低收缩混杂纤维桥面高性能混凝土的应用研究

引言普通混凝土是一种多相、多层次、多结构非均质且具有较大抗压强度和刚度的材料，但存在凝结与硬化过程中收缩大、抗拉强度低以及产生塑性收缩裂缝等缺点，其抗拉强度仅为抗压强度的1/10，受拉极限延伸率只有0.005%～0.05%。随着混凝土抗压强度的提高，其裂缝、干缩与脆性问题也显得更为突出。针对这些问题，研究者们[1-3]做了大量的研究工作。结果表明，最有效的方法是掺加纤维，例如钢纤维、合成纤维等，通过纤维增强改进混凝土的性能。桥面铺装层在使用过程中不可避免的受外界环境的影响，除了要求铺装层具有足够的抗压强度、抗折强度、弯曲韧性等力学性能之外，还应具有一定的抗渗、低收缩、抗腐蚀等耐久性能。钢纤维混凝土用于桥面铺装，具有优良的力学性能和耐久性能，但掺入单一钢纤维只能从某个方面起到增强作用，难以同时改善多方面的性能，并且存在自重大、造价高、纤维容易结团等缺点[4-6]，使其应用于桥面铺装层受到一定的限制。混杂纤维混凝土（HybridFiberReinforcedConcrete）通过将不同性质和不同尺度的纤维混杂，体现在混凝土中不同结构和不同性能层次上逐级强化与增韧，充分发挥各种纤维的尺度和性能效应并进行优势互补，是一种既能发挥不同纤维的优点，又能体现它们协同效应的新型复合材料。目前混杂纤维混凝土研究是一个新的热点，现有研究成果表明，混杂纤维对混凝土的性能有明显的改善作用，极具发展前景[7-10]。1、工程概况

济南齐鲁黄河大桥桥面工程G309-S101连接线工程主桥长度1170m,跨径布置为（95m+280m）+420m+（280m+95m），标准断面全宽60.7m，280m、420m跨主桥结构形式为网状吊杆组合梁拱桥。主梁采用正交异型组合桥面板组合梁，梁高4.12m，全宽60.7m。主桥桥面板为钢筋混凝土结构，在两侧车行道16.5m及拱区4m范围设置，采用C50低收缩混杂纤维混凝土，板厚120mm。钢板与混凝土之间设置剪力钉将两者连接成整体。420m混凝土桥面板分块方案（全桥4块5#板同时浇筑：最大一次浇筑量约为230m3）及（280m+95m）混凝土桥面板分块方案（全桥4块3#板同时浇筑：最大一次浇筑量约为280m3）如图1所示。图1混凝土桥面板分块方案（单位：mm）由于桥面混凝土最大一次性浇筑达280m3，现场采用吊斗布料的施工工艺会造成浇筑时间长，施工效率低。为了施工时易于操作并且保证质量，提出了混凝土的初始工作性以及工作性经时损失的控制，满足现场泵送及长时间浇筑、高流动性和保坍性能需要的要求。2、材料及方法

2.1试验材料水泥：P·II42.5普通硅酸盐水泥，其物理性能及化学成分见表1、表2。表1水泥物理性能指标表2水泥化学成分%粗骨料：国舜石厂生产的5~10mm、10~20mm二级配花岗岩碎石，其表观密度2760kg/m3，含泥量0.8%，针片状含量2.3％，压碎值3.0％。细骨料：大汶河砂，其表观密度2640kg/m3，紧密堆积密度1570kg/m3，细度模数2.7，含泥量1.0%，泥块含量为0。粉煤灰：Ⅱ级灰，其物理指标及化学成分见表3、表4。表3

粉煤灰物理性能表4

粉煤灰化学成分%纤维：南京优尔西公司生产的端钩型钢纤维和聚丙烯纤维，如图2所示，其主要性能指标见表5、表6。图2端钩钢纤维和聚丙烯纤维外观形貌表5钢纤维性能参数表6聚丙烯纤维性能参数2.2试验方案在考虑性能与经济性并重的基础上，以正交设计和理论分析为研究手段，取聚丙烯纤维掺量、钢纤维掺量、砂率、单位用水量、水胶比和粉煤灰掺量这6个因素进行试验，采用L25(56)设计正交试验，共25个配合比，具体见表7。通过极差分析明确各因素对新拌混凝土坍落度、28d抗压及抗折强度、28d轴向拉伸强度、抗渗及氯离子扩散系数、90d收缩率等耐久性能的影响，综合考虑为工程提供最佳配合比。表7正交设计因素水平表2.3混杂纤维掺加方法采用干拌法即先将砂、石子、水泥充分搅拌1～2min，然后将钢纤维和高分子纤维分批在1～1.5min内均匀若干次投入搅拌机中，继续搅拌3min后加入水和外加剂搅拌4～6min，待混凝土整体搅拌均匀后即可出料，拌合物中不得出现粉料和纤维成团现象。3、结果及分析

