CN105585294B - 一种混杂纤维高抗裂高韧性机场道面混凝土及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种混杂纤维高抗裂高韧性机场道面混凝土及制备方法，属于混凝土技术领域。其原料组分包括普通硅酸盐水泥、水、砂、石子、聚乙烯醇纤维、粗聚烯烃纤维、减水剂。制备时，先将石子、砂、水泥、粗聚烯烃纤维倒入搅拌均匀，再将减水剂和水的混合液倒入搅拌机里，待拌合物由颗粒状转变为胶体状态时，掺入聚乙烯醇纤维进行搅拌，待纤维分散均匀后进行试块浇筑和养护。本发明可以显著改善水泥混凝土抗裂性和韧性，提高我国民航机场道面耐久性，有利于全面提升机场道面结构质量，延长使用寿命，为国家节省大量的维修与重建费用。

Description

一种混杂纤维高抗裂高韧性机场道面混凝土及制备方法

技术领域

本发明涉及一种混杂纤维高抗裂高韧性机场道面混凝土及制备方法，属于混凝土技术领域，用于改善我国民航机场道面的耐久性能差、服役寿命短等问题。

背景技术

为了保证飞行安全和正常使用，机场道面不仅应具有足够的承载能力，而且还应有良好的气候稳定性、抗冲击性、韧性、抗收缩性、抗裂性、疲劳等性能。目前我国大部分水泥混凝土机场道面都无法达到30年的设计年限，平均寿命一般为15年到20年，有的甚至新建后2到3年就出现道面破坏。道面早期角隅断裂、断板、掉边掉角等现象导致产生大量FOD损坏。传统水泥混凝土机场道面的弯拉强度和抗疲劳性能较低，且是种脆性材料，断裂时的拉伸变形小，易产生裂缝，抗裂性和抗冲击韧性较差，同时还存在抗剥落、抗破碎和耐磨性能较低等缺点。钢纤维混凝土机场道面中的钢纤维用量较大，一般掺量为60～100kg/m³，道面造价高，施工时又不宜拌合，如果采用的工序不当，钢纤维还可能产生结团现象，若道面面层表面处置不好，钢纤维裸露表面，易发生钢纤维的锈蚀，锈蚀后影响道面的表观，裸露表面的钢纤维有可能扎损轮胎，因而影响钢纤维混凝土机场道面的推广应用。

HFRC(Hybrid Fiber Reinforced Concrete)，是指在混凝土基体中加入两种或两种以上的不同纤维或不同几何特性的同种纤维组合成的纤维混凝土。纤维的加入可以明显的达到一定的增韧增强效果，然而单掺一种纤维往往只能主要改善某一种性能，具有一定的局限性，混杂纤维可以利用多种纤维的各个特性全方位多角度的改善混凝土的力学性能。

如果在混凝土基体中加入粗聚烯烃纤维和高弹模细聚乙烯醇纤维将显著改善水泥混凝土道面耐久性，提高机场道面的使用寿命。粗聚烯烃纤维强度高、韧性好，生产原料来源广、制备简单、价格较低、应用广泛。粗聚烯烃纤维直径较大、表面为异变形且粗糙，与基体之间接触面积大，机械锚固力强、纤维在与基体滑移的过程中显著改善基体的韧性和耗能能力。但粗聚烯烃纤维对微观、细微裂纹的阻裂效果较小，只是在微裂缝发展成宏观裂缝后才发挥重要作用。高弹模细聚乙烯醇纤维其强度高，表面有羟基具有亲水性，与水泥、砂和石子等组成的基体结合较为紧密，其早期抑制微观裂缝的产生和发展效果非常明显，且该纤维耐磨、抗酸碱性能优越。因此，基体中加入高弹模细聚乙烯醇纤维，其在基体中可以延缓微细裂缝的萌生和扩展。因此以上两种纤维可以相互补充、优势互补，实现在不同尺度、不同层次的增韧和增强，以充分发挥各自的特性和优势，最终达到良好的混合增韧效果，改善混凝土的抗裂性和抗弯韧性，提高机场道面耐久性能。

