纖維改良混凝土材料在寒區(qū)公路面層中的應(yīng)用研究

麥浪

摘要：為研究多年凍土地區(qū)某公路面層不同混凝土材料的性能優(yōu)劣，文章對該工程混凝土材料性能進行對比試驗研究。結(jié)果表明：（1）碳纖維混凝土的強度性能相對較好，其抗壓強度為49.61 MPa、抗拉強度為3.61 MPa;（2）通過荷載應(yīng)變曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積分析材料的韌性，得出碳纖維混凝土的韌性很強，定性分析三種材料的彈性模量，碳纖維混凝土較普通水泥混凝土偏小，說明碳纖維混凝土具有可以產(chǎn)生較大形變而不破壞的能力，而瀝青混凝土彈性模量太小，導(dǎo)致其強度等不足，材料缺陷較為明顯;（3）開展凍融循環(huán)試驗對比三種混凝土材料的抗凍性能，碳纖維混凝土材料的抗凍性能明顯優(yōu)于其他兩種混凝土。

關(guān)鍵詞：多年凍土區(qū);公路混凝土材料;力學(xué)性能;耐久性;優(yōu)化比較

0 引言

隨著社會主義現(xiàn)代化進程的推進，公路交通已經(jīng)成為串聯(lián)城鄉(xiāng)經(jīng)濟區(qū)發(fā)展的重要途徑。根據(jù)交通運輸部《2018年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》，截至2018年年底，我國公路總里程達484.65萬km，增長趨勢明顯，其中二級及以上等級公路里程為64.78萬km，較2017年增加2.56萬km，占公路總里程的13.4%，提高0.3個百分點。在實際公路施工過程中，公路路面材料具有舉足輕重的地位，因此科學(xué)合理地選擇混凝土材料尤為重要[1]。

目前工程上常用的混凝土材料有普通水泥混凝土和瀝青混凝土[2]，其性質(zhì)優(yōu)劣各有不同：普通水泥混凝土路面主要表現(xiàn)為水穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性高，強度大等特點;瀝青混凝土路面主要表現(xiàn)為養(yǎng)護時間短，路面柔性強，行車舒適等特點[3-5]。目前國內(nèi)對上述兩種材料研究較多，薛輝[6]等認為普通水泥混凝土的抗折強度和抗壓強度隨著水膠比的增大而減小，但與含沙量的關(guān)系不大;吳釗[7]等人探究了瀝青混凝土受凍融循環(huán)的影響，分析認為凍融循環(huán)對其體積性能影響較大，其時間強度隨凍融循環(huán)數(shù)增多而減小。

20世紀60年代科研人員開始研究纖維混凝土，F(xiàn)ernandes[8]等人在混凝土中加入鋼纖維，提高了混凝土板的承載能力和變形能力。本文基于上述研究基礎(chǔ)，進一步對多年凍土地區(qū)公路面層普通水泥混凝土、碳纖維混凝土[9]、瀝青混凝土進行性能對比，尋找優(yōu)化材料，以求為我國部分地區(qū)公路建設(shè)提供一定的依據(jù)。

1 工程概況與試驗設(shè)計

1.1 工程概況

本次試驗研究對象為我國北方寒區(qū)某路段，由于地理位置特殊，在凍融環(huán)境下具有較強的變形特性，因此針對多年凍土地區(qū)混凝土材料的力學(xué)性能和耐久性展開研究，對該工程建設(shè)具有重要的意義。

1.2 試驗設(shè)計

為模擬嚴寒地區(qū)多年凍土區(qū)混凝土在季節(jié)更替復(fù)雜情況作用下的真實情況，分析三種混凝土材料在其性能上的優(yōu)劣，本文擬進行多種試驗以比較各混凝土材料的力學(xué)特性和耐久性，試驗具體過程如下所述。

（1）各材料混凝土的配置：進行各混凝土的配制以實際工程設(shè)計院提供的配合數(shù)據(jù)為基準，水泥混凝土的配合比為水泥∶水∶砂∶石子=1∶0.32∶1.92∶3.35;碳纖維摻量每增加0.1%，用水量增加2 kg，確定出最終的碳纖維混凝土配合比;瀝青混凝土采用普通密級配AC-20，油石比為4.5%。

（2）試件的制作與養(yǎng)護：為研究本文所述三種混凝土材料的力學(xué)性能和耐久性能，分別制作不同試樣以進行不同試驗物理參數(shù)測量，制作混凝土試樣尺寸見表1，養(yǎng)護28 d后進行試驗。

（3）將上述試樣分別置于不同的試驗機進行試驗，對各試驗參數(shù)進行分析（見表2）。

2 試驗結(jié)果分析

多年凍土地區(qū)路基混凝土既會受到材料本身的力學(xué)性能的影響，也會因為所處地理區(qū)域較為特殊，而受到凍融循環(huán)作用的影響，使其物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生很大變化。為研究普通水泥混凝土、碳纖維混凝土、瀝青混凝土在多年凍土區(qū)的材料性能對比，本文對三種混凝土材料的以下性能做了分析。

2.1 抗壓強度

不同材料混凝土的抗壓強度如表3及圖1所示，由表中測試數(shù)據(jù)可知，三種混凝土在抗壓強度上有所差異，其中瀝青混凝土材料差異最為明顯，抗壓強度僅為6.06 MPa，為本文所研究三種混凝土中抵抗壓力能力最差的混凝土，碳纖維混凝土的抗壓強度相比普通水泥混凝土較大，其值提升了13.94%。因此，經(jīng)初步分析認為，加入適量碳纖維的混凝土其抵抗壓力的能力會有所增強。

