水鎂石纖維對(duì)水泥混凝土路用性能影響

邢 煌

(海南路橋工程有限公司 三亞 572000)

由于水泥混凝土生產(chǎn)材料成本低廉，且具有較高的抗壓強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，所以在國(guó)內(nèi)道路建設(shè)中應(yīng)用較為廣泛[1]。但隨著國(guó)內(nèi)交通量的日益增加，普通的水泥混凝土路面已經(jīng)無(wú)法滿足行車荷載的要求。尤其是在重載條件下，水泥混凝土路面經(jīng)常會(huì)由于遭受各種病害，未達(dá)到預(yù)計(jì)使用年限就提前破壞，給道路的正常運(yùn)營(yíng)造成難以估量的損失[2]。因此，普通水泥混凝土改性材料應(yīng)運(yùn)而生。

水鎂石纖維是一種天然的無(wú)機(jī)礦石纖維材料，其采集成本較為廉價(jià)，而且具有較高的抗拉強(qiáng)度。天然的水鎂石纖維長(zhǎng)度一般能到30 cm左右，較長(zhǎng)的能達(dá)到100 cm以上[3]。水鎂石纖維添加到普通水泥混凝土中能夠起到增韌的作用。因此，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)天然水鎂石纖維的路用性能有了較為深入的研究，比如，長(zhǎng)安大學(xué)的嚴(yán)麗君[4]和關(guān)博文等[5-6]。但很多學(xué)者的研究大都集中在一定添加劑量下水鎂石纖維對(duì)路用性能作用效果上，對(duì)不同摻量的水鎂石纖維路用性能研究相對(duì)較少。本文旨在研究國(guó)內(nèi)常用的3種類型的水鎂石纖維材料，在不同添加劑量條件下，對(duì)普通水泥混凝土的路用性能影響。

1 試驗(yàn)方案及原材料技術(shù)指標(biāo)

1.1 試驗(yàn)組織方案

本課題研究A類(9 mm)、B類(12 mm)和C類(15 mm)3種類型的水鎂石纖維材料，添加劑量分別為0,1.5,3,4.5,6,7.5 kg/m3(按本研究采用的配比，m(水泥)∶m(水)∶m(碎石)∶m(砂) =1∶0.54∶5.12∶1.62計(jì)算)的條件下，對(duì)普通水泥混凝土試件的改性作用。

為了使水鎂石纖維材料在水泥混凝土中分散均勻，先將水鎂石纖維材料、水和水泥放在一起進(jìn)行攪拌120 s，得到水泥漿。然后再放入砂和碎石進(jìn)行機(jī)械拌和。水泥混凝土拌和好以后，將其裝入試模中，并放在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)25 s，使得試件更加密實(shí)。試驗(yàn)方案流程見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)方案流程圖

1.2 原材料技術(shù)指標(biāo)

水鎂石纖維材料指標(biāo)、水泥指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果、砂與碎石選用級(jí)配見(jiàn)表1～3。

表1 水鎂石纖維指標(biāo)

表2 水泥指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

表3 砂與碎石選用級(jí)配

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照規(guī)范[7]要求，進(jìn)行抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)采用三分點(diǎn)處雙點(diǎn)加載裝置，試件大小為150 mm×150 mm×450 mm。試件養(yǎng)護(hù)28 d后，放在試驗(yàn)機(jī)上以0.08 MPa/s的加載頻率進(jìn)行試驗(yàn)?？箯澙瓘?qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4和圖2。

表4 抗彎拉強(qiáng)度測(cè)試

圖2 抗彎拉強(qiáng)度與水鎂石纖維摻量關(guān)系

由表4和圖2可見(jiàn)，隨著水鎂石纖維添加劑量的增加，3組試件的抗彎拉強(qiáng)度均有不同程度的提高。添加A類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在其摻量為6 kg/m3時(shí)，試件的抗彎拉強(qiáng)度為5.45 MPa，比未添加纖維試件的抗彎拉強(qiáng)度提高了14.0%。當(dāng)繼續(xù)提高水鎂石纖維的摻量時(shí)，其試件的抗彎拉強(qiáng)度相比摻量為6 kg/m3的試件有所降低。所以添加A類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在摻量為6 kg/m3時(shí)，試件的抗彎拉性能達(dá)到最優(yōu)。