发明内容

针对我国民航机场道面水泥混凝土的问题现状，本发明旨在提出一种混杂纤维高抗裂高韧性机场道面混凝土来提高机场道面的耐久性能，延长道面在恶劣环境作用下的服役寿命，综合提高机场道面运行安全，为国家节省大量的维修与重建费用。高性能纤维目前仅在大坍落度的高流动性混凝土材料中应用，但机场道面混凝土属于干硬性混凝土，这点对纤维的分散性带来了一定的不利影响。因此，经发明人研究发现通过控制纤维用量、纤维掺入的顺序，以及高效聚羧酸减水剂的用量等可有效改善纤维分散性不好的问题。粗聚烯烃纤维和细聚乙烯醇纤维等高性能纤维的物理力学性能优越，充分利用两种纤维各自的特点实现不同几何尺度、不同纤维种类的正混杂效应，改善机场道面混凝土的抗裂性和韧性，提高机场道面的耐久性能。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种混杂纤维高抗裂高韧性机场道面混凝土，其特征在于：其原料组分包括普通硅酸盐水泥、砂、石子、聚乙烯醇纤维、粗聚烯烃纤维、水、减水剂，普通硅酸盐水泥占混凝土总重量的16.3％～18.4％，砂占混凝土总重量的24.7％～26.1％，石子占混凝土总重量的48.0％～50.7％，水灰比为0.36～0.40，聚乙烯醇纤维长度8～14mm、直径10～14μm，粗聚烯烃纤维长度35～45mm、直径0.9～1.2mm，纤维掺量按占混凝土总体积的百分比计算，聚乙烯醇纤维、粗聚烯烃纤维分别占混凝土总体积百分比为0.2％～0.6％、0.7％～1.1％，减水剂有效固体掺量为普通硅酸盐水泥质量的0.12％～0.16％。

所述的普通硅酸盐水泥等级PO·42.5。

所述砂的颗粒级配为2级配区，细度模数为2.4～2.8，满足《民用机场水泥混凝土道面设计规范》要求。

所述石子采用合成级配碎石，包括三种粒径范围分别为(5～10)mm、(10～20)mm、(20～31.5)mm，上述的(5～10)mm指的是大于等于5mm小于10mm，(10～20)mm指的是大于等于10mm小于20mm，(20～31.5)mm指的是大于等于20mm小于等于31.5mm，石子粒径由小到大优选质量比例为3∶9∶8。

所述的水应符合《混凝土用水标准》JGJ 63-06的规定。

所述的一种混杂纤维高抗裂高韧性机场道面混凝土坍落度满足《民用机场水泥混凝土道面设计规范》，为干硬性混凝土，其坍落度控制小于20mm。

所用减水剂优选为聚羧酸类高效减水剂，聚羧酸类高效减水剂中的水折合到上述水的用量中。

一种混杂纤维高抗裂高韧性机场道面混凝土的制备方法，制作步骤包括如下：

搅拌：先将石子、砂、水泥、粗聚烯烃纤维倒入搅拌机，搅拌50～60秒，均匀后，将减水剂和水的混合液体倒入搅拌机里，倒入过程控制在40～50秒；待拌合物由颗粒状转变为胶体状态时，均匀掺入聚乙烯醇纤维进行搅拌，搅拌1～2分钟待纤维分散均匀后进行试块浇筑。

成型：试件成型时分2层浇注，第一层浇注完毕后放在振动台上振动30～40秒后进行另一层浇注，振动完成后将表面抹平，表面覆盖一层薄膜防止水分蒸发，24小时后拆模，自然养护至试验要求龄期。

本发明的有益效果如下：

该混杂纤维机场道面混凝土，除具有一般水泥机场道面混凝土的高强度，同时通过聚乙烯醇纤维和粗聚烯烃纤维的混掺延缓混凝土微观裂缝的萌生合并和阻碍宏观裂缝的扩展，降低峰值荷载后荷载下降速率，增大结构挠度。从而显著增大混凝土的弯曲韧性、冲击性能、抗裂性能等。两种纤维在基体中均匀乱向分布，协同作用良好，发挥各自优势，最终实现该混杂纤维机场道面混凝土高抗裂、高韧性的品质，提高了机场道面的耐久性能，增加飞机起飞的安全可靠度，延长机场道面的使用寿命，从而减少现有机场道面过早损坏而带来的大量维修费，该效益利国利民。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

表1 实施例配合比

对于表1中所用的材料进行详细说明：

所用的普通硅酸盐水泥等级为PO.42.5。

所述砂采用建筑用砂，颗粒级配为2级配区，细度模数为2.7。

所用的水符合《混凝土用水标准》JGJ 63-06的规定，表1中水的质量为去减水剂中所含水后的水的质量。

所述石子为石灰岩碎石，采用合成级配，包括三种粒径范围分别为(5～10)mm、(10～20)mm、(20～31.5)mm，石子粒径由小到大优选质量比例为3:9:8。

