摘 要:通过室内试验,研究分析了水灰比和纤维掺量两个主要因素对聚丙烯腈纤维混凝土抗折强度的影响规律,进而提出了聚丙烯腈纤维混凝土路面优化的配合比设计。在优化配合比研究的基础上,进行了试验路段施工建设,总结了施工程序及注意事项。
关键词: 道路工程 聚丙烯纤维混凝土 配合比 施工程序
中图分类号: TU5281572 文献标识码:A 文章编号: 1004 - 6135 (2007) 05 - 0047 - 03
1 概 述
聚丙烯腈纤维混凝土路面是一种新型的路面结构型式,它是在路面混凝土拌合料中掺入一定数量的聚丙烯腈纤维而形成的。已有研究表明[ 1 - 4 ] ,掺入聚丙烯腈纤维,改善了混凝土的抗压、抗拉等基本力学性能,而且明显提高了与混凝土韧性相关的一些性能,如抗折强度、疲劳寿命、抗冲击性能和耐磨性能等。因此,它是一种具有良好发展前景的新型路面结构型式。
作为一种新型的路面结构型式,目前关于聚丙烯腈纤维混凝土路面配合比设计尚无成熟的设计理论。本文针对特重和重交通等级路面,按照现行的《公路水泥混凝土路面施工技术规范》(JTG F30 - 2003) [ 5 ]对混凝土路面材料的要求,采用正交试验设计方法,通过室内试验,研究这种新型路面材料优化的配合比设计;并进行了试验路段施工,总结了这种新型路面的施工工艺及注意事项,供相关工程参考借鉴。
2 室内配合比试验
2. 1 试验材料
本试验采用的原材料如下:
水泥———红狮牌P. O. 42. 5水泥;
粗集料———4. 75～26. 5mm连续级配碎卵石;
细集料———闽江河砂,细度模数为2. 68,级配良好;
水———普通自来水;
纤维———深圳海川公司路威2002 - II型聚丙烯腈纤维,长度为12mm。表1为本试验采用的路威2002 - II型聚丙烯腈纤维材料的主要性能指标。
2. 2 试验方案
本试验以聚丙烯腈纤维混凝土路面材料的抗折强度为评价指标。已有研究表明,影响普通混凝土抗折强度的因素很多,但水灰比是其中最重要的影响因素之一;对聚丙烯腈纤维混凝土,纤维体积率即体积率对纤维混凝土的抗折强度也有很大的影响。因此,本试验仅考虑水灰比和纤维体积率这两个主要因素的影响。试验采用正交试验设计方法;对水灰比影响因素,根据常用的水泥混凝土路面水灰比取值范围,取为0. 37、0. 39、0. 41和0. 43这四个水平;对纤维体积率影响因素,则综合考虑经济性和材料性能,取0%、0. 1%、0. 15%、0.2%这四个水平。试验试件设计如表2所示:
在本试验试件制作时,根据普通水泥混凝土路面工程常用的配合比设计数据,每方聚丙烯腈纤维混凝土粗集料用量取为1290kg,细集料用量取为607kg,用水量取为161kg,根据表2确定水泥用量和纤维用量。对聚丙烯腈纤维混凝土的工作性能,主要通过塌落度进行控制。根据福建省公路路面常用的三辊轴机组施工方式, 本试验将塌落度控制在10 ～30mm。共制作了16组试件,每组6个,试件总数为96个;试件尺寸为100mm ×100mm400mm。
2. 3 试验结果及分析
本试验制作的所有试件,都在标准养护条件下进行养护。按照现行的《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》( JTGE30 - 2005) [ 6 ]相关规定,分别进行7天和28天抗折强度试验,试验结果如表3所列。
根据表3所列的试验结果,绘出了在纤维体积率相同的情况下抗折强度随水灰比参数变化的情况,以及在水灰比相同的情况下抗折强度随纤维体积率参数变化的情况,分别如图1和图2所示。
从表3所列的试验结果以及图1和图2可以发现:
(1)水灰比和纤维体积率是影响聚丙烯腈纤维混凝土抗折强度的两个重要因素。不论是水灰比改变还是纤维体积率改变,都将大幅影响聚丙烯腈纤维混凝土的抗折强度,而且两者对抗折强度的影响是相互耦合的。
(2)相同纤维体积率下, 7天龄期的聚丙烯腈纤维混凝土的抗折强度都随着水灰比的增大而减小,但强度下降速率却不相同,其中,不掺纤维的素混凝土强度下降最快,而掺入聚丙烯腈纤维的混凝土强度下降速率则较为平缓;但是当纤维体积率增大到0. 2%时,强度下降速率又开始增大。28天龄期的聚丙烯腈纤维混凝土的抗折强度随水灰比参数变化的规律与7天龄期的基本相同,但在纤维体积率为0. 2%时,出现了水灰比为0. 43时的抗折强度高于水灰比为0. 41时的抗折强度的情况。
