水镁石纤维对水泥混凝土路用性能影响

2018-08-14邢煌

交通科技 2018年4期

邢煌

(海南路桥工程有限公司三亚 572000)

由于水泥混凝土生产材料成本低廉，且具有较高的抗压强度和结构稳定性，所以在国内道路建设中应用较为广泛[1]。但随着国内交通量的日益增加，普通的水泥混凝土路面已经无法满足行车荷载的要求。尤其是在重载条件下，水泥混凝土路面经常会由于遭受各种病害，未达到预计使用年限就提前破坏，给道路的正常运营造成难以估量的损失[2]。因此，普通水泥混凝土改性材料应运而生。

水镁石纤维是一种天然的无机矿石纤维材料，其采集成本较为廉价，而且具有较高的抗拉强度。天然的水镁石纤维长度一般能到30 cm左右，较长的能达到100 cm以上[3]。水镁石纤维添加到普通水泥混凝土中能够起到增韧的作用。因此，国内许多学者对天然水镁石纤维的路用性能有了较为深入的研究，比如，长安大学的严丽君[4]和关博文等[5-6]。但很多学者的研究大都集中在一定添加剂量下水镁石纤维对路用性能作用效果上，对不同掺量的水镁石纤维路用性能研究相对较少。本文旨在研究国内常用的3种类型的水镁石纤维材料，在不同添加剂量条件下，对普通水泥混凝土的路用性能影响。

1 试验方案及原材料技术指标

1.1 试验组织方案

本课题研究A类(9 mm)、B类(12 mm)和C类(15 mm)3种类型的水镁石纤维材料，添加剂量分别为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计算)的条件下，对普通水泥混凝土试件的改性作用。

为了使水镁石纤维材料在水泥混凝土中分散均匀，先将水镁石纤维材料、水和水泥放在一起进行搅拌120 s，得到水泥浆。然后再放入砂和碎石进行机械拌和。水泥混凝土拌和好以后，将其装入试模中，并放在振动台上振动25 s，使得试件更加密实。试验方案流程见图1。

图1 试验方案流程图

1.2 原材料技术指标

水镁石纤维材料指标、水泥指标检测结果、砂与碎石选用级配见表1～3。

表1 水镁石纤维指标

表2 水泥指标检测结果

表3 砂与碎石选用级配

2 试验结果及分析

2.1 抗弯拉强度试验结果与分析

按照规范[7]要求，进行抗弯拉强度试验。试验采用三分点处双点加载装置，试件大小为150 mm×150 mm×450 mm。试件养护28 d后，放在试验机上以0.08 MPa/s的加载频率进行试验。抗弯拉强度试验结果见表4和图2。

表4 抗弯拉强度测试

图2 抗弯拉强度与水镁石纤维掺量关系

由表4和图2可见，随着水镁石纤维添加剂量的增加，3组试件的抗弯拉强度均有不同程度的提高。添加A类水镁石纤维的水泥混凝土试件，在其掺量为6 kg/m3时，试件的抗弯拉强度为5.45 MPa，比未添加纤维试件的抗弯拉强度提高了14.0%。当继续提高水镁石纤维的掺量时，其试件的抗弯拉强度相比掺量为6 kg/m3的试件有所降低。所以添加A类水镁石纤维的水泥混凝土试件，在掺量为6 kg/m3时，试件的抗弯拉性能达到最优。

添加B类水镁石纤维的水泥混凝土试件，在其掺量为4.5 kg/m3时，试件的抗弯拉强度为5.11 MPa，比未添加纤维试件的抗弯拉强度提高了6.9%。当继续提高水镁石纤维的掺量时，其试件的抗弯拉强度相比掺量为4.5 kg/m3的试件有所降低。所以添加B类水镁石纤维的水泥混凝土试件，在掺量为4.5 kg/m3时，试件的抗弯拉性能达到最优。

添加C类水镁石纤维的水泥混凝土试件，在其掺量为4.5 kg/m3时，试件的抗弯拉强度为5.31 MPa，比未添加纤维试件的抗弯拉强度提高了11.1%。当继续提高水镁石纤维的掺量时，其试件的抗弯拉强度相比掺量为4.5 kg/m3的试件有所降低。所以添加C类水镁石纤维的水泥混凝土试件，在掺量为4.5 kg/m3时，试件的抗弯拉性能达到最优。