所用的粗聚乙烯醇纤维直径1mm，长度38mm，密度0.91×10³kg/m³。

所用的细聚乙烯纤维直径为12μm，长度为12mm；密度1.3×10³kg/m³。

所用的减水剂为奥特莱斯高效聚羧酸类减水剂。

其制作过程如下：

按实施例中的掺量将石子、砂、水泥、粗聚烯烃纤维倒入搅拌机，搅拌50秒，均匀后，将减水剂和水的混合液体倒入搅拌机里，倒入过程控制在40秒左右，待拌合物由颗粒状转变为胶体状态时，均匀掺入聚乙烯醇纤维进行搅拌，搅拌2分钟待纤维分散均匀后进行试块浇筑。浇筑好的试块表面覆盖一层薄膜防止水分蒸发，24小时后拆模，自然养护28天。

用试验编号1～6每组均制备3个150mm×150mm×550mm试件，采用微机控制电子万能试验机进行了抗折强度试验，采用《普通混凝土力学性能试验》规定计算方法，抗折强度f_t(MPa)按下式计算，试验结果见表2。

其中F为破坏荷载，l为支座间跨度，b为试件宽度，h为试件高度。

用试验编号1～6每组均制备3个100mm×100mm×400mm试件，采用微机控制电子万能试验机进行了弯曲韧性试验，采用ASTM C1018标准，弯曲韧性指数I₅,I₁₀,I₂₀评价弯曲韧性。计算公式如下，试验结果见表3。

式中，δ为初裂点对应的跨中挠度，Ω_δ，Ω_3.0δ，Ω_5.5δ和Ω_10.5δ分别为跨中挠度δ，3.0δ，5.5δ，10.5δ时荷载-挠度曲线下的面积。

用试验编号1～6每组均制备3个100mm×100mm×400mm试件，采用连有wave-book512动态应变仪的自由落锤抗弯冲击装置进行抗弯冲击试验，得到的初裂冲击次数N_c(平均值)和破坏冲击次数N_f(平均值)，试验结果见表4。

表2 抗折强度值(单位：MPa)

表3 弯曲韧性指标值

表4 抗弯冲击次数(单位：次)

试验结果分析：

机场干硬性混凝土道面以抗折强度值为首要设计依据，由上述表2可以发现，实施例抗折强度值均满足《民用机场飞行区水泥混凝土道面面层施工技术规范MH5006-2002》要求。试验编号2、3、4、5、6对比试验编号1表明掺入一定量的聚乙烯醇纤维和粗聚烯烃纤维对抗折强度有提高作用。试验编号4对比试验编号2、3、5、6表明聚乙烯醇纤维和粗聚烯烃纤维混掺对混凝土抗折强度的增强作用更好。除此之外，试件的破坏模式也不相同，试验编号1(素混凝土试件)达到破坏荷载时，直接在中间跨度附近断裂成2半；试验编号2、5(单掺聚乙烯醇纤维)和试验编号3、6(单掺粗聚烯烃纤维)破坏时中间跨度处出现大裂缝；试验编号4(混杂纤维)在达到峰值荷载后，试件表面并未见宏观可见裂缝，再次加载仍然能达到60％的峰值荷载，表面裂缝宽度很小。综上可知，不论是抗折强度还是破坏形态，混杂纤维混凝土性能都表现出了明显的优越性。

由上述表3数据可以发现，试验编号2和3单掺聚乙烯醇和粗聚烯烃任意一种均能起到一定的增韧作用。试验编号4对比试验编号2和3表明，两种纤维混掺的增韧效果要明显优于任何一种单掺情况，其韧性指数I₅比单掺聚乙烯醇纤维和粗聚烯烃纤维分别提高28.6％、140％，韧性指数I₁₀比单掺聚乙烯醇纤维和粗聚烯烃纤维分别提高50.0％、80.9％，韧性指数I₂₀比单掺聚乙烯醇纤维和粗聚烯烃纤维分别提高43.8％，60.0％。试验编号4对比试验编号5和6可以发现，在纤维同体积率掺入时，混掺比单掺的增韧效果更好。试验编号4对比试验编号5和6韧性指数I₅分别提高71.4％、33.3％，I₁₀分别提高78.3％、26.8％，I₂₀分别提高50.8％、20.26％。试件试验过程中，在到达峰值荷载时，素混凝土试件直接脆断，单掺纤维混凝土试件大裂缝破坏，但是混杂纤维试件依然保持着很好的整体性，裂缝宽度很小，达到峰值荷载后，荷载下降缓慢，抗弯变形能力大。综上可知，混杂纤维混凝土中聚乙烯醇纤维和粗聚烯烃纤维特性得到了充分协同作用，实现了良好的增韧作用和抗裂效果。I₅

