高性能混凝土制備及其耐久性性能的試驗(yàn)分析*

葛 輝，張啟志

（1.駐馬店市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，河南 駐馬店 463000；2.黃淮學(xué)院，河南 駐馬店 463000）

引 言

高性能瀝青混凝土的制備成為土木工程主要研究方向之一[1]，慈軍針對(duì)礦料級(jí)配變化會(huì)影響瀝青混凝土穩(wěn)定性的問(wèn)題進(jìn)行了研究[2]。孫長(zhǎng)龍等提出了瀝青含量及粉料用量技術(shù)處理技巧[3]。白永兵提出了瀝青含量配合比設(shè)計(jì)計(jì)算公式[4]。楊文奇等得出澆注式瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性較低，可以采用適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)改善[5]。陳衛(wèi)烈等通過(guò)試驗(yàn)得出利用振實(shí)法優(yōu)選礦料級(jí)配可使瀝青混凝土心墻配合比設(shè)計(jì)過(guò)程得到簡(jiǎn)化[6]。

進(jìn)一步，當(dāng)?shù)玫搅藶r青混凝土的最佳配合比后，部分研究學(xué)者開(kāi)展了對(duì)瀝青混凝土力學(xué)及耐久性能的研究[7]。宋日英等得出試件的蠕變隨瀝青含量的增加而增加，蠕變速率增加的比例大于瀝青含量增加的比例[8]。李煒光等通過(guò)改變水灰比及乳化瀝青用量對(duì)水泥乳化瀝青混凝土的力學(xué)性能影響進(jìn)行測(cè)試分析[9]。山宏宇等對(duì)不同乳化瀝青摻量下水泥乳化瀝青混凝土的耐久性能進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)[10]。曾世東等研究瀝青用量對(duì)瀝青混合料以及瀝青路面產(chǎn)生的影響[11]。

可見(jiàn)，目前主要通過(guò)分析外界條件因素，來(lái)調(diào)節(jié)瀝青混凝土的配合比從而達(dá)到提高瀝青混凝土性能的目標(biāo)。本文將兩種纖維（聚丙烯纖維和玄武巖纖維）以不同的摻量摻入至瀝青混凝土中，研究?jī)煞N不同的纖維及其摻量對(duì)瀝青混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及凍融后的抗壓強(qiáng)度的影響關(guān)系，并得出最佳纖維摻量，為今后高性能瀝青混凝土的制備提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

P.O.42.5水泥：SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)24.82%，CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)55.27%，A l2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)6.87%，Mg O質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.01%，F(xiàn)e2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.01%，S O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)6.07%，上海森昌實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)。

粗、細(xì)骨料：粗骨料粒徑在10～15mm之間，其堆積密度約為1490k g/m3，表觀密度約為2433k g/m3；細(xì)骨料粒徑在0～10mm之間，其堆積密度約為1520k g/m3，表觀密度約為2681k g/m3，均由佛山市圣原耐火保溫材料有限公司提供；減水劑：7%的高效減水劑，濟(jì)南瀾?；び邢薰咎峁?；聚丙烯纖維長(zhǎng)度6mm、玄武巖纖維長(zhǎng)度8mm，均由廊坊華品保溫材料有限公司生產(chǎn)；水：飲用水。

1.2 主要設(shè)備及儀器

鄭州卓泰檢測(cè)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的M A W-100型微控液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試；

北京科達(dá)京威科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的凍融試驗(yàn)機(jī)。

1.3 纖維混凝土的制備

使用攪拌機(jī)將水泥、砂、石、水和聚丙烯纖維、玄武巖纖維等進(jìn)行混合攪拌，其中水∶水泥∶細(xì)骨料∶粗骨料=0.42∶1∶1.152∶2.449，玻璃纖維按照不同的體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)摻入。隨后放入振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)，使得成型的混凝土內(nèi)部材料均勻且密實(shí)，并在不同溫度環(huán)境下對(duì)混凝土試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d（溫度為20℃，相對(duì)濕度為95%），將混凝土分別進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度測(cè)試。

1.4 分析與測(cè)試

根據(jù)G B/T50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，將養(yǎng)護(hù)成型的混凝土放置在力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)上，開(kāi)始逐級(jí)加壓力/加拉力，通過(guò)試驗(yàn)儀器顯示器讀取混凝土壓碎/拉壞時(shí)的受力值，最終取每組3塊試件的平均值作為最終值。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

將試樣成型后，分成兩組測(cè)試?yán)w維-瀝青混凝土試塊的7d、28d的抗拉強(qiáng)度，如圖1所示。從圖1中可以看出，聚丙烯纖維的最佳摻量在3%，而玄武巖纖維的最佳摻量為2%；摻量在0～2%時(shí)，玄武巖纖維對(duì)瀝青混凝土的抗拉強(qiáng)度的提高效果明顯高于聚丙烯纖維；當(dāng)摻量在2%～4%時(shí)，玄武巖纖維對(duì)瀝青混凝土的抗拉強(qiáng)度的提高效果比聚丙烯纖維要低。但摻量在5%時(shí)，玄武巖纖維對(duì)瀝青混凝土的抗拉強(qiáng)度的提高效果要高于聚丙烯纖維。這是因?yàn)閮煞N纖維的長(zhǎng)度和表面積等不同，表面積過(guò)大時(shí)，少量的摻入便能夠有效地密實(shí)瀝青混凝土；另一方面，纖維的不同活性狀態(tài)也是影響瀝青混凝土抗拉強(qiáng)度的重要因素。

