVA摻率為0.4%時(shí)韌性指標(biāo)值最大，摻率為0.6%時(shí)韌性指標(biāo)值減小，韌性降低，這是由于PVA摻率為0.6%時(shí)，PVA分散不均勻所致，這與試件成型過程中觀察的PVA分散狀況一致。

當(dāng)PVA摻率為0.2%或0.4%時(shí)，隨著PP摻率增加，韌性指標(biāo)值呈增大趨勢，且PP摻率由0.9%提高到1.1%時(shí)，韌性指標(biāo)提高值明顯小于摻率由0.7%提高到0.9%，當(dāng)PP摻率大于0.9%時(shí)，韌性指標(biāo)增長趨勢變緩。

PVA摻率0.2%與PP摻率0.9%混摻較與PP摻率0.7%混摻時(shí)，其韌性指標(biāo)值P300，P75，P50分別提高了16.8%，42.2%，25.7%；PVA摻率0.2%與PP摻率1.1%混摻較與PP摻率0.7%混摻時(shí)，其韌性指標(biāo)值P300，P75，P50分別提高了19.6%，51.8%，30%。PP摻率增加對韌性指標(biāo)P75，P50提高更為明顯，表明其對后期增韌效果顯著。

由圖3還可以看出：PP與PVA混摻時(shí)，混凝土的韌性指標(biāo)P300最大，P75其次，P50最小，P50和P75非常接近，表明韌性指標(biāo)值隨撓度增大而逐漸降低，但撓度大于4 mm以后基本不變。

2.4.2 美國ASTM C1609標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)方法

ASTM C1609標(biāo)準(zhǔn)是在2005年提出的一個(gè)新的韌性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[20]，以取代ASTM C1018標(biāo)準(zhǔn)。ASTM C1609標(biāo)準(zhǔn)采用的評價(jià)韌性指標(biāo)為絕對值參數(shù)而不是相對值參數(shù)，主要包括荷載P、強(qiáng)度f、撓度δ以及某一特定撓度時(shí)荷載撓度曲線下的面積T。確定第一峰值荷載P1、特定撓度殘余荷載P100，1.0，P100，4.0，P100，6.0，通過計(jì)算獲得0～6.0 mm撓度區(qū)間內(nèi)荷載撓度曲線下的面積T100，6.0，即彎曲韌性。P100，1.0，P100，4.0，P100，6.0分別為寬和高均為100 mm的棱柱體試件在彎曲韌性測試過程中撓度達(dá)到1.0，4.0，6.0 mm時(shí)對應(yīng)的荷載。由P1計(jì)算的強(qiáng)度為第一峰值強(qiáng)度f1，撓度分別為1.0，4.0，6.0 mm時(shí)對應(yīng)的殘余彎曲強(qiáng)度為f100，1.0，f100，4.0，f100，6.0。評價(jià)韌性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見表5。

由表5可以看出：單摻PVA的摻率為0.2%，0.4%，0.6%時(shí)，第一峰值強(qiáng)度比素混凝土分別提高了5.66%，7.08%，9.12%，提高值呈增大趨勢；殘余彎曲強(qiáng)度f100，1.0隨著PVA摻率增加而增大；隨著PP摻率增加，第一峰值強(qiáng)度幾乎保持不變，但殘余彎曲強(qiáng)度f100，1.0，f100，4.0，f100，6.0均增大。

第一峰值強(qiáng)度與PP，PVA摻率的關(guān)系見圖4。結(jié)果表明：當(dāng)PP摻率不變，隨著PVA摻率增加，第

圖4 第一峰值強(qiáng)度與PP，PVA摻率的關(guān)系

Fig.4 Relationship of the First Peak Strength with

PP and PVA Mixing Ratio一峰值強(qiáng)度較單摻PP時(shí)有一定提高；當(dāng)PVA摻率不變，隨著PP摻率增加，第一峰值強(qiáng)度較單摻PVA時(shí)幾乎沒有變化。無論單摻還是混摻，摻入PVA對提高第一峰值強(qiáng)度影響較為顯著，這是因?yàn)镻VA為短細(xì)纖維，強(qiáng)度和模量較高，其在混凝土裂縫萌生和微裂階段的阻裂作用明顯。

殘余彎曲強(qiáng)度、彎曲韌性與PP，PVA摻率的關(guān)系分別見圖5，6。結(jié)果表明，PP摻率一定，PVA摻率由0.2%提高到0.4%時(shí)，殘余彎曲強(qiáng)度、彎曲韌性增加幅度較大，但當(dāng)PVA摻率為0.6%時(shí)增加幅度減小。當(dāng)PVA摻率為0.2%或0.4%時(shí)，隨著PP摻率增加，殘余彎曲強(qiáng)度、彎曲韌性都增大，但當(dāng)PP摻率大于0.9%時(shí)增長趨勢變緩；PP摻率增加對殘余彎曲強(qiáng)度f100，4.0，f100，6.0和T100，6.0提高更為明顯。

由圖5可以看出，混摻纖維時(shí)殘余彎曲強(qiáng)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，表明殘余彎曲強(qiáng)度隨撓度增大而逐漸降低，但撓度大于4 mm以后基本不變。3 結(jié) 語

（1）粗PP和細(xì)PVA混摻顯著改善了三級配機(jī)場道面混凝土的彎曲韌性，由于PP的摻入，荷載撓度曲線出現(xiàn)了2次峰值，呈現(xiàn)出良好的變形性能。

（2）當(dāng)PP體積摻率一定，PVA摻率由0.2%提高到0.4%時(shí)，韌性指標(biāo)值增幅較大，但當(dāng)PVA摻率為0.6%時(shí)，韌性指標(biāo)值增幅減小，這是PVA分散不均勻所致。

（3）PVA摻率為0.2%或0.4%時(shí)，隨著PP摻率增加，韌性指標(biāo)值P300，P75，P50均增大，且韌性指標(biāo)值P75，P50的提高更為明顯，說明粗PP對后期增韌效果顯著。

（4）采用ASTM C1609標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算后可知，增加PVA摻率對提高第一峰值強(qiáng)度影響較為顯著。

（5）PP摻率為1.1%與PVA摻率為0.4%混摻時(shí)，彎曲韌性指標(biāo)值達(dá)到最大，若再增加PP摻量，韌性指標(biāo)值提高很小。綜合考慮纖維分散性及經(jīng)濟(jì)性，建議PP與PVA混摻時(shí)纖維體積摻率分別為1.1%和0.4%。

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