由表4数据可以看出，试验编号2和3单掺聚乙烯醇纤维和粗聚烯烃纤维中的任意一种都能够提高抗弯冲击性能。试验编号4对比试验编号2、3表明，两种纤维混掺比单掺任意一种的冲击性能都好，其初裂冲击次数N_c比单掺聚乙烯醇和粗聚烯烃纤维分别提高46％、78％，破坏冲击次数N_f比单掺聚乙烯醇和粗聚烯烃纤维分别提高113％、88％。试验编号4对比试验编号5、6可以发现，在纤维同体积率掺入时，混掺比单掺的冲击性能更好，其初裂冲击次数N_c比单掺聚乙烯醇和粗聚烯烃纤维分别提高31％、67％。破坏冲击次数N_f比单掺聚乙烯醇和粗聚烯烃纤维分别提高83％、75％。试验过程中，试验编号1的N_c和N_f相等，说明素混凝土的裂缝一出现试件就出现破坏，且破坏彻底。单掺纤维混凝土受冲击破坏时，梁底裂缝沿侧面向上较快发展，下端裂缝较宽。两种纤维混掺时混凝土受冲击破坏，梁底出现微裂缝，之后发展缓慢，侧面裂纹至顶部时，底部裂缝很窄，抗裂效果好。综上可知，相比单掺聚乙烯醇纤维和粗聚烯烃纤维中的任意一种，混杂纤维的混凝土抗冲击性能和抗裂性能都得到非常明显的改善和提高。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种混杂纤维高抗裂高韧性机场道面混凝土，其特征在于：其原料组分包括普通硅酸盐水泥、砂、石子、聚乙烯醇纤维、粗聚烯烃纤维、水、减水剂，其中普通硅酸盐水泥占混凝土总重量的16.3％～18.4％，砂占混凝土总重量的24.7％～26.1％，石子占混凝土总重量的48.0％～50.7％，水灰比为0.36～0.40，聚乙烯醇纤维长度8～14mm、直径10～14μm，粗聚烯烃纤维长度35～45mm、直径0.9～1.2mm，纤维掺量按占混凝土总体积的百分比计算，聚乙烯醇纤维、粗聚烯烃纤维分别占混凝土总体积百分比为0.2％～0.6％、0.7％～1.1％，减水剂有效固体掺量为普通硅酸盐水泥质量的0.12％～0.16％；所述石子采用合成级配碎石，包括三种粒径范围分别为(5～10)mm、(10～20)mm、(20～31.5)mm，石子粒径由小到大质量比例为3:9:8。

2.按照权利要求1的一种混杂纤维高抗裂高韧性机场道面混凝土，其特征在于：所述普通硅酸盐水泥等级PO·42.5。

3.按照权利要求1的一种混杂纤维高抗裂高韧性机场道面混凝土，其特征在于：所述砂的颗粒级配为2级配区，细度模数为2.4～2.8。

4.按照权利要求1的一种混杂纤维高抗裂高韧性机场道面混凝土，其特征在于：所用减水剂为聚羧酸类高效减水剂。

5.按照权利要求1的一种混杂纤维高抗裂高韧性机场道面混凝土，其特征在于：所述混凝土为干硬性混凝土，其坍落度控制小于20mm。

6.制备权利要求1-5任一项所述的一种混杂纤维高抗裂高韧性机场道面混凝土的方法，其特征在于：步骤包括如下：

搅拌：先将石子、砂、水泥、粗聚烯烃纤维倒入搅拌机，搅拌50～60秒，均匀后，将减水剂和水的混合液体倒入搅拌机里，倒入过程控制在40～50秒，待拌合物由颗粒状转变为胶体状态时，均匀掺入聚乙烯醇纤维进行搅拌，搅拌1～2分钟待纤维分散均匀后进行试块浇筑；

成型：试件成型时分2层浇注，第一层浇注完毕后放在振动台上振动30～40秒后进行另一层浇注，振动完成后将表面抹平，表面覆盖一层薄膜防止水分蒸发，24小时后拆模，自然养护至试验要求龄期。