2.2 抗拉強度分析

本文研究的各類混凝土材料抗拉強度如表4和圖2所示，各混凝土的抗拉強度值均遠遠低于其抗壓強度且差異性相對較小。根據(jù)數(shù)據(jù)分析可得瀝青混凝土的抗拉強度最差，其大小僅為2.19 MPa，其余兩者較大，分別為3.08 MPa、3.61 MPa，且碳纖維混凝土較普通水泥混凝土的抗拉強度提升了17.21%。因此，初步分析認為，加入適量碳纖維的混凝土其抵抗拉力的能力會適度增加。

2.3 材料韌性及彈性模量分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制各混凝土材料荷載-應(yīng)變曲線如圖3所示，三種不同材料混凝土均出現(xiàn)三個典型區(qū)域，即線性上升階段（彈性變形區(qū)）、初裂點之后的非線性上升階段（塑性變形區(qū)）、峰值點之后的下降階段（破壞階段）。根據(jù)曲線可明顯觀測出碳纖維混凝土的初裂強度以及極限荷載值均大于普通水泥混凝土和瀝青混凝土。

混凝土材料的韌性可根據(jù)材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線進行比較，根據(jù)圖3所示的曲線分析碳纖維混凝土曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積最大，因此其材料韌性較普通水泥混凝土和瀝青混凝土更優(yōu)。根據(jù)圖3定性分析三種混凝土的彈性模量，其中普通水泥混凝土和碳纖維混凝土的彈性模量相差較小，后者略小，而瀝青混凝土的彈性模量相比前兩者要小得多。

2.4 抗凍性能比較

研究區(qū)域為多年凍土區(qū)，為合理分析該地區(qū)混凝土材料在抗凍性能上的差異，有效評價地區(qū)公路地基不同材料在寒區(qū)環(huán)境影響下的變化規(guī)律，為地區(qū)工程建設(shè)提供一定的依據(jù)，在上述研究混凝土力學(xué)性能的基礎(chǔ)上開展耐久性研究。通過凍融循環(huán)試驗測試，分析得出，質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，各混凝土在凍融循環(huán)25次及以內(nèi)時質(zhì)量損失很小，幾乎為0，之后隨著循環(huán)次數(shù)的增多，質(zhì)量損失率與循環(huán)次數(shù)近似于成一次函數(shù)，圖像中無出現(xiàn)峰值拐點。三種混凝土在凍融循環(huán)250次之后，碳纖維混凝土的質(zhì)量損失率最小，為1.8%，普通水泥混凝土和瀝青混凝土的質(zhì)量損失比分別為2.2%和2.6%，分別比碳纖維混凝土多22.22%和44.44%，如圖4所示，因此在抗凍性能上碳纖維混凝土的優(yōu)勢更為明顯。

3 結(jié)語

本文以多年凍土地區(qū)某公路路基建設(shè)工程為例，基于室內(nèi)試驗展開對該工程混凝土材料性能對比的研究，為地區(qū)工程建設(shè)提供一定的依據(jù)。研究結(jié)果指出，普通水泥混凝土材料的抗壓強度為43.54 MPa、抗拉強度為3.08 MPa;碳纖維混凝土材料的抗壓強度為49.61 MPa、抗拉強度為3.61 MPa;瀝青混凝土材料的抗壓強度為6.06 MPa、抗拉強度為2.19 MPa，強度方面碳纖維混凝土性能較好。繪制荷載應(yīng)變曲線，利用其曲線坐標(biāo)軸圍成的面積分析材料的韌性，得出碳纖維混凝土的韌性很強。定性分析三種材料的彈性模量，碳纖維混凝土較普通水泥混凝土偏小，說明碳纖維混凝土具有可以產(chǎn)生較大形變而不破壞的能力;而瀝青混凝土彈性模量太小，導(dǎo)致其強度等不足，材料缺陷較為明顯。開展凍融循環(huán)試驗對比三種混凝土材料的抗凍性能，表現(xiàn)為碳纖維混凝土材料的抗凍性能明顯優(yōu)于其他兩種混凝土。因此摻入適量碳纖維的混凝土更適合在多年凍土地區(qū)公路使用。

參考文獻：

[1]劉 燕.高速公路路面新材料的應(yīng)用及施工工藝研究[J].價值工程，2018，37（35）：239-240.

[2]馬 強.基于使用性能的瀝青路面面層結(jié)構(gòu)與材料優(yōu)化研究[D].西安：長安大學(xué)，2011.

[3]尹 松.干線公路重載交通瀝青路面使用性能研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2013.

[4]裴旭東.瀝青面層與基層層間粘結(jié)強度和耐久性變化規(guī)律研究[D].西安：長安大學(xué)，2013.

[5]黃 .青藏高寒高海拔地區(qū)合理路面結(jié)構(gòu)研究[D].西安：長安大學(xué)，2017.

[6]薛 輝，張榮花.普通混凝土抗折強度試驗研究[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報，2013，25（2）：17-21，29.

[7]吳 釗.凍融循環(huán)對瀝青混合料性能的影響研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

[8]Nuno D.Gouveia，Nelson A.G.Fernandes，Duarte M.V.Faria.SFRC flat slabs punching behaviour- Experimental research[J].Composites：Part，2014（63）：161.

[9]代業(yè)寧.季節(jié)性凍土區(qū)堤頂公路材料性能比較試驗分析[D].哈爾濱：黑龍江大學(xué)，2017.