3组试件的最优抗弯拉性能依次为：A类水镁石纤维试件>C类水镁石纤维试件>B类水镁石纤维试件。

由于水泥混凝土路面相比沥青混凝土路面刚度较大，其抗压性能要好于沥青路面。交通量大的路段，由于水泥混凝土路面承受的荷载频率较大，这对于水泥混凝土路面抗弯拉性能提出更高要求，而水镁石纤维加入可以明显改善水泥混凝土材料的抗弯拉性能，承受更大的荷载。3类水镁石纤维相比较而言，A类水镁石纤维改善抗弯拉强度的效果最高，且在掺量为6 kg/m3时达到最大值，为5.45 MPa，故其更适宜在交通量较大的路段使用。

上述3组试件的抗弯拉强度均有不同程度的提高。这是因为水镁石纤维是一种韧性较好的纤维材料，且与水泥混凝土之间有较好的相容性。水镁石纤维在试件内部呈空间分布，能够起到阻止裂缝发展的作用，所以试件的抗弯拉强度会有所提高。但继续添加水镁石纤维时，试件的抗弯拉强度反而有所降低。这是因为当水镁石纤维添加过多时，纤维材料在试件内部不易分散均匀，出现明显的纤维缠绕、团结现象。导致试件内部受力不均，所以试件的抗弯拉强度反而有所降低。

2.2 渗水试验结果与分析

为研究A类(9mm)、B类(12 mm)和C类(15 mm)3种类型的水镁石纤维材料对普通水泥混凝土试件渗水性能作用效果，本研究采用渗水试验，试件尺寸高和直径均为150 mm。试件养护28 d后，放进水压为0.8 MPa的渗水仪，24 h后记录试件的渗水高度。每组平行试验不得少于3个。渗水试验结果见表5和图3。

表5 渗水试验测试结果

图3 渗水高度与水镁石纤维掺量关系

由表5和图3可见，随着水镁石纤维添加剂量的增加，3组试件的渗水高度均有不同程度的降低。添加A类水镁石纤维的水泥混凝土试件，在其掺量为6 kg/m3时，试件的渗水高度为6.1 cm，比未添加纤维试件的渗水高度降低了40.2%。当继续提高水镁石纤维的掺量时，其试件的渗水高度相比掺量为6 kg/m3的试件有所升高。所以添加A类水镁石纤维的水泥混凝土试件，在掺量为6 kg/m3时，试件的抗渗性能达到最优。

添加B类水镁石纤维的水泥混凝土试件，在其掺量为4.5 kg/m3时，试件的渗水高度为5.8 cm，比未添加纤维试件的渗水高度降低了43.1%。当继续提高水镁石纤维的掺量时，其试件的渗水高度相比掺量为4.5 kg/m3的试件有所升高。所以添加B类水镁石纤维的水泥混凝土试件，在掺量为4.5 kg/m3时，试件的抗渗性能达到最优。

添加C类水镁石纤维的水泥混凝土试件，在其掺量为6 kg/m3时，试件的渗水高度为6.3 cm，比未添加纤维试件的渗水高度降低了38.2%。当继续提高水镁石纤维的掺量时，其试件的渗水高度相比掺量为6kg/m3的试件有所升高。所以添加C类水镁石纤维的水泥混凝土试件，在掺量为6 kg/m3时，试件的抗渗性能达到最优。

3组试件的最优抗渗性能依次为B类水镁石纤维试件>A类水镁石纤维试件>C类水镁石纤维试件。3组试件的抗渗性能均有不同程度的提高。这是因为纤细的水镁石纤维分布在水泥混凝土中，促进了试件内多余水分的散发。减少了试件中气孔的形成，使得试件内部更加密实，减少了水流的通道，所以试件的抗渗性能有所提高。但继续添加水镁石纤维时，试件的抗渗性能反而有所降低。这是因为当水镁石纤维添加过多时，试件内部出现明显的团结现象。对促进试件水分的散发的效果不明显，所以试件的抗渗性能反而有所降低。通过对含3类水镁石纤维的水泥材料的渗水性能比较，B类水镁石纤维的渗水高度最大，且在掺量为4.5 kg/m3时达到最大值。故B类水镁石纤维更适合加入到适用于多雨地区的水泥混凝土材料中。

