玄武岩纤维贫混凝土力学性能研究

刘朝晖，何春燕，孙潇潇，李本鹏

(1.长沙理工大学，湖南 长沙410076;2.广东交通实业投资有限公司，广东广州510100)

近年来，随着重车比例增大和车辆超载现象增多，我国相当一部分新建路面发生了不同程度的早期损坏.在许多重载、超载严重路段，路面远远达不到应有的设计年限.而高等级公路路面基层设计是否得当，往往对整个路面结构功能的发挥起着关键作用.在重载交通情况下，基层材料的强度、刚度及水稳性应较一般交通情况的高，且要有较高的抗疲劳破坏能力.为了应对这种基层特性需求，目前我国公路逐渐推广采用贫混凝土基层.贫混凝土(Lean Concrete，LC)与传统的水泥稳定碎石、二灰碎石等常用半刚性材料相比，具有更高的强度、刚度和整体性，抗冲刷和抗冻性能良好［1］.但是贫混凝土具有一般水泥混凝土的共有特性，在温度和荷载作用下，容易产生反射裂缝，造成路面结构的早期损坏.

玄武岩纤维(Basalt Fiber，BF)由纯天然玄武岩矿石经1 450～1 500℃高温熔融后，通过铂锗合金拉丝漏板制成［2］，具有断裂强度高、弹性模量高、伸长率低、耐高温(＞880℃)、耐低温(＜－200℃)、热传导系数低(隔热)、抗腐蚀、吸湿性低、重量轻等优异性能和优良的加工性能，属于一种全新的材料.将短切玄武岩纤维掺配到贫混凝土中，可以有效地延缓或者避免贫混凝土的反射裂缝，由此形成了一种新型混合材料——玄武岩纤维贫混凝土.玄武岩纤维贫混凝土是将玄武岩纤维均匀地分散于贫混凝土中，通过分散的玄武岩纤维减少动态荷载作用在贫混凝土上引起的应力集中，增强贫混凝土材料的抗拉强度和抗裂性，减小温差变化时结构的收缩变形量，从而减少反射裂缝的产生.

玄武岩纤维沥青混凝土具有较高的抗拉与抗弯极限强度，目前已经在沥青路面、桥面铺装工程中有着成功的运用.但是对于玄武岩纤维贫混凝土基层这种新型基层混合料的研究尚处于初步阶段.笔者就玄武岩纤维贫混凝土的力学性质进行了研究.

1 原材料及配合比设计

1.1 原材料

采用普通硅酸盐32.5(R)水泥，其细度、稠度、凝固时间和体积安定性等指标均符合国家标准要求.粗集料为5～25 mm粒径范围的连续级配碎石，其压碎值、针片状含量及密度均满足规范要求.细集料采用当地河砂，含泥量符合规范要求，为中粗砂.外加剂采用TQN聚羧酸高性能缓凝减水剂.短切玄武岩纤维为浙江石金玄武岩纤维有限公司生产的玄武岩短切纤维(BFCS-17-264-20-W)，其各项性能指标见表1.

表1 玄武岩纤维的主要性能指标

1.2 配合比设计

混凝土配合比设计的首要任务是在满足混凝土工作性、强度、耐久性等技术要求的前提下，经济合理地确定拌合料各组分的用量比例关系［3］.设计强度标准值满足《水泥混凝土路面施工技术规范》(JTG F30—2003)中的要求.参照贫混凝土基层设计强度标准值，设定玄武岩纤维混凝土设计抗压强度为 fcu，k=10 MPa，设计抗弯拉强度为 fr=2 MPa.经过试验试配，确定了玄武岩纤维贫混凝土的配合比，见表2.其中玄武岩纤维是按混合料质量百分率进行掺配，减水剂掺量为1%(相对水泥而言).

表2 水灰比为0.95的混凝土配合比 kg/m3

2 试验结果与分析

2.1 抗压、抗弯拉强度

按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2005)的规定，把成型试件放在温度为(20±2)℃，相对湿度为95%以上的养护室进行养护，对混凝土进行了7 d和28 d两个龄期的抗压、抗弯拉强度试验，结果见表3.

表3 玄武岩纤维贫混凝土的抗压、抗弯拉强度试验结果

1)随着玄武岩纤维掺量的增加，贫混凝土的抗压、抗弯拉强度逐渐增强.在7 d龄期时，混凝土强度已接近设计抗压强度10 MPa，且已达到设计抗弯拉强度为2 MPa，说明玄武岩纤维极大地提高了贫混凝土的早期强度.

2)与普通贫混凝土相比，玄武岩纤维贫混凝土在纤维掺量分别为 1.4‰，1.7‰，2.0‰，4.0‰，6.0‰时的平均抗压强度为14.3 MPa，平均抗弯拉强度为2.52 MPa，即随着玄武岩纤维用量的增大，试件的抗压强度和抗弯拉强度均得到增强.试件7 d抗压强度增幅达到9.5%，7 d抗弯拉强度增幅达到18.4%.玄武岩纤维用量对28 d抗压强度的影响最为显著，最大可达到1.51倍，这说明玄武岩纤维对混凝土强度起到了增强作用.

