聚丙烯纖維混凝土的耐磨損及抗沖擊性能研究

[摘　要] 　針對(duì)路面混凝土的性能要求，重點(diǎn)對(duì)聚丙烯纖維混凝土進(jìn)行了耐磨損及抗沖擊試驗(yàn)，討論了摻入聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗沖擊、耐磨損性能的影響，并從多個(gè)方面分析了聚丙烯纖維混凝土磨損試驗(yàn)中的表觀特征，反映出聚丙烯纖維混凝土的抗沖擊、耐磨損性能，為聚丙烯纖維混凝土性能研究提供了參考依據(jù)。

[關(guān)鍵詞] 　聚丙烯纖維混凝土；抗沖擊性能；耐磨損性能

1 　前言

　　道路混凝土的破壞往往是由于長(zhǎng)期經(jīng)受往復(fù)沖擊動(dòng)載及循環(huán)磨損造成的，因此在高速公路、機(jī)場(chǎng)跑道和橋面鋪裝等混凝土材料的應(yīng)用工程中，抗沖擊、耐磨損是混凝土材料很重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)，必須從材料性能上解決在重復(fù)動(dòng)荷載作用下的抗沖擊和耐磨損性能?；炷敛牧系膭?dòng)載疲勞過程是在反復(fù)沖擊荷載的作用下，裂縫誘發(fā)、擴(kuò)展、恢復(fù)這樣不斷循環(huán)的過程，在每一循環(huán)過程中的損傷程度和持續(xù)時(shí)間(壽命)主要取決于混凝土材料的結(jié)構(gòu)特性，即原發(fā)裂縫的尺寸和數(shù)量及在反復(fù)沖擊荷載作用下阻止裂縫擴(kuò)展的能力?；炷恋哪p被解釋為是一個(gè)斷裂過程^[1] ，即表面材料經(jīng)過裂紋形成、擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展直到碎屑脫離基體這一過程，它與材料本身、磨損方式及條件有關(guān)，分為磨粒磨損和疲勞磨損，在混凝土路面上移動(dòng)車輪的沖擊、擠壓，使堅(jiān)硬顆粒產(chǎn)生剪切與梨削作用導(dǎo)致磨粒磨損，而疲勞磨損是由于混凝土表面不斷承受著壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的循環(huán)作用，微裂縫等原發(fā)缺陷則成為磨損時(shí)周期性擾動(dòng)力的疲勞裂紋引發(fā)源，最終引起表層的局部斷裂、細(xì)骨料的脫落而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

聚丙烯纖維強(qiáng)度高，耐酸、堿、鹽等化學(xué)腐蝕，且價(jià)格低廉，施工工藝簡(jiǎn)單，可有效地抑制混凝土的裂縫，改善混凝土的抗?jié)B、抗凍等耐久性能，提高混凝土的抗拉、抗彎強(qiáng)度，近年來在國(guó)內(nèi)外工程界得到廣泛應(yīng)用。然而，對(duì)于聚丙烯纖維混凝土的耐磨損及抗沖擊性能方面的研究，學(xué)術(shù)界尚涉及不多，筆者重點(diǎn)進(jìn)行了聚丙烯纖維混凝土耐磨損及抗沖擊試驗(yàn)，分析了磨損試驗(yàn)過程中聚丙烯纖維混凝土的特征表觀狀況，主要集中研究耐磨損性能與材料參數(shù)之間的相關(guān)性及磨損機(jī)理，分析混凝土強(qiáng)度與其耐磨性之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，探討聚丙烯纖維混凝土抗沖擊、耐磨損性能，可供深入進(jìn)行聚丙烯纖維混凝土性能研究方面參考。

2 　原材料及其配合比

水泥：525號(hào)普通硅酸鹽水泥，集料為中砂，細(xì)度模數(shù)217～312，石子粒徑為1cm～2cm，聚丙烯纖維由上海方大特種纖維有限公司生產(chǎn)^[1]，制作聚丙烯纖維是利用熔融聚丙烯在通過細(xì)小噴絲孔徑時(shí)具有的“附壁”效應(yīng)，改性劑采用分子帶羥基的親水助劑附著在纖維表面，使纖維親水性大大加強(qiáng)，從而有利于增強(qiáng)其與混凝土界面的結(jié)合，纖維2型是在纖維l型基礎(chǔ)上添加特制改性劑，其抗拉強(qiáng)度分別為28512MPa和11918MPa，伸長(zhǎng)率分別為50%和98%，直徑分別為62μm～69μm和32μm～34μm，聚丙烯纖維混凝土試件參照以往優(yōu)化的配合比制作，1型和2型混用時(shí)摻量各占50%。如表1 所示。