2.3 轴心抗压强度试验结果与分析

为研究A类(9 mm)、B类(12 mm)和C类(15 mm)3种类型的水镁石纤维材料对普通水泥混凝土试件抗压性能作用效果，本研究采用万能试验机，试件尺寸直径×高均为150 m×300 mm。试件养护28 d后，放在万能试验机上，以0.8 MPa/s的加载速率进行轴心抗压强度试验。抗压强度试验结果见表6和图4。

表6 轴心抗压强度测试

由表6和图4可见，随着水镁石纤维添加剂量的增加，3组试件的抗压强度均有不同程度的提高。添加A类水镁石纤维的水泥混凝土试件，在其掺量为4.5 kg/m3时，试件的轴心抗压强度为47.8 MPa，比未添加纤维试件的轴心抗压强度提高了18.9%。当继续提高水镁石纤维的掺量时，试件的轴心抗压强度相比掺量为4.5 kg/m3的试件有所降低。所以添加A类水镁石纤维的水泥混凝土试件，在掺量为4.5 kg/m3时，试件的抗压性能达到最优。

图4 轴心抗压强度与水镁石纤维掺量关系

添加B类水镁石纤维的水泥混凝土试件，在其掺量为6 kg/m3时，试件的轴心抗压强度为46.5 MPa，比未添加纤维试件的轴心抗压强度提高了15.7%。当继续提高水镁石纤维的掺量时，其试件的轴心抗压强度相比掺量为6 kg/m3的试件有所降低。所以添加B类水镁石纤维的水泥混凝土试件，在掺量为6 kg/m3时，试件的抗压性能达到最优。

添加C类水镁石纤维的水泥混凝土试件，在其掺量为6 kg/m3时，试件的轴心抗压强度为44.2 MPa，比未添加纤维试件的轴心抗压强度提高了10.0%。当继续提高水镁石纤维的掺量时，其试件的轴心抗压强度相比掺量为6 kg/m3的试件有所降低。所以添加C类水镁石纤维的水泥混凝土试件，在掺量为6 kg/m3时，试件的抗压性能达到最优。

3组试件的最优抗压性能依次为A类水镁石纤维试件>B类水镁石纤维试件>C类水镁石纤维试件。

3组试件的抗压性能随着水镁石纤维添加剂量的增加，先升高后降低。其原因与添加水镁石纤维试件的抗弯拉性能变化机理一致。

3 工程应用

为验证水镁石纤维路面的使用性能，特意铺设了3条试验路段。每条长100 m，并增设1条对照组，设计路面荷载等级采用标准轴载BZZ-100。路幅宽度为5 m，为1条行车道宽4 m，2条土路肩宽2×0.5 m。水泥混凝土面层厚度为17 cm，水泥稳定碎石(水泥含量为4.5%)基层为16 cm。在试验路段开放交通1年后，对试验路段进行钻芯取样。观察芯样试件水泥混凝土面板与基层的连接状态，并测试面层抗压强度。芯样试件的公称直径为70 mm，高径比为1∶1，其芯样试验结果如表7所示。

表7 芯样试件抗压强度试验结果

由表7可见，掺量为4.5 kg/m3的A类水镁石纤维路面芯样试件抗压强度达到室内试验结果的92.3%；掺量为6 kg/m3的A类水镁石纤维路面芯样试件抗压强度达到室内试验结果的90.1%；掺量为4.5 kg/m3的B类水镁石纤维路面芯样试件抗压强度达到室内试验结果的89.0%；而无添加水镁石纤维路段的芯样试件抗压强度仅为室内试验强度的81.1%。说明研究采用的水镁石纤维均能够提高路面的抗压性能，与室内试验结果分析较一致。

室内试验和工程实际应用的结果均表明，适量水镁石纤维的加入，确实能够在一定程度上提高水泥混凝土的路用性能和实用效果。从路面结构设计的角度出发，水镁石纤维改性后的水凝混凝土，其在抗压强度、抗弯拉强度方面有很好的改善效果，故在结构设计中，尤其是面层设计时，可以考虑添加适量的水镁石纤维以提高材料抵抗荷载的能力，延长路面使用寿命。