(3)相同水灰比下, 7天和28天龄期的聚丙烯腈纤维混凝土的抗折强度随纤维体积率的变化均表现出相同的规律:即均先随纤维体积率的增大而提高;在纤维体积率达到某个数值———最佳体积率时,抗折强度却随纤维体积率的增大而降低,表现为负增强效应。本试验中,各种水灰比下,聚丙烯腈纤维的最佳体积率均为0. 1%。
(4)对比7天和28天龄期的聚丙烯腈纤维混凝土的抗折强度的关系曲线可以发现, 28天龄期的强度增长率基本上随聚丙烯腈纤维体积率的增大而提高,例如,在水灰比为0.37、纤维体积率分别为0. 1%、0. 15%、0. 2%时, 28天龄期的强度比7天龄期的强度分别增长了8%、16%和13%;在水灰比为0. 43、纤维体积率分别为0. 1%、0. 15%、0. 2%时, 28天龄期的强度比7 天龄期的强度分别增长了11%、12%和24%。
(5)根据本试验结果,综合考虑经济性和材料性能,建议对特重和重交通等级的公路聚丙烯腈纤维混凝土路面,采用表4所列的优化的配合比:
3 试验路段施工
为了验证聚丙烯腈纤维混凝土路面的实际使用性能,分别在国道205线南平段和国道316线福州段进行了试验路建设,试验路长度均为150m,路幅宽度均为10m。国道205线和国道316线均为重交通等级路面,设计弯拉强度5. 0MPa;
设计路面面层采用24cm厚的聚丙烯腈纤维混凝土材料,路面施工采用三辊轴机组施工。
由于聚丙烯腈纤维是一种亲水性的纤维材料,因此,在聚丙烯腈纤维混凝土试验路路面施工时,其施工工艺与普通水泥混凝土路面基本相同。聚丙烯腈纤维混凝土路面的施工步骤如下:
备料和混合料配比设计→测量放样→基层检验和整修→支立模板和安设钢筋→拌和→运输→摊铺→振捣→表面整修→接缝施工→养生→拆模→填嵌缝料。
与普通水泥混凝土路面相比,聚丙烯腈纤维混凝土路面在施工工程中需要特别注意的事项如下:
(1)混凝土拌和
为了便于施工,在施工前应先按计算好的掺量,将聚丙烯晴纤维分包装好,搅拌时,直接整包加入即可,一来可以加快施工速度,同时也可以避免工地上出现称量不准确。施工时要准确称量其它各种原材料,水和水泥误差不超过1% ,集料误差不超过3%。拌和时先将纤维与砂、石、水泥等同时加入强制搅拌机,先干拌30秒,然后加水湿拌90秒,搅拌好后采用与普通混凝土相同方式出料运输。图3所示为拌和后的纤维混凝土,可以发现纤维均匀分布混凝土当中。
(2)混凝土振捣与表面整修
浇筑摊铺时,适当延长20秒振捣时间,更有利于纤维的三维分布。由于掺入聚丙烯腈纤维以后形成三维网结构,混凝土的坍落度有所降低,振捣后与一般混凝土不同,出浆量也会相应减少。抹平时与正常方法相同,不要为追求表面光滑而洒太多的水,也不要抹面次数过多。
(3)压纹和接缝锯割
在现场施工温度及条件相同时,压纹和接缝锯割应比普通水泥混凝土路面滞后约半小时至1小时,待纤维混凝土较硬化时进行,以避免锯割时带出纤维。
4 结论
通过对聚丙烯晴纤维混凝土路面复合材料配合比室内试
验以及试验路段建设,本文得到了以下一些主要结论:(1)对聚丙烯腈纤维混凝土路面,水灰比和纤维体积率是影响其抗折强度的两个重要因素,而且两者对抗折强度的影响是相互耦合的。
(2)对聚丙烯腈纤维混凝土,存在一个最佳纤维体积率。
在实际路面工程应用时,应该根据实际情况进行试配,以确定最佳纤维体积率。
(3)聚丙烯腈纤维混凝土路面的施工与普通水泥混凝土路面施工基本相同,不需要特殊的设备。
参考文献
[ 1 ] 陈拴发. 聚丙烯纤维混凝土弯曲疲劳性能. 西安公路交通大学学报, 2001, 21 (2) : 18～20
[ 2 ] 邓宗才,何唯平,孙成栋. 聚丙烯腈纤维增强水泥混凝土的抗弯性能. 公路, 2004, 2: 129～134
[ 3 ] 王成启,吴科如. 不同弹性模量的纤维对高强混凝土力学性能的影响. 混凝土与水泥制品, 2002, 3: 36～37
[ 4 ] 耿飞,钱春香,王瑞兴. 南京地铁用模筑聚丙烯纤维混凝土力学性能试验研究. 混凝土与水泥制品, 2003, 2: 37～39
[ 5 ] JTG F30 - 2003. 公路水泥混凝土路面施工技术规范. 北京:人民交通出版社, 2003
[ 6 ] JTG E30 - 2005. 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程. 北京:人民交通出版社, 2005