　   聚丙烯纖維的彈性模量較低，其斷裂伸長(zhǎng)率大于混凝土的斷裂伸長(zhǎng)率，故纖維的摻入提高了混凝土的延性，改善了混凝土的變形性能，混凝土裂縫擴(kuò)展時(shí)，需要消耗能量來克服纖維對(duì)裂縫的阻止作用，它對(duì)提高混凝土裂后的承載能力起到很大作用，纖維混凝土極限引伸率和彎曲韌性指數(shù)的提高，使其彈性模量降低，混凝土變形性能提高，施工時(shí)便于混凝土平面板的澆筑成型。

3 　抗沖擊性能試驗(yàn)與結(jié)果

采用落錘法進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)方法見圖1。試件尺寸為Φ150mm×64mm ，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天后進(jìn)行試驗(yàn)。沖擊錘210kg，下落高度h=900mm，沖擊錘中線與試件中心線對(duì)齊，測(cè)試時(shí)，沖擊錘自由落下。依據(jù)ACl544委員會(huì)推薦的方法計(jì)算沖擊能量。

W= n·mgh          (1)

式中　W———沖擊能量，N·m；

n———錘擊次數(shù)；

h———沖擊錘下落高度，m；

m———沖擊錘重量，kg；

g———重力加速度，m/s²。

　   試驗(yàn)時(shí)，將2kg重的落錘從900mm高度自由落下，當(dāng)試件出現(xiàn)裂縫時(shí)，記錄沖擊次數(shù)，試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果見表2。

　　測(cè)試結(jié)果表明：聚丙烯纖維的摻入大大提高了混凝土的抗沖擊性能，纖維摻量為016kg/m³時(shí)，抗沖擊能力提高近一倍，纖維摻量為0.9kg/m³時(shí)，混凝土抗沖擊能力提高三倍以上，纖維摻量為112kg/m³時(shí)，混凝土抗沖擊能力開始呈下降趨勢(shì)，可見，對(duì)于聚丙烯纖維混凝土抗沖擊能力的提高存在一個(gè)最佳纖維摻量值。

4 　耐磨損性能試驗(yàn)與分析

4.1 　試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)備

本試驗(yàn)參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《公路工程水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JGJ053-94)中，混凝土抗磨性試驗(yàn)(T0527-94)進(jìn)行聚丙烯纖維混凝土的抗磨損試驗(yàn)。試件尺寸由150mm×150mm×150mm立方體標(biāo)準(zhǔn)試塊，切割成尺寸：150mm×150mm×70mm，按表1配合比每組制作四個(gè)試件，其纖維體積摻量均為0.9kg/m³；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天干燥后測(cè)試。

采用TMS-04型磨損試驗(yàn)機(jī)，磨輪材料為20MnVK鋼，經(jīng)淬火后400℃回火處理，鋼軸轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)/分，最大正應(yīng)力為200kg/cm²。

4.2 　測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)時(shí)刷凈表面浮塵后稱重記下相應(yīng)質(zhì)量m₁，將試件放至耐磨耗試驗(yàn)機(jī)上，用夾具將其緊固，在200N負(fù)荷下磨50轉(zhuǎn)，然后取下試件稱重記下相應(yīng)質(zhì)量m₂。整個(gè)磨損過程應(yīng)使磨下的粉塵及時(shí)吸走，每組花輪刀片只進(jìn)行一組試件磨耗試驗(yàn)，進(jìn)行下一組磨耗時(shí)更換新的花輪刀片。聚丙烯纖維混凝土磨耗量按式(2)計(jì)算，以試件磨損面上單位面積的磨損量作為評(píng)定聚丙烯纖維混凝土耐磨性的相對(duì)指標(biāo)，其結(jié)果見表3。

G=(m1-m2)/0.0125                                     (2)

式中　G———單位面積的磨耗量(kg/m²)；

m₁———試件的原始質(zhì)量；

m₂———試件磨損后的質(zhì)量。

　  由表3試驗(yàn)結(jié)果分析表明：聚丙烯纖維混凝土的抗磨性與纖維的摻量有關(guān)。在一定范圍內(nèi)的聚丙烯纖維摻量越大，則混凝土的抗磨性能越好，磨耗量越低，如A、B兩組1型纖維摻量增加，磨耗量降低；D、C兩組2型纖維摻量增加，磨耗量降低更多，可見加入2型聚丙烯纖維的混凝土其耐磨性更優(yōu)。聚丙烯纖維混凝土耐磨機(jī)理分析^[2]：聚丙烯纖維混凝土除了組成材料水泥漿體和粗細(xì)骨料對(duì)耐磨性的貢獻(xiàn)外，纖維的阻裂效應(yīng)，使混凝土在磨損過程中始終保持其整體性，纖維的連結(jié)作用又使骨料之間不致于破損，保證了聚丙烯纖維混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，而材料的整體性直接增強(qiáng)了其抵抗微切削磨損破壞的能力，因此聚丙烯纖維摻入混凝土中，對(duì)于提高混凝土本身的耐磨性有很大幫助。

