钢—聚乙烯醇纤维对机制砂机场道面混凝土性能的影响研究*

林喜华，李馨慧，袁义进，顾青山，赵士豪，路东义，何凯，何欣

（中建西部建设贵州有限公司，贵州 贵阳 550000）

0 引言

随着我国航空业的发展、机场建设的扩展及机场航班密度的增加，机场道面混凝土也随之面临更大程度的挑战。相较于其他位置的混凝土，机场道面混凝土处于干湿交替、冻融循环的恶劣复杂环境，有时可能还要遭受火焰和高温气流的伤害[1]。机场道面，特别是飞机起降区域，要长期承受飞机起降而带来的巨大的冲击荷载[2-3]。机场道面混凝土表面的开裂对其性能、耐久性以及飞机行驶安全都有很大程度的影响[4]。由于机场道面混凝土所处的环境特点以及工作服役特性，要求机场道面混凝土具有良好的耐磨性能、较高的韧性（折压比）以及较强的抗冲击性能。

机场道面混凝土面临反复冲击荷载时，裂缝呈现“引发—开展—回复”的循环。在反复荷载作用下，原生裂缝的数量与尺寸对于后续裂缝的发展可起到关键性作用[3]。因此，在混凝土中掺入纤维形成一种高韧性材料，可以有效控制裂缝的产生，提高道面混凝土的耐久性，延长道面混凝土的服役年限。不同弹性模量的纤维对于不同尺寸裂缝的阻碍开展的效果是不同的[5]。此外，四川、贵州等西南地区天然砂较为稀缺，机制砂资源丰富，采用机制砂替代天然砂制备机场道面混凝土可充分利用当地资源，有效降低材料成本。本项研究主要通过对比单独掺入 PVA 纤维与钢—PVA 纤维混掺对于机制砂机场道面混凝土的弯韧性、耐磨性以及抗冲击性能的影响，给出纤维掺量的合理建议值，并为机制砂混凝土在机场建设中提供参考数据。

1 纤维混凝土原材料及试验方法

1.1 原材料

（1）水泥：海螺 P·O52.5 水泥，基本性能指标见表 1。

表 1 水泥基本性能

（2）集料：粗集料选用 5～10mm 和 10～40mm 石灰石碎石，细集料采用石灰石精品机制砂，基本性能如表 2 所示。

表 2 机制砂基本性能指标

（3）外加剂：北京科宁丰外加剂有限公司 ADD-3缓凝减水剂，减水率为 14%。

（4）水：自来水。

（5）PVA 纤维：上海锴源化工生产的 PVA 纤维，呈单丝状，具体性能参数见表 3。

表 3 PVA 纤维基本性能参数

（6）钢纤维：采用浙江省嘉兴市经纬钢纤维有限公司生产的 DW-20 钢纤维。具体性能参数见表 4。

表 4 钢纤维基本性能参数

1.2 试验方法

抗压、抗折试验参照 GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行；耐磨试验参照 JTG E 30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行；抗冲击试验参照 GB/T 21120—2018《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》中附录 G《混凝土冲击性能试验方法》进行。

抗折试验试件为 150mm×150mm×550mm 的标准试件，抗压、耐磨试验试件为 150mm×150mm×150mm 的标准立方体试件，抗冲击试验试件为直径152mm、高 64mm 的圆柱体标准试件。

2 试验配合比

为研究单独掺入 PVA 纤维和复合掺入钢—PVA 纤维对机场道面机制砂混凝土弯韧性及耐磨抗冲击性能的影响，采用 7 组配合比进行研究，具体的配合比见表 5。其中 SP01 为普通道面机制砂混凝土，作为比较基准。SP02～SP04 为单独掺入 PVA 纤维的机场道面混凝土，PVA 的体积掺量分别为 0.15%、0.3% 和 0.45%。SP05-07 为按梯度复合掺入钢—PVA 纤维的机场道面混凝土。

表 5 纤维混凝土配合比 kg/m3

3 试验结果及分析

3.1 力学性能

7 组混凝土的力学性能测试结果见表 6 和图 1、2。

表 6 纤维混凝土的力学性能

从混凝土力学性能的数据图表中可以看出：

（1）根据 SP01～SP04 共四组试件的力学性能测试结果，在混凝土中掺入 PVA 纤维后，混凝土的 7 天以及 28 天抗压强度都有所下降，且随着 PVA 掺量的增加，抗压强度下降程度越大；混凝土 7 天及 28 天抗折强度呈现先增加后减少的变化趋势，其中抗折强度最高的一组为 PVA 体积掺量为 0.15% 的 SP02 组试块，其 7天和 28 天抗折强度可达到 5.12MPa 和 6.76MPa。相较基准混凝土 SP01，抗折强度提升了 4.3% 和 13.1%。结合 28 天抗压强度及抗折强度的试验结果，可以看出在混凝土中掺入 PVA 纤维，能够提升混凝土的折压比，有效提高道面混凝土的韧性。

