玄武巖纖維貧混凝土力學(xué)性能研究

劉朝暉，何春燕，孫瀟瀟，李本鵬

(1.長沙理工大學(xué)，湖南 長沙410076;2.廣東交通實業(yè)投資有限公司，廣東廣州510100)

近年來，隨著重車比例增大和車輛超載現(xiàn)象增多，我國相當(dāng)一部分新建路面發(fā)生了不同程度的早期損壞.在許多重載、超載嚴重路段，路面遠遠達不到應(yīng)有的設(shè)計年限.而高等級公路路面基層設(shè)計是否得當(dāng)，往往對整個路面結(jié)構(gòu)功能的發(fā)揮起著關(guān)鍵作用.在重載交通情況下，基層材料的強度、剛度及水穩(wěn)性應(yīng)較一般交通情況的高，且要有較高的抗疲勞破壞能力.為了應(yīng)對這種基層特性需求，目前我國公路逐漸推廣采用貧混凝土基層.貧混凝土(Lean Concrete，LC)與傳統(tǒng)的水泥穩(wěn)定碎石、二灰碎石等常用半剛性材料相比，具有更高的強度、剛度和整體性，抗沖刷和抗凍性能良好［1］.但是貧混凝土具有一般水泥混凝土的共有特性，在溫度和荷載作用下，容易產(chǎn)生反射裂縫，造成路面結(jié)構(gòu)的早期損壞.

玄武巖纖維(Basalt Fiber，BF)由純天然玄武巖礦石經(jīng)1 450～1 500℃高溫熔融后，通過鉑鍺合金拉絲漏板制成［2］，具有斷裂強度高、彈性模量高、伸長率低、耐高溫(＞880℃)、耐低溫(＜－200℃)、熱傳導(dǎo)系數(shù)低(隔熱)、抗腐蝕、吸濕性低、重量輕等優(yōu)異性能和優(yōu)良的加工性能，屬于一種全新的材料.將短切玄武巖纖維摻配到貧混凝土中，可以有效地延緩或者避免貧混凝土的反射裂縫，由此形成了一種新型混合材料——玄武巖纖維貧混凝土.玄武巖纖維貧混凝土是將玄武巖纖維均勻地分散于貧混凝土中，通過分散的玄武巖纖維減少動態(tài)荷載作用在貧混凝土上引起的應(yīng)力集中，增強貧混凝土材料的抗拉強度和抗裂性，減小溫差變化時結(jié)構(gòu)的收縮變形量，從而減少反射裂縫的產(chǎn)生.

玄武巖纖維瀝青混凝土具有較高的抗拉與抗彎極限強度，目前已經(jīng)在瀝青路面、橋面鋪裝工程中有著成功的運用.但是對于玄武巖纖維貧混凝土基層這種新型基層混合料的研究尚處于初步階段.筆者就玄武巖纖維貧混凝土的力學(xué)性質(zhì)進行了研究.

1 原材料及配合比設(shè)計

1.1 原材料

采用普通硅酸鹽32.5(R)水泥，其細度、稠度、凝固時間和體積安定性等指標均符合國家標準要求.粗集料為5～25 mm粒徑范圍的連續(xù)級配碎石，其壓碎值、針片狀含量及密度均滿足規(guī)范要求.細集料采用當(dāng)?shù)睾由?，含泥量符合?guī)范要求，為中粗砂.外加劑采用TQN聚羧酸高性能緩凝減水劑.短切玄武巖纖維為浙江石金玄武巖纖維有限公司生產(chǎn)的玄武巖短切纖維(BFCS-17-264-20-W)，其各項性能指標見表1.

表1 玄武巖纖維的主要性能指標

1.2 配合比設(shè)計

混凝土配合比設(shè)計的首要任務(wù)是在滿足混凝土工作性、強度、耐久性等技術(shù)要求的前提下，經(jīng)濟合理地確定拌合料各組分的用量比例關(guān)系［3］.設(shè)計強度標準值滿足《水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F30—2003)中的要求.參照貧混凝土基層設(shè)計強度標準值，設(shè)定玄武巖纖維混凝土設(shè)計抗壓強度為 fcu，k=10 MPa，設(shè)計抗彎拉強度為 fr=2 MPa.經(jīng)過試驗試配，確定了玄武巖纖維貧混凝土的配合比，見表2.其中玄武巖纖維是按混合料質(zhì)量百分率進行摻配，減水劑摻量為1%(相對水泥而言).