4.3 　齡期和纖維摻量對(duì)材料耐磨性能的影響

在試件養(yǎng)護(hù)期間分別取不同齡期以及不同纖維摻量的試塊，進(jìn)行耐磨性能對(duì)比試驗(yàn)。圖2表示不同試樣磨損量與磨損時(shí)間的關(guān)系曲線^[1]，其中曲線A齡期為7天，曲線A’齡期為28天；曲線B齡期為7天，曲線B’齡期為28天(摻量均為0.6kg/m³，纖維為1型) ；而曲線C纖維摻量為0.6kg/m³，曲線D纖維摻量為0.9kg/m³(齡期均為28天，纖維為2 型)。比較曲線A與A’和B與B’，由此可以看到：齡期對(duì)纖維增強(qiáng)混凝土材料抗磨損性能都有明顯影響，齡期長(zhǎng)的試樣磨損量都明顯小于齡期短的試樣，可見齡期增長(zhǎng)的同時(shí)混凝土強(qiáng)度增加，其抗磨能力也就相應(yīng)提高。

從C和D兩曲線還可看到，聚丙烯纖維混凝土在相同磨損時(shí)間下，纖維摻量多的試塊磨損量均比纖維摻量少的試塊小，且纖維摻量增加(比較曲線C和D)磨損量逐漸下降，其減小量在20%到40%之間，這說明聚丙烯纖維的加入顯著地增加了材料的耐磨損性能。通過對(duì)聚丙烯纖維作表面改性處理的2型，顯著改善了纖維與水泥基體的粘結(jié)力，試驗(yàn)結(jié)果表明改性聚丙烯纖維與混凝土基體有更強(qiáng)的界面粘結(jié)作用，使聚丙烯纖維混凝土的耐磨損性能又有提高。

4.4 　磨損表面的形態(tài)學(xué)分析

用高倍顯微放大鏡及400萬象素?cái)?shù)碼相機(jī)，觀測(cè)和拍照聚丙烯纖維混凝土磨損過程，可以發(fā)現(xiàn)：普通混凝土在磨損試驗(yàn)過程中常常出現(xiàn)整塊水泥剝落，隨后出現(xiàn)裂縫，迅速導(dǎo)致整體破碎，試塊不能繼續(xù)承受磨損載荷，磨損中整塊水泥基體剝落而留下大空洞。從圖3和圖4的照片中可以看出^[3]，對(duì)于聚丙烯纖維混凝土而言，隨著磨損試驗(yàn)的繼續(xù)，基體發(fā)生裂縫時(shí)，常見有纖維橋架裂縫，這種橋架作用一方面阻礙裂縫的繼續(xù)發(fā)展，另一方面纖維也能承受部分載荷，增大了基體材料的延性，從而緩解了混凝土材料的破壞程度。隨后出現(xiàn)的現(xiàn)象是部分水泥基體從試塊中分離，然而纖維的牽制作用能使其繼續(xù)停留在試塊表面，承擔(dān)摩擦荷載。

5 　結(jié)語

　　混凝土的強(qiáng)度是決定其耐磨性的主要因素，這從聚丙烯纖維混凝土不同齡期所表現(xiàn)出不同強(qiáng)度的耐磨狀況可以看出，本研究所用表面改性的2型聚丙烯纖維性能較好，它與水泥基體有較強(qiáng)粘結(jié)力，磨損過程中纖維從水泥基體中脫離需要消耗足夠的能量，從而提高了混凝土材料的耐磨損性能及抗沖擊性能?？傊?/SPAN>，聚丙烯纖維的摻入使混凝土取得顯著的增韌和阻裂效應(yīng)，纖維不僅抑制了混凝土裂縫的引發(fā)和擴(kuò)展，而且保證了混凝土基體內(nèi)部的連續(xù)性和整體性，使得聚丙烯纖維混凝土即抗沖擊破壞又具有良好的耐磨損性能。

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[2]秦鴻根，孫偉. 鋼纖維混凝土耐磨特性及機(jī)理分析[J]. 混凝土與水泥制品，1993， (4)：10-13.

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作者；

(1. 東華大學(xué)纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上?！?/SPAN>200051 ；　2. 上海理工大學(xué)城建與環(huán)境學(xué)院，上海  200093)