聚丙烯纖維混凝土的耐磨損及抗沖擊性能研究

[摘　要] 　針對路面混凝土的性能要求，重點(diǎn)對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。混凝土材料的動(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。混凝土的磨損被解釋為是一個(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，近年來在國內(nèi)外工程界得到廣泛應(yīng)用。然而，對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，其斷裂伸長率大于混凝土的斷裂伸長率，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裂縫的阻止作用，它對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齊，測試時(shí)，沖擊錘自由落下。依據(jù)ACl544委員會推薦的方法計(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，可見，對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定聚丙烯纖維混凝土耐磨性的相對指標(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：齡期對纖維增強(qiáng)混凝土材料抗磨損性能都有明顯影響，齡期長的試樣磨損量都明顯小于齡期短的試樣，可見齡期增長的同時(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。總之，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。

[參考文獻(xiàn)]

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作者；

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