添加B類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在其摻量為4.5 kg/m3時(shí)，試件的抗彎拉強(qiáng)度為5.11 MPa，比未添加纖維試件的抗彎拉強(qiáng)度提高了6.9%。當(dāng)繼續(xù)提高水鎂石纖維的摻量時(shí)，其試件的抗彎拉強(qiáng)度相比摻量為4.5 kg/m3的試件有所降低。所以添加B類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在摻量為4.5 kg/m3時(shí)，試件的抗彎拉性能達(dá)到最優(yōu)。

添加C類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在其摻量為4.5 kg/m3時(shí)，試件的抗彎拉強(qiáng)度為5.31 MPa，比未添加纖維試件的抗彎拉強(qiáng)度提高了11.1%。當(dāng)繼續(xù)提高水鎂石纖維的摻量時(shí)，其試件的抗彎拉強(qiáng)度相比摻量為4.5 kg/m3的試件有所降低。所以添加C類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在摻量為4.5 kg/m3時(shí)，試件的抗彎拉性能達(dá)到最優(yōu)。

3組試件的最優(yōu)抗彎拉性能依次為：A類水鎂石纖維試件>C類水鎂石纖維試件>B類水鎂石纖維試件。

由于水泥混凝土路面相比瀝青混凝土路面剛度較大，其抗壓性能要好于瀝青路面。交通量大的路段，由于水泥混凝土路面承受的荷載頻率較大，這對(duì)于水泥混凝土路面抗彎拉性能提出更高要求，而水鎂石纖維加入可以明顯改善水泥混凝土材料的抗彎拉性能，承受更大的荷載。3類水鎂石纖維相比較而言，A類水鎂石纖維改善抗彎拉強(qiáng)度的效果最高，且在摻量為6 kg/m3時(shí)達(dá)到最大值，為5.45 MPa，故其更適宜在交通量較大的路段使用。

上述3組試件的抗彎拉強(qiáng)度均有不同程度的提高。這是因?yàn)樗V石纖維是一種韌性較好的纖維材料，且與水泥混凝土之間有較好的相容性。水鎂石纖維在試件內(nèi)部呈空間分布，能夠起到阻止裂縫發(fā)展的作用，所以試件的抗彎拉強(qiáng)度會(huì)有所提高。但繼續(xù)添加水鎂石纖維時(shí)，試件的抗彎拉強(qiáng)度反而有所降低。這是因?yàn)楫?dāng)水鎂石纖維添加過(guò)多時(shí)，纖維材料在試件內(nèi)部不易分散均勻，出現(xiàn)明顯的纖維纏繞、團(tuán)結(jié)現(xiàn)象。導(dǎo)致試件內(nèi)部受力不均，所以試件的抗彎拉強(qiáng)度反而有所降低。

2.2 滲水試驗(yàn)結(jié)果與分析

為研究A類(9mm)、B類(12 mm)和C類(15 mm)3種類型的水鎂石纖維材料對(duì)普通水泥混凝土試件滲水性能作用效果，本研究采用滲水試驗(yàn)，試件尺寸高和直徑均為150 mm。試件養(yǎng)護(hù)28 d后，放進(jìn)水壓為0.8 MPa的滲水儀，24 h后記錄試件的滲水高度。每組平行試驗(yàn)不得少于3個(gè)。滲水試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5和圖3。

表5 滲水試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

圖3 滲水高度與水鎂石纖維摻量關(guān)系

由表5和圖3可見(jiàn)，隨著水鎂石纖維添加劑量的增加，3組試件的滲水高度均有不同程度的降低。添加A類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在其摻量為6 kg/m3時(shí)，試件的滲水高度為6.1 cm，比未添加纖維試件的滲水高度降低了40.2%。當(dāng)繼續(xù)提高水鎂石纖維的摻量時(shí)，其試件的滲水高度相比摻量為6 kg/m3的試件有所升高。所以添加A類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在摻量為6 kg/m3時(shí)，試件的抗?jié)B性能達(dá)到最優(yōu)。

