水泥混凝土路面的结构破坏形式主要表现为裂缝、断板、断角，除了基层支撑条件外，这些破坏还与混凝土材料自身的特性有关。普通混凝土是一种刚度很大的脆性材料，其抗压强度很高，而抗拉、弯拉强度较低，弹性模量很大，脆性系数大，对各种变形的容限很小，极易产生裂缝^{[1, 2, 3, 4, 5]}，达到极限抗拉强度时很快发生混凝土路面薄板结构开裂,开裂后路面结构丧失了其结构整体性,裂缝的贯穿服从断裂力学而不服从连续介质力学，裂纹尖端的应力无穷大，贯穿过程极快，从而造成混凝土路面结构的断板、断角破坏^{[6, 7, 8, 9]}。另外，因施工质量或环境影响水泥混凝土路表面损害形式主要表现为网裂起皮、磨损露骨、坑槽、孔洞、纹裂、磨光等^{[10, 11]}。

在混凝土中掺加纤维是混凝土改性的重要措施之一，纤维的掺入对于硬化混凝土的力学性能有所改善：提高了素混凝土的抗拉强度与弯拉强度；改进了其韧性，降低了脆性，路用品质有显著的改善。具体表现在：纤维混凝土(Fiber Reinforced Concrete，FRC)初裂，达到峰值荷载后，并不是很快发生脆断，而是能够通过裂缝中纤维承载与开裂变形，使其抵抗变形破坏的能力大为增强,裂而不离，离而不开，使有裂缝的路面能继续承担荷载运行，待到一定程度时，试件才发生断离破坏，因此能有效防止和延缓结构的突然性破坏^[12]。

耐磨耗性是水泥混凝土路面的主要耐久性指标之一。然而在现行的路面设计控制指标中只有强度指标，对路面的耐磨性并未作具体的要求，这直接导致了对水泥混凝土路面耐磨性的研究甚少。水泥混凝土的磨损是一个复杂的物理力学过程，除本身材料的性能以外，还与磨损方式及环境条件密切相关。总体说来，混凝土的磨损可以理解为接触表面处材料被逐渐移失的过程。在工程上，水泥混凝土路面的主要磨损形式有黏着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损和侵蚀磨损4种类型^[13]。笔者主要从水泥混凝土路面的黏着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损的耐磨耗性方面考虑，研究添加不同掺量纤维和不同取代量粉煤灰配合比设计对路面水泥混凝土耐磨耗性的影响。

本研究通过试验获得不同掺量PE纤维和不同取代量粉煤灰试件的弯拉强度、荷载-挠度试验曲线、磨耗深度，计算得到不同配合比试件的韧度指数、裂后强度，并分析了韧度指数和裂后强度、纤维掺量、粉煤灰掺量等参数对混凝土韧性和耐磨耗性的影响。

按照规范中规定的交通等级路面水泥强度指标要求，本试验采用P·Ⅱ42.5级水泥，水泥物理力学性能指标，如表 1所示。

试验用细骨料为山砂，密度为2.62 g/cm³，细度模数为2.41。粗骨料为石灰岩碎石，其有关技术指标见表 2。

试验用聚丙烯纤维性能指标见表 3。聚丙烯纤维外观，如图 1所示。

图 1 聚丙烯短纤维外观 Fig. 1 Polypropylene short fibers

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试验用粉煤灰为内蒙古某燃煤发电厂生产。用矿物元素组成分析仪器(SEA2010)测定了粉煤灰无机元素组成，表 4为影响混凝土性质主要成分的检测结果。依据GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》，试验用粉煤灰品质是按物理性质属于Ⅰ级。

试验采用20 ℃饮用水。减水剂采用聚羧酸系高性能减水剂。

表 5为混凝土配合比。目标坍落度(2.5±1)cm，水胶比45%，目标空气量4%，一定的单位粗骨料容积作为配合条件。粗骨料量一定的条件下获得目标坍落度，因此各配合比当中的细骨料含量不同。试验试件采用粉煤灰等量取代水泥用量的0，30%，50%以及不同掺量聚丙烯短纤维(参照标准掺入量：纤维体积分数分别为0，0.5%，1.0%)粉煤灰混凝土。按照不同纤维掺量和不同粉煤灰水泥质量取代量组成表 5所示的9种试件编号。试件成型后在室内20 ℃静置1 d，然后拆模编号，放在20 ℃恒温水槽中养生。抗折强度和耐磨耗试验开始龄期为28 d。