表2 水灰比為0.95的混凝土配合比 kg/m3

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 抗壓、抗彎拉強度

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG E30—2005)的規(guī)定，把成型試件放在溫度為(20±2)℃，相對濕度為95%以上的養(yǎng)護室進行養(yǎng)護，對混凝土進行了7 d和28 d兩個齡期的抗壓、抗彎拉強度試驗，結(jié)果見表3.

表3 玄武巖纖維貧混凝土的抗壓、抗彎拉強度試驗結(jié)果

1)隨著玄武巖纖維摻量的增加，貧混凝土的抗壓、抗彎拉強度逐漸增強.在7 d齡期時，混凝土強度已接近設(shè)計抗壓強度10 MPa，且已達到設(shè)計抗彎拉強度為2 MPa，說明玄武巖纖維極大地提高了貧混凝土的早期強度.

2)與普通貧混凝土相比，玄武巖纖維貧混凝土在纖維摻量分別為 1.4‰，1.7‰，2.0‰，4.0‰，6.0‰時的平均抗壓強度為14.3 MPa，平均抗彎拉強度為2.52 MPa，即隨著玄武巖纖維用量的增大，試件的抗壓強度和抗彎拉強度均得到增強.試件7 d抗壓強度增幅達到9.5%，7 d抗彎拉強度增幅達到18.4%.玄武巖纖維用量對28 d抗壓強度的影響最為顯著，最大可達到1.51倍，這說明玄武巖纖維對混凝土強度起到了增強作用.

3)玄武巖纖維摻量從0.0%增加到1.4‰時，混凝土強度增幅較大，其抗壓、抗彎拉強度分別達到22%，10%;纖維摻量從 1.4‰增加到 2.0‰時，混凝土強度增幅很小.當(dāng)玄武巖纖維摻量增加到2.0‰時，試件7 d抗壓、抗彎拉強度達到一個高峰值，分別為9.8 MPa和 2.06 MPa;當(dāng)纖維摻量增加至4.0‰和6.0‰時，試件抗壓、抗彎拉強度增幅很小，趨于平緩.同時，現(xiàn)階段玄武巖纖維市場價格為28 000元/t，綜合考慮到經(jīng)濟性和性能指標，建議確定貧混凝土基層中最佳的玄武巖纖維摻量為2.0‰(4.8 kg/m3)，最佳摻量范圍為 3 ～6 kg/m3.

由上面分析可知，玄武巖纖維摻量適量時，可有效提高貧混凝土早期強度和后期抗壓、抗彎拉強度.究其原因:一是由于玄武巖纖維本身直徑小，且短切到20 mm長，則同等質(zhì)量的纖維，其單位面積的纖維根數(shù)越多，纖維的比表面積就越大，從而使玄武巖纖維與水泥基材的黏結(jié)面積越大，玄武巖纖維跨越裂縫的根數(shù)就越多.混凝土受到拉力作用時，雖然混凝土開裂，但是玄武巖纖維尚未達到其抗拉強度極限，將承擔(dān)一部分塑性開裂應(yīng)力，使得混凝土仍然具有一定的承載能力.二是玄武巖纖維的極限延伸率大大超過了水泥基材料，在拉力的作用下，玄武巖纖維達到其抗拉強度極限被拉斷，但是玄武巖纖維在結(jié)構(gòu)中吸收開裂時產(chǎn)生的能量，同樣使得混凝土的抗彎拉強度得到了提高.

根據(jù)表3中試件28 d抗壓、抗彎拉強度值，得出玄武巖纖維貧混凝土的抗彎拉強度fr與抗壓強度fc之間符合的冪指數(shù)形式為

2.2 混凝土沖擊性能

沖擊性能是衡量材料韌性的一種強度指標，表征材料抵抗沖擊載荷破壞的能力，通常定義為試樣受沖擊載荷而折斷時單位截面所吸收的能量.這里采用落錘式?jīng)_擊試驗，讓重錘從已知高度落到圓餅試樣上，測試混凝土的沖擊性能.具體試驗操作參照ACI 544委員會提出的落重法［4］，并稍作修改.

對玄武巖纖維摻量為0.0‰和2.0‰的貧混凝土試件進行自由落錘沖擊試驗.試驗結(jié)果見表4.

