寒区有机纤维混凝土路面材料的性能研究

孙伟光

（黑龙江省公路勘察设计院，黑龙江 哈尔滨 150080）

1 混凝土材料的收缩及开裂

混凝土的收缩变形是指由于混凝土中所含水分的变化，化学反应及温度降低等因素引起的体积缩小。混凝土的收缩变形主要有施工初期的凝缩变性、硬化混凝土的干燥收缩变性、自身收缩变性、温度下降引起的冷缩变性及基因碳化引起的碳化收缩变性等。当混凝土处于自由状态时，混凝土收缩不会对混凝土造成不良后果，但实际情况下，混凝土结构由于基础、相邻板块的牵制而处于不同程度的约束状态，混凝土收缩因受到约束而引起拉应力，当拉应力大于混凝土的极限抗拉强度时，就会引起混凝土的开裂。

混凝土的收缩开裂主要发生在早期。早期裂缝主要包括：混凝土骨料沉落引起的裂缝、塑性收缩裂缝、施工方面原因造成的裂缝等。混凝土在恒温恒湿条件下由胶凝材料的不断水化作用等引起的体积变化称为自生体积变形。因为这种体积变化多表现为减小，故称为自生收缩。混凝土的早期收缩裂缝是干燥收缩和自生收缩等共同作用的结果。根据宫泽伸吾等的实验结果，水灰比为0.4时混凝土自生收缩占总收缩的40%；水灰比为0.3时的混凝土自生收缩占总收缩的50%。而混凝土路面材料需要较高早期强度，水灰比较小，自生收缩比普通混凝土大，因而更容易产生开裂。

2 混凝土的塑裂和纤维的阻裂机理

2.1 混凝土收缩开裂的作用机理

混凝土浇注后由于泌水的原因会在其内部形成很多毛细泌水通道。当混凝土表面水份的蒸发速度大于水份向表面的迁移速度时，混凝土失水将由表及里向深处发展，毛细孔内水的弯液面的曲率也将随之逐渐增大。

2.2 纤维阻止混凝土塑裂的机理

2.2.1 塑性裂缝总是从混凝土表面的原生微裂缝处开始扩展。当微裂缝的长度大于纤维的间距时，纤维将跨越裂缝起到传递荷载的桥梁作用，使混凝土内的应力场更加连续和均匀，使微裂缝尖端的应力集中得以钝化，裂缝的进一步扩展受到约束。

2.2.2 长度小于纤维间距的原生裂缝扩展遇到纤维时，纤维将迫使其改变延伸方向或跨越纤维生成更微细的裂缝场，显著增大了微裂缝扩展的能量消耗。

随纤维细度的增大，在相同的体积掺量下，纤维的间距明显减小，对裂缝的约束能力也显著增强。

由于纤维的存在，使裂缝发展受阻，只能在混凝土块体内形成类似于无害孔洞的封闭的空腔或者内径非常细小的孔。传统看法认为所有的孔隙在混凝土中都是有害的，其实真正有害的只是那些孔径很大、并且相互贯通的空洞和裂隙。孔径小到一定程度的孔，或者更严格地说应该是混凝土块体当中的微小气泡-孔径或气泡直径小于50nm都属于少害或无害的孔，如果孔径小于20nm，这些孔对于提高混凝土的内在质量只有正向的作用，对于减少混凝土的自重是有益的。

3 有机纤维混凝土性能的测试研究

3.1 力学性能

强度是所有材料的最重要的力学性能之一，具体可以分为：抗压性能、抗拉性能、抗弯性能、抗折强度等多种。而道路用水泥混凝土的抗压强度以及抗折强度是强度的重要技术指标，所以选择对混凝土抗压强度、抗折强度进行研究。

强度是所有材料最重要的力学性质之一，是评价其承载各种载荷和抵抗各种作用力的性能指标。路用混凝土材料不仅要有高的强度要求，还要有高的耐久性要求。强度的测定既简便，又简单，并且由于混凝土的耐久性与强度有着密切的关系，所以强度从侧面反映了混凝土的耐久性。一般来说，混凝土的强度越高，混凝土的刚性、不透水性、耐磨性能、抵抗风化和某些侵蚀介质的能力也越高，因此测定混凝土的强度是十分必要的。

通过相关实验测得有机纤维混凝土1d抗压强度均大于14MPa，达到美国战略公路研究计划中快速开放交通的抗压强度要求值，均可作为有效材料。

3.2 收缩开裂

收缩特性是水泥基复合材料的收缩是其物理力学性能中的一个重要方面，混凝土自生收缩是由于水泥水化，引起混凝土内部发生一系列物理化学变化，从而使混凝土在宏观上表现出体积缩小的现象，它对路面路面材料抗裂性及混凝土面层接缝布设均有重要的意义；对水泥混凝土面层结构的应力状态、变形特性、承载能力及耐久性有很大影响。

在室温条件下，将新拌混凝土浇入刷好油的钢制方形模具中，插捣成型，待混凝土达到初凝时（从开始搅拌计时约4小时），开始观察混凝土的开裂情况，记录第一条裂缝出现的时间，此后，每半小时跟踪观察一次，用3～5倍放大镜观察混凝土裂缝的数量、位置、长度，填好表格，用50倍读数显微镜读取裂缝的宽度，归纳收缩裂缝的开裂情况随时间变化的增长规律。观察持续28d。

通过相关实验表明与普通混凝土相比，虽然掺有聚丙烯纤维的混凝土试件裂缝数目没有明显减少，但裂缝特征皆为短而小，裂缝不连续，呈分散状态，与普通混凝土板相比，开裂情况有了明显改善，混凝土的开裂在一定范围内得到了良好的控制。

3.3 耐磨性能

将尺寸为 150×150×150(mm)的混凝土试件上表面压一重物(20kg)以模拟路面受压磨损状态，下表面置于磨石机高速旋转的光滑钢制磨盘上，金刚砂从入料口被水流匀速冲入磨盘上，在离心力的作用下均匀分布在磨盘和混凝土下表面之间。使用卡具固定试件位置以免被离心力抛出，但不施加垂直方向作用力。每块试件磨损2.5min（合计1000r），停止磨石机，取下试件清洗表面称取重量，取平均质量损失作为磨耗率以评价混凝土的耐磨性。实验结果显示水泥混凝土磨耗≤1.0g/cm2/1000r，达到技术指标。

3.4 抗冻性能

试件选用掺入长度12mm，掺入量为1kg/m的聚丙烯纤维增强的水泥混凝土试件，本试验采用100mmx100mmx400mm的棱柱体试件，共4组试件。

使用快冻法对混凝土抗冻性能进行测试，即通过在水中经快速冻融来测定混凝土的抗冻性能。抗冻性能的指标用能经受快速冻融循环的次数来表示试件共四组，在300次冻融循环后，重量损失率均小于5%，实验结果显示28d龄期的有机纤维增强的混凝土试件的抗冻融性达到了D300的水平。

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