3.1试验结果本试验的考核指标为不同纤维掺量对混凝土坍落度、28d抗压及抗折强度、28d轴向拉伸强度、抗渗及氯离子扩散系数、90d收缩率等耐久性能的影响，试验结果的极差分析见表8。由表8得到最优组合为A3B3C2D3E3F4。

表8

正交试验结果极差分析3.2混杂纤维对混凝土拌合物性能的影响对正交试验单因素进行分析，得到了混杂纤维与混凝土拌合物性能的关系，如图3所示。由图3可以看出，随着聚丙烯纤维与钢纤维掺量的提高，混凝土坍落度及经时损失均出现下降的趋势。这是因为细小的高分子纤维比表面积大，需要吸附大量水泥浆体包裹其周围，而粗大的钢纤维则会对混凝土组分起到“承托”作用，形成网络结构，这都会使混凝土拌合物的粘度有所增加，引起坍落度减小。为了满足混凝土的施工性能，混杂纤维的最佳掺量为：聚丙烯纤维0.1%，钢纤维掺量1.0%。图3不同混杂纤维掺量下混凝土的坍落度及经时损失3.3混杂纤维对混凝土力学性能的影响对正交试验单因素进行分析，得到了混杂纤维掺量与混凝土力学性能的关系，如图4、图5所示。图4不同聚丙烯纤维掺量下混凝土的力学性能由图4可以看出，（1）随聚丙烯纤维掺量的增加，混凝土的28d抗压强度有所下降。分析其原因是由于其弹性模量低于混凝土，掺入聚丙烯纤维后相当于增加了混凝土缺陷。当聚丙烯纤维掺量为0.05%、0.1%、0.15%、0.2%时，混凝土的28d抗压强度比基准混凝土降低了3.5%、4.8%、10.6%和12.5%，本试验得到的结论与相关学者[11-13]在低掺量（总掺量0.5%）下得出钢-聚丙烯纤维混杂对混凝土的抗压强度基本没有影响的研究结果相类似。试验中发现，混凝土中由于纤维的加入，增大了混凝土破坏时的极限压应变和延性，混凝土并不像素混凝土那样出现崩碎和强度值的突然降低，而是在达到峰值后逐渐降低，使混凝土表现出延性破坏的性质。（2）当混凝土中加入聚丙烯纤维后，其抗折和轴拉强度比素混凝土都有很大提高，且随着纤维掺量的增加，增高幅度越大。当合成纤维掺量为0.1%时，混凝土的28d抗折和轴拉强度比基准混凝土分别提高10.8%、18.1%。这是由于纤维的掺入能使混凝土基体承受更大的拉伸应力，另一方面由于混凝土与纤维的握裹力，使混凝土中产生预拉应力，起到了补偿收缩和限制裂缝发展的效果，因而提高了混凝土基体的抗拉强度。

图5不同钢纤维掺量下混凝土的力学性能由图5可以看出，（1）钢纤维掺量对混凝土28d抗压强度的影响出现了先增加后降低的趋势，分析其原因是钢纤维的加入降低了混凝土中的孔隙，改善了纤维与基体混凝土间界面过渡区性能，另外钢纤维的高弹模也有益于强度的提高，当钢纤维体积掺量为1.0%时，抗压强度较基准提高5.1%。随着钢纤维掺量的提高，混凝土中的纤维难以均匀分布，造成混凝土的空隙有所增加影响了强度的进一步增长。（2）钢纤维的加入对于混凝土28d抗折和轴拉强度的影响规律与合成纤维类似，随着纤维体积分数的增加，混凝土的28d抗折及轴拉强度均呈现出上升的趋势。这是由于纤维具有较高的抗拉强度，在混凝土基体中数目增多，更多的纤维可以横跨裂纹代替混凝土承受载荷，可以有效地延缓裂纹的发展和扩展，使混凝土的28d抗折及轴拉性能得到提高。当钢纤维体积掺量为1.0%时，混凝土28d抗折和轴拉强度较基准分别提高17.7%和31.1%。