表4 貧混凝土沖擊性能試驗結(jié)果(沖擊次數(shù))

沖擊性能計算公式為

式中:Cj為混凝土抗沖擊性，%;N1為受檢混凝土的破壞沖擊次數(shù)，次;N0為基準混凝土的破壞沖擊次數(shù)，次.

由公式(2)可得到玄武巖纖維貧混凝土的抗沖擊性為Cj=131.6%，比未摻纖維的貧混凝土提高了約0.3倍.這就可以有效地緩解路面在較大的荷載沖擊下產(chǎn)生斷裂裂縫，損害路面結(jié)構(gòu).究其原因:玄武巖纖維較細，比面積大，單位體積內(nèi)玄武巖纖維根數(shù)很多，在貧混凝土內(nèi)部構(gòu)成一種均勻的三維亂向分布的網(wǎng)絡(luò)體系，在貧混凝土受到?jīng)_擊荷載作用時，該網(wǎng)絡(luò)體系可以緩和其內(nèi)部裂縫尖端應(yīng)力集中程度而有效地阻止裂縫的發(fā)展，進而吸收沖擊荷載產(chǎn)生的動能，提高混凝土的抗沖擊性能.

2.3 靜力抗壓彈性模量

貧混凝土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系是非線性的，表征其特征的彈性模量有初始切線模量、切線模量、割線模量、弦線模量等.這里玄武巖纖維貧混凝土的靜力抗壓彈性模量采用軸心抗壓強度1/3時的割線彈性模量表示.按照表2所示配合比，依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG E30—2005)的試驗方法，對玄武巖纖維貧混凝土進行28 d靜力抗壓彈性模量試驗，結(jié)果見表5.

表5 玄武巖纖維貧混凝土28 d抗壓彈性模量試驗結(jié)果

由表5可得回歸關(guān)系式為

由表5、公式(3)可知:摻加纖維后，試件的靜力抗壓模量有所增大，也就是其剛度得到了提高;但是隨著玄武巖纖維摻量的增加，試件的靜力抗壓模量值變化幅度不大，說明玄武巖纖維的摻入提高了貧混凝土材料的抵抗彈性變形的能力，但對貧混凝土抗壓模量影響不大.這是因為:玄武巖纖維貧混凝土的抗壓設(shè)計強度只有10 MPa，在加載至其軸心抗壓強度對應(yīng)的極限荷載的1/3時，在混凝土內(nèi)部容易發(fā)揮玄武巖纖維的高彈性模量的優(yōu)勢，可與混凝土一起通過變形抵消內(nèi)部因為溫度與基體產(chǎn)生的應(yīng)力，使其更難發(fā)生變形與脆斷.

3 結(jié)語

為解決貧混凝土基層瀝青路面的反射裂縫問題，提出在貧混凝土基層中摻加玄武巖纖維，并通過大量的試驗研究，得出了以下結(jié)論.

1)提出了玄武巖纖維貧混凝土基層配合比設(shè)計方法.即綜合考慮經(jīng)濟性和路用性能指標，推薦玄武巖纖維最佳摻量為混合料總質(zhì)量的2.0‰，最佳摻量范圍為3～6 kg/m3.

2)摻入玄武巖纖維后，能較大幅度提高貧混凝土的早期抗壓、抗彎拉強度，且28 d齡期的纖維貧混凝抗壓、抗彎拉強度也較一般貧混凝土的提高了20%以上.

3)分別提出了玄武巖纖維貧混凝土基層的抗壓、抗彎拉強度以及軸心抗壓強度和抗壓彈性模量的回歸公式.

4)玄武巖纖維貧混凝土具有良好的抗沖擊性能，較普通貧混凝土提高了近1/3倍，能有效緩解較大荷載對路面的沖擊破壞.

5)玄武巖纖維提高了貧混凝土材料的靜力抗壓彈性模量，但提升幅度不大.

［1］孫家偉，鄭木蓮，王秉綱.路面基層貧混凝土的力學(xué)特性研究［J］.公路，2005(5):26－32.

［2］ Czigany T，Poloskei K，Karger-Kocsis J.Fracture and failure behavior of basalt fiber mat-reinforced vinyl ester/epoxy hybrid resins as a function of resin composition and fiber surface treatment［J］.Journal of Material Science，2005(2):128－138.

［3］張應(yīng)立.現(xiàn)代混凝土配合比設(shè)計手冊［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［4］ ACI Committee 544.Measurement of properties of fiber reinforced concrete.ACI Manual of Concrete Practice［R］.A-merican Concrete Institute，1999.