无掺纤维的水泥混凝土试件制作方法依据T 0551—2205《水泥混凝土试件制作与硬化水泥混凝土现场取样方法》，掺纤维的水泥混凝土试件制作方法在目前国内尚未专门的技术标准，因此本试验中参考了JCI-SF2《纤维增强混凝土抗折强度与抗弯韧性试验试件制作方法》。搅拌采用单轴强制型(容量70 L)试验机，图 2为添加顺序及搅拌时间。

图 2 拌和过程 Fig. 2 Mixing procedure

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试件的韧性试验依据ASTM C1018-1997的试验方法^[14]。本文采用50 t伺服试验机，按照行程控制试验机压头行走速度为0.05～0.1 mm/min，在压力机荷载达到10 kN之前采用0.1 mm/min的行走速度，在达到10 kN之后直至试件破坏采用0.05 mm/min的行走速度，加载时间为60～120 min。采用400 mm ×100 mm×100 mm小梁试件，及三点弯拉试验形式。

试验数据由压力和位移传感器同步采集，根据采集的数据自动绘制出各类配合比混凝土试件的荷载-挠度全曲线。

磨耗试验方法，根据ASTM C/779/C《混凝土水平表面的耐磨耗方法》试制的BBM试验机进行磨耗测试^[15]。耐磨耗试件各组3个，其尺寸为250 mm×250 mm×50 mm。磨耗机的磨耗材(钢球×3)直径200 mm，载荷力115 N，转速90 r/min，磨耗时间为20 min。每5 min在磨耗轨迹上取4点测定深度，平均值为磨耗深度。BBM磨耗机试验机构造，如图 3所示。

图 3 磨耗试验机构造(BBM)(单位:cm) Fig. 3 Structure of test machine for abrasion resistance (BBM)(unit:cm)

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路面水泥混凝土力学性能主要以抗折强度为控制指标。试件抗折强度试验结果见图 4。不同掺量聚丙烯短纤维对粉煤灰混凝土试件有不同的增强效果。本试验范围之内抗折强度随着纤维体积掺量的提高而增强(0＜0.5%＜1.0%)。由图所知，试件FTFO的强度增强效果最好，其原因可能在于最优复合化的水泥基添加适度纤维后的超叠加效应，可用公式1+23表示^[16]。FFFO(4.8 N/mm²)也能满足公路混凝土的最低抗折强度(4.0 N/mm²设计要求)。

图 4 不同混凝土配合比的抗折强度 Fig. 4 Flexure strengths of concrete with different mix proportions

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图 5、图 6分别为试件荷载-挠度全曲线和裂后强度法计算混凝土韧性的简图。从图 5可以看出，纤维体积掺量V_f=0时的试件曲线在峰值后随微细裂缝的出现，荷载下降急速达到彻底破坏为止。V_f=0.5%时的试件曲线在峰值后出现微细裂缝的同时，荷载缓慢低下，到峰值荷载的25%前后能起到纤维的架桥作用。V_f=1.0%时纤维的架桥作用更为显著，曲线在峰值后出现微细裂缝的同时载荷缓慢低下，到峰值荷载的40%～50%时能起到纤维的架桥作用直到被破坏为止。因此，聚丙烯纤维改善抗折韧性起到很大的增韧效应。

图 5 试件荷载-挠度曲线 Fig. 5 Load-deflection curves of specimens

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图 6 裂后强度法计算混凝土韧性的计算简图 Fig. 6 Calculation diagram of concrete toughness by post-crack strength method

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关于纤维混凝土弯曲韧性试验用式(1)和N.Banthia^[17]提出的式(2)裂后强度法来分析聚丙烯纤维掺加量对韧性的影响。裂后强度法不必确定初裂点，而且合理地解决因基体开裂造成的荷载-挠度曲线的不稳定变化，能表达不同试件在峰值荷载以后吸收能量能力、韧性大小的差异。图 7、图 8分别表示各试件弯韧度指数与纤维掺量，裂后强度与纤维掺量的关系。从图 7、图 8可以看出，纤维掺量对弯韧度指数和裂后强度的影响有相同的倾向(FZFO>FTFO>FFFO>FZFH>FTFH>FFFH>FZFZ>FTFZ>FFFZ)，大幅度提高了各试件强度和指数值。受影响最小的FFFO(粉煤灰取代量：50%，纤维体积掺量：V_f＝1.0%)也比FFFZ(粉煤灰取代量：50%，纤维体积掺量：V_f＝0)提高了1.8倍。荷载-挠度试验图，如图 9所示。