圖1 兩種纖維對(duì)瀝青混凝土抗拉強(qiáng)度的影響Fig.1 The effect of two kinds of fibers on the tensile strength of asphalt concrete

進(jìn)一步分析得出，當(dāng)在瀝青混凝土中摻入纖維時(shí)，一方面纖維的摻入可以促進(jìn)水泥的水化，從而導(dǎo)致水化進(jìn)程加快，對(duì)第7d的瀝青混凝土強(qiáng)度有著明顯的提高；另一方面，由于纖維的比表面積比水泥、砂石要小的多。因此，可以有效地填充至水泥與砂石之間的空隙，從而密實(shí)瀝青混凝土，提高瀝青混凝土的抗拉強(qiáng)度。但隨著摻量的過(guò)度增加，會(huì)導(dǎo)致瀝青混凝土的抗拉強(qiáng)度逐漸降低。

2.2 抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

將試樣成型后，分成兩組測(cè)試?yán)w維-瀝青混凝土試塊的7d、28d的抗壓強(qiáng)度，如圖2所示。從圖2中可以看出，聚丙烯纖維的最佳摻量在3%，而玄武巖纖維的最佳摻量為2%；在摻量在0%～2%時(shí)，玄武巖纖維對(duì)瀝青混凝土的抗壓強(qiáng)度的提高效果明顯高于聚丙烯纖維；當(dāng)摻量在2%～4%時(shí)，玄武巖纖維對(duì)瀝青混凝土的抗壓強(qiáng)度的提高效果比聚丙烯纖維要低。但摻量在5%時(shí)，玄武巖纖維對(duì)瀝青混凝土的抗壓強(qiáng)度的提高效果要高于聚丙烯纖維。這是因?yàn)閮煞N纖維的長(zhǎng)度和表面積等不同，表面積過(guò)大時(shí)，少量的摻入便能夠有效的密實(shí)瀝青混凝土；另一方面，纖維的不同活性狀態(tài)也是影響瀝青混凝土抗壓強(qiáng)度的重要因素。

圖2 兩種纖維對(duì)瀝青混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 The effect of two kinds of fibers on the compressive strength of asphalt concrete

進(jìn)一步分析得出，當(dāng)纖維含量為0，會(huì)形成自由瀝青，由于其具有流動(dòng)性從而會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的抗壓強(qiáng)度降低；而當(dāng)纖維含量增加即瀝青含量減少，使得自由瀝青減少，從而提高了混凝土的強(qiáng)度；但隨著瀝青含量的進(jìn)一步減少即纖維含量逐漸增加，會(huì)導(dǎo)致混凝土礦料表明缺少瀝青包裹，導(dǎo)致粘結(jié)力下降，進(jìn)而使強(qiáng)度降低。

2.3 凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)

不同纖維摻量下透水混凝土50次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著纖維摻量的增加凍融循環(huán)50次后瀝青混凝土的抗壓強(qiáng)度先增加而后逐漸降低。從圖3中可以看出，聚丙烯纖維的最佳摻量在3%，而玄武巖纖維的最佳摻量為2%；在摻量在0～2%時(shí)，玄武巖纖維對(duì)瀝青混凝土的抗壓強(qiáng)度的提高效果明顯高于聚丙烯纖維；當(dāng)摻量在2%～4%時(shí)，玄武巖纖維對(duì)瀝青混凝土的抗壓強(qiáng)度的提高效果比聚丙烯纖維要低。但摻量在5%時(shí)，玄武巖纖維對(duì)瀝青混凝土的抗壓強(qiáng)度的提高效果要高于聚丙烯纖維。這是因?yàn)閮煞N纖維的長(zhǎng)度和表面積等不同，表面積過(guò)大時(shí)，少量的摻入便能夠有效的密實(shí)瀝青混凝土；另一方面，纖維的不同活性狀態(tài)也是影響瀝青混凝土抗壓強(qiáng)度的重要因素。

圖3 凍融循環(huán)50次后兩種纖維對(duì)瀝青混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 The effect of two kinds of fibers on the compressive strength of asphalt concrete after 50 freeze-thaw cycles

3 結(jié)論

在瀝青混凝土中摻入不同含量的聚丙烯纖維和玄武巖纖維，通過(guò)抗壓試驗(yàn)、抗拉試驗(yàn)和凍融試驗(yàn)得出不同纖維對(duì)混凝土耐久性性能的影響，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步分析了兩種纖維能夠提高混凝土性能的原因，并得出以下結(jié)論：

（1）聚丙烯纖維的最佳摻量在3%，而玄武巖纖維的最佳摻量為2%；

（2）在摻量在0～2%時(shí)，玄武巖纖維對(duì)瀝青混凝土的抗拉強(qiáng)度的提高效果明顯高于聚丙烯纖維；

（3）當(dāng)摻量在2%～4%時(shí)，玄武巖纖維對(duì)瀝青混凝土的抗拉強(qiáng)度的提高效果比聚丙烯纖維要低。但摻量在5%時(shí)，玄武巖纖維對(duì)瀝青混凝土的抗拉強(qiáng)度的提高效果要高于聚丙烯纖維。