3)玄武岩纤维掺量从0.0%增加到1.4‰时，混凝土强度增幅较大，其抗压、抗弯拉强度分别达到22%，10%;纤维掺量从 1.4‰增加到 2.0‰时，混凝土强度增幅很小.当玄武岩纤维掺量增加到2.0‰时，试件7 d抗压、抗弯拉强度达到一个高峰值，分别为9.8 MPa和 2.06 MPa;当纤维掺量增加至4.0‰和6.0‰时，试件抗压、抗弯拉强度增幅很小，趋于平缓.同时，现阶段玄武岩纤维市场价格为28 000元/t，综合考虑到经济性和性能指标，建议确定贫混凝土基层中最佳的玄武岩纤维掺量为2.0‰(4.8 kg/m3)，最佳掺量范围为 3 ～6 kg/m3.

由上面分析可知，玄武岩纤维掺量适量时，可有效提高贫混凝土早期强度和后期抗压、抗弯拉强度.究其原因:一是由于玄武岩纤维本身直径小，且短切到20 mm长，则同等质量的纤维，其单位面积的纤维根数越多，纤维的比表面积就越大，从而使玄武岩纤维与水泥基材的黏结面积越大，玄武岩纤维跨越裂缝的根数就越多.混凝土受到拉力作用时，虽然混凝土开裂，但是玄武岩纤维尚未达到其抗拉强度极限，将承担一部分塑性开裂应力，使得混凝土仍然具有一定的承载能力.二是玄武岩纤维的极限延伸率大大超过了水泥基材料，在拉力的作用下，玄武岩纤维达到其抗拉强度极限被拉断，但是玄武岩纤维在结构中吸收开裂时产生的能量，同样使得混凝土的抗弯拉强度得到了提高.

根据表3中试件28 d抗压、抗弯拉强度值，得出玄武岩纤维贫混凝土的抗弯拉强度fr与抗压强度fc之间符合的幂指数形式为

2.2 混凝土冲击性能

冲击性能是衡量材料韧性的一种强度指标，表征材料抵抗冲击载荷破坏的能力，通常定义为试样受冲击载荷而折断时单位截面所吸收的能量.这里采用落锤式冲击试验，让重锤从已知高度落到圆饼试样上，测试混凝土的冲击性能.具体试验操作参照ACI 544委员会提出的落重法［4］，并稍作修改.

对玄武岩纤维掺量为0.0‰和2.0‰的贫混凝土试件进行自由落锤冲击试验.试验结果见表4.

表4 贫混凝土冲击性能试验结果(冲击次数)

冲击性能计算公式为

式中:Cj为混凝土抗冲击性，%;N1为受检混凝土的破坏冲击次数，次;N0为基准混凝土的破坏冲击次数，次.

由公式(2)可得到玄武岩纤维贫混凝土的抗冲击性为Cj=131.6%，比未掺纤维的贫混凝土提高了约0.3倍.这就可以有效地缓解路面在较大的荷载冲击下产生断裂裂缝，损害路面结构.究其原因:玄武岩纤维较细，比面积大，单位体积内玄武岩纤维根数很多，在贫混凝土内部构成一种均匀的三维乱向分布的网络体系，在贫混凝土受到冲击荷载作用时，该网络体系可以缓和其内部裂缝尖端应力集中程度而有效地阻止裂缝的发展，进而吸收冲击荷载产生的动能，提高混凝土的抗冲击性能.

2.3 静力抗压弹性模量

贫混凝土应力－应变关系是非线性的，表征其特征的弹性模量有初始切线模量、切线模量、割线模量、弦线模量等.这里玄武岩纤维贫混凝土的静力抗压弹性模量采用轴心抗压强度1/3时的割线弹性模量表示.按照表2所示配合比，依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2005)的试验方法，对玄武岩纤维贫混凝土进行28 d静力抗压弹性模量试验，结果见表5.

表5 玄武岩纤维贫混凝土28 d抗压弹性模量试验结果

由表5可得回归关系式为

由表5、公式(3)可知:掺加纤维后，试件的静力抗压模量有所增大，也就是其刚度得到了提高;但是随着玄武岩纤维掺量的增加，试件的静力抗压模量值变化幅度不大，说明玄武岩纤维的掺入提高了贫混凝土材料的抵抗弹性变形的能力，但对贫混凝土抗压模量影响不大.这是因为:玄武岩纤维贫混凝土的抗压设计强度只有10 MPa，在加载至其轴心抗压强度对应的极限荷载的1/3时，在混凝土内部容易发挥玄武岩纤维的高弹性模量的优势，可与混凝土一起通过变形抵消内部因为温度与基体产生的应力，使其更难发生变形与脆断.

3 结语

为解决贫混凝土基层沥青路面的反射裂缝问题，提出在贫混凝土基层中掺加玄武岩纤维，并通过大量的试验研究，得出了以下结论.

1)提出了玄武岩纤维贫混凝土基层配合比设计方法.即综合考虑经济性和路用性能指标，推荐玄武岩纤维最佳掺量为混合料总质量的2.0‰，最佳掺量范围为3～6 kg/m3.

2)掺入玄武岩纤维后，能较大幅度提高贫混凝土的早期抗压、抗弯拉强度，且28 d龄期的纤维贫混凝抗压、抗弯拉强度也较一般贫混凝土的提高了20%以上.

3)分别提出了玄武岩纤维贫混凝土基层的抗压、抗弯拉强度以及轴心抗压强度和抗压弹性模量的回归公式.

4)玄武岩纤维贫混凝土具有良好的抗冲击性能，较普通贫混凝土提高了近1/3倍，能有效缓解较大荷载对路面的冲击破坏.

5)玄武岩纤维提高了贫混凝土材料的静力抗压弹性模量，但提升幅度不大.

［1］孙家伟，郑木莲，王秉纲.路面基层贫混凝土的力学特性研究［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］张应立.现代混凝土配合比设计手册［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.