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图 7 试件弯韧度指数 Fig. 7 Bending toughness index of concrete specimen

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图 8 试件裂后强度 Fig. 8 Post-crack strength of concrete specimen

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图 9 荷载-挠度试验 Fig. 9 Load-deflection test

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不同的磨耗试验机和磨耗对象会有不同的磨耗机理^[18]。 图 10、图 11为各组试件磨耗深度和磨耗试验后的试件表面情况。如图 10所示，钢球滚动磨耗随着纤维掺量的提高而增强磨耗抵抗性能，与纤维掺量有二次函数的非线性关系。在同等粉煤灰掺量的3组试件中，耐磨耗性随纤维量的增加有显著提高的趋势，在同等纤维体积掺量(V_f＝1.0%)3种试件磨耗深度值没有显著差值，这说明聚丙烯纤维明显改善了粉煤灰混凝土耐磨耗性。其主要原因在于纤维的阻裂效应,使混凝土在磨损过程中始终保持其整体性,纤维的连结作用又使骨料之间不致于破损,聚丙烯纤维与混凝土基体有更强的界面黏结作用,保证了聚丙烯纤维混凝土内部结构的连续性，而材料的整体性直接增强了其抵抗磨损破坏的能力,因此聚丙烯纤维掺入混凝土中,对于提高混凝土本身的耐磨性有很大帮助。

图 10 试件磨耗深度 Fig. 10 Abrasion depth of specimen

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图 11 磨耗试验后试件表面 Fig. 11 Specimen surface after abrasion test

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根据文献^[19]粉煤灰在水泥混凝土中起到微粉充填作用，微粉填充水泥水化物的空隙，降低混凝土的空隙率；粉煤灰的火山灰活性作用，使水泥发生二次水化反应消耗部分Ca(OH)₂,低碱水化硅酸钙胶凝增加，同时减少水泥石与骨料界面过渡区的厚度及Ca(OH)₂富集和排列的程度。但从本次磨耗试验结果(图 10)中可以看出粉煤灰掺量不同的3组(FZFZ、FTFZ、FFFZ)试件的抗磨耗性随粉煤灰掺量的增大而减弱。主要原因在于粉煤灰掺量越高混凝土早期(28 d)强度比基准混凝土明显减弱，影响了混凝土的磨耗抵抗性能。因此在早期粉煤灰掺量对混凝土的耐磨耗性影响较大，当掺量(Ⅰ级灰)30%时和纤维的复合效应与基准混凝土的磨耗抵抗性非常接近。从图 11可见，磨耗面中纤维构成浆体中的骨架连接，增强了结构的连续整体性。

(1)同时掺粉煤灰(质量取代量50%)和聚丙烯纤维(体积掺量1.0%)的水泥混凝土28 d强度能满足公路混凝土的最低抗折强度(4.0 N/mm²设计要求)。

(2)聚丙烯纤维对高掺粉煤灰混凝土抗折强度和增韧效应有显著提高。弯韧度指数FFFO(粉煤灰取代量：50%,纤维体积掺量：V_f＝1.0%)比FFFZ(粉煤灰取代量：50%,纤维体积掺量：V_f＝0)提高了1.8倍。

(3)纤维掺量对弯韧度指数和裂后强度的影响有相同的倾向。

(4)磨耗抵抗性随纤维掺量的增多而增强，与纤维掺量成二次函数的非线性关系。本试验范围之内在同等粉煤灰掺量时的试件耐磨耗性随纤维量的增加有显著提高趋势。

(5)因掺粉煤灰混凝土早期强度较弱，影响了混凝土的磨耗抵抗性能。但掺量(Ⅰ级灰)30%时和纤维的复合效应与基准混凝土的磨耗抵抗性能非常接近。