图 1 纤维混凝土的抗压强度

图 2 纤维混凝土的抗折强度

（2）试件 SP04 与 SP05、SP03 与 SP06 以及 SP02与 SP07 两两对比，发现加入钢纤维后，混凝土的抗压强度以及抗折强度都有所提高，但抗压强度提升的程度更大，韧性得到削弱。其中，当混掺钢纤维体积为 1.5% 时，抗折强度提升效果最好，其抗折强度增加量可达单掺同等数量 PVA 纤维混凝土抗折强度的10.62%；当混掺钢纤维体积比为 1.5% 时，抗压强度提升效果最好，其抗压强度增加量可达单掺同等数量 PVA纤维混凝土抗压强度的 16.22%。

（3）掺入钢纤维后，混凝土的折压比会得到降低，但仍比不掺纤维的混凝土折压比要大。结合抗压强度、抗折强度以及折压比的变化，可认为钢纤维的掺入虽在一定程度上提高了混凝土的力学性能，但由于抗压性能提升幅度远大于抗折性能，导致折压比有所下降，致使混凝土的韧性减弱。

3.2 耐磨性能

将 200N 负荷下耐磨试验机磨 30 转后试块质量记为 m1，然后在 200N 负荷下耐磨试验机磨 60 转后试块质量记为 m2。7 组混凝土的耐磨性能测试结果见表 7 和图 3。

表 7 纤维混凝土的耐磨性能

图 3 纤维混凝土的耐磨性能

从混凝土耐磨性能的数据图表中可以看出：

（1）单独掺加 PVA 纤维后，混凝土的耐磨效果呈现先减弱后增强的变化趋势。其中，耐磨性能效果最好的时体积比为 0.3% 的 SP03 组试块，其单位面积质量损失为 2.800kg/m2，可减少基准混凝土单位面积质量损失的 10.23%。

（2）对比相同 PVA 掺量的混凝土试块，随着钢纤维的掺入，混凝土单位质量损失先减小再增加。掺入体积比为 0.5% 的钢纤维能够提升混凝土的耐磨效果，单位面积质量损失仅为单掺同等数量 PVA 纤维的89.45%。

（3）磨损试验中，钢纤维大多以“拔出”的形式抵抗磨损，未能提供更多的抗磨损的作用，因此掺入钢纤维的混凝土的单位面积质量损失值会偏高，耐磨效果不如单掺 PVA 纤维的混凝土。经对比结果表明，加入少量钢纤维能够降低混凝土的质量磨损，提高耐磨性。

3.3 抗冲击性能

纤维混凝土落锤试验中重锤质量为 6.05kg，提升高度为 600mm，重力加速度记为 9.8N/kg。7 组混凝土的抗冲击性能测试结果见表 8 和图 4。

表 8 纤维混凝土的抗冲击性能

图 4 纤维混凝土的抗冲击性能

从混凝土抗冲击性能的数据图表中可以看出：

（1）单独掺加 PVA 纤维后，混凝土的抗冲击性能呈现先增强后减弱再增强的变化趋势。其中，掺入体积比为 0.3% 的 PVA 纤维时，混凝土的抗冲击性能最弱；掺入体积比为 0.15% 和 0.45% PVA 纤维时，抗冲击效果相同。可见适量掺入 PVA 纤维可以在一定程度上提高混凝土的抗冲击效果。

（2）加入钢纤维后，混凝土的抗冲击性能得到提升，且随着钢纤维掺入量的增加，抗冲击性能提升的幅度越大。其中，掺入体积比为 1.5% 的钢纤维时，抗冲击效果增幅最大，可达单掺同等数量 PVA 纤维的混凝土抗冲击效果的 5.9 倍。

（3）基准混凝土和单掺 PVA 纤维的混凝土的试件破坏时为试件完全裂开；掺钢纤维的混凝土破坏时为试件仅有一条过大的裂缝不完全裂开，其破坏有一定的延性，且破坏面上有钢纤维的连接。根据初裂与终裂的冲击次数的差值和试件破坏效果，掺入钢纤维后，钢纤维能够起到“桥梁”的作用，可连接裂缝两端，延缓冲击裂缝的开展，进而吸收更多的冲击功。

4 结论

（1）单独掺加 PVA 纤维，能降低混凝土的抗压强度，提高混凝土的折压比；耐磨性能随着 PVA 纤维的掺量增加先减弱后加强，抗冲击性能则先增强后减弱再增强。综合三种性能，当掺入体积比为 0.3% 的 PVA 纤维时，混凝土的综合性能可以达到较好的水平。

（2）相同 PVA 纤维掺量时，钢纤维掺量的增加，混凝土的折压比减小，韧性减弱；耐磨性能先增强后减弱；抗冲击性能得到提升。综合折压比、耐磨性以及抗冲击性，当掺入体积比为 0.3% 的 PVA 纤维和 1.0% 的钢纤维时，混凝土的性能可以达到较好的水平。

（3）对比相同 PVA 纤维掺量时，掺入钢纤维后，混凝土的抗压强度、抗折强度以及抗冲击性能有不同程度的提高，耐磨性能略有削弱。总体上可认为钢纤维的加入提升了掺 PVA 纤维混凝土的性能，钢纤维与 PVA纤维在提高混凝土弯韧性、抗冲击性能方面有协同作用。