3.4混杂纤维对混凝土耐久性能的影响对正交试验单因素进行分析，得到了混杂纤维掺量与混凝土耐久性能的关系，如图6、图7所示。图6不同聚丙烯纤维掺量下混凝土的耐久性能由图6可知，（1）随着聚丙烯纤维用量的增加，混凝土的抗渗性能呈现出先增加后降低的趋势，分析其原因，纤维的掺加有效地降低和改善混凝土内部孔隙率，减少微裂缝的产生，提高了混凝土的抗渗性能。但随着纤维掺量的逐渐提高，纤维与混凝土的粘结处可能界面增多，虽然纤维约束了混凝土的开裂，但界面处却增多了缝隙，使整体抗渗性能出现降低的趋势。当聚丙烯纤维掺量为0.1%时，混凝土抗渗等级提高了40%以上。（2）随着聚丙烯纤维掺量的增加，氯离子在混凝土中扩散的速率逐渐减小。其原因可能是因为，数量众多的细纤维使混凝土内部分散更加均匀，弥补了混凝土中的微缺陷，降低了氯离子的扩散通道，从而降低了氯离子的扩散系数[14-15]，提高了混凝土抗氯离子渗透的能力。当聚丙烯纤维掺量为0.1%时，氯离子扩散系数分别降低了21.5%。同时也可知随着聚丙烯纤维掺量的增加，混凝土的干燥收缩逐渐减小，极大提高了混凝土的耐久性。原因是纤维加入混凝土中后，能在混凝土中导入预拉应力，由于纤维的抗拉强度远远大于混凝土，可阻止混凝土进一步变形，有效地减小了混凝土收缩。当合成纤维掺量为0.1%时，混凝土90d收缩率降低11.6%。图7不同钢纤维掺量下混凝土的耐久性能由图7可知，（1）随着钢纤维掺量的增加，混凝土的抗渗性能也出现达到峰值后降低的规律。分析其原因，低掺率的钢纤维可以使基体失水面积减小，降低了毛细管失水收缩形成的毛细管张力，随着钢纤维掺量的增加，难以在混凝土内部达到均匀分布，增加了局部的缺陷，从而导致抗渗性能有所下降。当聚丙烯纤维掺量为1.0%时，混凝土抗渗等级提高了20%以上。（2）随着钢纤维掺量的增加，混凝土的氯离子扩散系数和收缩均显著降低。主要是因为钢纤维的高弹性模量和端钩的锚固作用，有效地阻止了混凝土内部微裂缝的产生和扩大，起到了区域加强的作用，纤维的阻裂作用减少了混凝土的微裂缝，有效抑制了混凝土的干燥收缩。同时使毛细孔孔隙率降低，切断了氯离子扩散的通道，降低了氯离子的扩散与迁移速度。钢纤维掺量为1.0%时，氯离子扩散系数降低了18.5%，90d收缩率降低了17.3%。

3.5最优施工配合比的确定从正交试验极差分析结果及各个影响因素的分析中得出泵送低收缩混杂纤维混凝土的配合比最优组合条件为A3B3C2D3E3F4，混凝土最优配合比及实测力学、耐久性能指标见表9、表10。表9施工配合比kg/m3表10混凝土实测各项性能指标

结论

本文对不同掺量的钢纤维和聚丙烯纤维对C50高性能混杂纤维混凝土的影响进行正交试验研究，对不同纤维掺量混凝土的坍落度、28d抗压及抗折强度、28d轴向拉伸强度、抗渗及氯离子扩散系数、90d收缩率进行了测试，得出以下结论：（1）混凝土中混杂纤维掺量较大时坍落度会降低，但混凝土粘聚性得到提高。通过合理的配合比设计,混杂纤维混凝土可以达到泵送要求。（2）随低弹性模量聚丙烯纤维掺量的增加，相当于增加了混凝土的缺陷，导致抗压强度有所下降；而钢纤维掺量的提高难以均匀分布，造成混凝土的空隙有所增加影响了强度的进一步增长，对混凝土中的抗压强度的影响出现了先增加后降低的趋势随着钢纤维掺量。（3）混凝土中加入混杂纤维后，可以显著增加抗折和轴拉强度。当合成纤维掺量为0.1%时，混凝土28d的抗折和轴拉强度比基准混凝土分别提高10.8%、18.1%；当钢纤维体积掺量为