添加B類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在其摻量為4.5 kg/m3時(shí)，試件的滲水高度為5.8 cm，比未添加纖維試件的滲水高度降低了43.1%。當(dāng)繼續(xù)提高水鎂石纖維的摻量時(shí)，其試件的滲水高度相比摻量為4.5 kg/m3的試件有所升高。所以添加B類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在摻量為4.5 kg/m3時(shí)，試件的抗?jié)B性能達(dá)到最優(yōu)。

添加C類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在其摻量為6 kg/m3時(shí)，試件的滲水高度為6.3 cm，比未添加纖維試件的滲水高度降低了38.2%。當(dāng)繼續(xù)提高水鎂石纖維的摻量時(shí)，其試件的滲水高度相比摻量為6kg/m3的試件有所升高。所以添加C類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在摻量為6 kg/m3時(shí)，試件的抗?jié)B性能達(dá)到最優(yōu)。

3組試件的最優(yōu)抗?jié)B性能依次為B類水鎂石纖維試件>A類水鎂石纖維試件>C類水鎂石纖維試件。3組試件的抗?jié)B性能均有不同程度的提高。這是因?yàn)槔w細(xì)的水鎂石纖維分布在水泥混凝土中，促進(jìn)了試件內(nèi)多余水分的散發(fā)。減少了試件中氣孔的形成，使得試件內(nèi)部更加密實(shí)，減少了水流的通道，所以試件的抗?jié)B性能有所提高。但繼續(xù)添加水鎂石纖維時(shí)，試件的抗?jié)B性能反而有所降低。這是因?yàn)楫?dāng)水鎂石纖維添加過(guò)多時(shí)，試件內(nèi)部出現(xiàn)明顯的團(tuán)結(jié)現(xiàn)象。對(duì)促進(jìn)試件水分的散發(fā)的效果不明顯，所以試件的抗?jié)B性能反而有所降低。通過(guò)對(duì)含3類水鎂石纖維的水泥材料的滲水性能比較，B類水鎂石纖維的滲水高度最大，且在摻量為4.5 kg/m3時(shí)達(dá)到最大值。故B類水鎂石纖維更適合加入到適用于多雨地區(qū)的水泥混凝土材料中。

2.3 軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

為研究A類(9 mm)、B類(12 mm)和C類(15 mm)3種類型的水鎂石纖維材料對(duì)普通水泥混凝土試件抗壓性能作用效果，本研究采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，試件尺寸直徑×高均為150 m×300 mm。試件養(yǎng)護(hù)28 d后，放在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，以0.8 MPa/s的加載速率進(jìn)行軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6和圖4。

表6 軸心抗壓強(qiáng)度測(cè)試

由表6和圖4可見(jiàn)，隨著水鎂石纖維添加劑量的增加，3組試件的抗壓強(qiáng)度均有不同程度的提高。添加A類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在其摻量為4.5 kg/m3時(shí)，試件的軸心抗壓強(qiáng)度為47.8 MPa，比未添加纖維試件的軸心抗壓強(qiáng)度提高了18.9%。當(dāng)繼續(xù)提高水鎂石纖維的摻量時(shí)，試件的軸心抗壓強(qiáng)度相比摻量為4.5 kg/m3的試件有所降低。所以添加A類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在摻量為4.5 kg/m3時(shí)，試件的抗壓性能達(dá)到最優(yōu)。

圖4 軸心抗壓強(qiáng)度與水鎂石纖維摻量關(guān)系

添加B類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在其摻量為6 kg/m3時(shí)，試件的軸心抗壓強(qiáng)度為46.5 MPa，比未添加纖維試件的軸心抗壓強(qiáng)度提高了15.7%。當(dāng)繼續(xù)提高水鎂石纖維的摻量時(shí)，其試件的軸心抗壓強(qiáng)度相比摻量為6 kg/m3的試件有所降低。所以添加B類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在摻量為6 kg/m3時(shí)，試件的抗壓性能達(dá)到最優(yōu)。

添加C類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在其摻量為6 kg/m3時(shí)，試件的軸心抗壓強(qiáng)度為44.2 MPa，比未添加纖維試件的軸心抗壓強(qiáng)度提高了10.0%。當(dāng)繼續(xù)提高水鎂石纖維的摻量時(shí)，其試件的軸心抗壓強(qiáng)度相比摻量為6 kg/m3的試件有所降低。所以添加C類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在摻量為6 kg/m3時(shí)，試件的抗壓性能達(dá)到最優(yōu)。

3組試件的最優(yōu)抗壓性能依次為A類水鎂石纖維試件>B類水鎂石纖維試件>C類水鎂石纖維試件。

3組試件的抗壓性能隨著水鎂石纖維添加劑量的增加，先升高后降低。其原因與添加水鎂石纖維試件的抗彎拉性能變化機(jī)理一致。

3 工程應(yīng)用

為驗(yàn)證水鎂石纖維路面的使用性能，特意鋪設(shè)了3條試驗(yàn)路段。每條長(zhǎng)100 m，并增設(shè)1條對(duì)照組，設(shè)計(jì)路面荷載等級(jí)采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100。路幅寬度為5 m，為1條行車道寬4 m，2條土路肩寬2×0.5 m。水泥混凝土面層厚度為17 cm，水泥穩(wěn)定碎石(水泥含量為4.5%)基層為16 cm。在試驗(yàn)路段開(kāi)放交通1年后，對(duì)試驗(yàn)路段進(jìn)行鉆芯取樣。觀察芯樣試件水泥混凝土面板與基層的連接狀態(tài)，并測(cè)試面層抗壓強(qiáng)度。芯樣試件的公稱直徑為70 mm，高徑比為1∶1，其芯樣試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 芯樣試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表7可見(jiàn)，摻量為4.5 kg/m3的A類水鎂石纖維路面芯樣試件抗壓強(qiáng)度達(dá)到室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的92.3%；摻量為6 kg/m3的A類水鎂石纖維路面芯樣試件抗壓強(qiáng)度達(dá)到室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的90.1%；摻量為4.5 kg/m3的B類水鎂石纖維路面芯樣試件抗壓強(qiáng)度達(dá)到室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的89.0%；而無(wú)添加水鎂石纖維路段的芯樣試件抗壓強(qiáng)度僅為室內(nèi)試驗(yàn)強(qiáng)度的81.1%。說(shuō)明研究采用的水鎂石纖維均能夠提高路面的抗壓性能，與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析較一致。

室內(nèi)試驗(yàn)和工程實(shí)際應(yīng)用的結(jié)果均表明，適量水鎂石纖維的加入，確實(shí)能夠在一定程度上提高水泥混凝土的路用性能和實(shí)用效果。從路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，水鎂石纖維改性后的水凝混凝土，其在抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度方面有很好的改善效果，故在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，尤其是面層設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮添加適量的水鎂石纖維以提高材料抵抗荷載的能力，延長(zhǎng)路面使用壽命。

4 結(jié)論

1) 試驗(yàn)采用的3種水鎂石纖維，均可以提高試件的3種試驗(yàn)指標(biāo)。

2) A類水鎂石纖維在摻量為6 kg/m3時(shí)，試件的抗彎拉強(qiáng)度為5.45 MPa，其抗彎拉性能最好；在其摻量為4.5 kg/m3時(shí)，試件的軸心抗壓強(qiáng)度為47.8 MPa，其抗壓性能最好。

3) B類水鎂石纖維在摻量為4.5 kg/m3時(shí)，試件的滲水高度為5.8 cm，其抗?jié)B性能最好。

4) 當(dāng)水鎂石纖維添加過(guò)多時(shí)，纖維材料會(huì)出現(xiàn)明顯的纖維纏繞、團(tuán)結(jié)現(xiàn)象，影響試件內(nèi)部水分的散發(fā)，導(dǎo)致試件各方面的性能有所降低。