纤维改良混凝土材料在寒区公路面层中的应用研究

麦浪

摘要：为研究多年冻土地区某公路面层不同混凝土材料的性能优劣，文章对该工程混凝土材料性能进行对比试验研究。结果表明：（1）碳纤维混凝土的强度性能相对较好，其抗压强度为49.61 MPa、抗拉强度为3.61 MPa;（2）通过荷载应变曲线与坐标轴围成的面积分析材料的韧性，得出碳纤维混凝土的韧性很强，定性分析三种材料的弹性模量，碳纤维混凝土较普通水泥混凝土偏小，说明碳纤维混凝土具有可以产生较大形变而不破坏的能力，而沥青混凝土弹性模量太小，导致其强度等不足，材料缺陷较为明显;（3）开展冻融循环试验对比三种混凝土材料的抗冻性能，碳纤维混凝土材料的抗冻性能明显优于其他两种混凝土。

关键词：多年冻土区;公路混凝土材料;力学性能;耐久性;优化比较

0 引言

随着社会主义现代化进程的推进，公路交通已经成为串联城乡经济区发展的重要途径。根据交通运输部《2018年交通运输行业发展统计公报》，截至2018年年底，我国公路总里程达484.65万km，增长趋势明显，其中二级及以上等级公路里程为64.78万km，较2017年增加2.56万km，占公路总里程的13.4%，提高0.3个百分点。在实际公路施工过程中，公路路面材料具有举足轻重的地位，因此科学合理地选择混凝土材料尤为重要[1]。

目前工程上常用的混凝土材料有普通水泥混凝土和沥青混凝土[2]，其性质优劣各有不同：普通水泥混凝土路面主要表现为水稳定性、温度稳定性高，强度大等特点;沥青混凝土路面主要表现为养护时间短，路面柔性强，行车舒适等特点[3-5]。目前国内对上述两种材料研究较多，薛辉[6]等认为普通水泥混凝土的抗折强度和抗压强度随着水胶比的增大而减小，但与含沙量的关系不大;吴钊[7]等人探究了沥青混凝土受冻融循环的影响，分析认为冻融循环对其体积性能影响较大，其时间强度随冻融循环数增多而减小。

20世纪60年代科研人员开始研究纤维混凝土，Fernandes[8]等人在混凝土中加入钢纤维，提高了混凝土板的承载能力和变形能力。本文基于上述研究基础，进一步对多年冻土地区公路面层普通水泥混凝土、碳纤维混凝土[9]、沥青混凝土进行性能对比，寻找优化材料，以求为我国部分地区公路建设提供一定的依据。

1 工程概况与试验设计

1.1 工程概况

本次试验研究对象为我国北方寒区某路段，由于地理位置特殊，在冻融环境下具有较强的变形特性，因此针对多年冻土地区混凝土材料的力学性能和耐久性展开研究，对该工程建设具有重要的意义。

1.2 试验设计

为模拟严寒地区多年冻土区混凝土在季节更替复杂情况作用下的真实情况，分析三种混凝土材料在其性能上的优劣，本文拟进行多种试验以比较各混凝土材料的力学特性和耐久性，试验具体过程如下所述。

（1）各材料混凝土的配置：进行各混凝土的配制以实际工程设计院提供的配合数据为基准，水泥混凝土的配合比为水泥∶水∶砂∶石子=1∶0.32∶1.92∶3.35;碳纤维掺量每增加0.1%，用水量增加2 kg，确定出最终的碳纤维混凝土配合比;沥青混凝土采用普通密级配AC-20，油石比为4.5%。

（2）试件的制作与养护：为研究本文所述三种混凝土材料的力学性能和耐久性能，分别制作不同试样以进行不同试验物理参数测量，制作混凝土试样尺寸见表1，养护28 d后进行试验。

（3）将上述试样分别置于不同的试验机进行试验，对各试验参数进行分析（见表2）。

2 试验结果分析

多年冻土地区路基混凝土既会受到材料本身的力学性能的影响，也会因为所处地理区域较为特殊，而受到冻融循环作用的影响，使其物理力学性质发生很大變化。为研究普通水泥混凝土、碳纤维混凝土、沥青混凝土在多年冻土区的材料性能对比，本文对三种混凝土材料的以下性能做了分析。

2.1 抗压强度

不同材料混凝土的抗压强度如表3及图1所示，由表中测试数据可知，三种混凝土在抗压强度上有所差异，其中沥青混凝土材料差异最为明显，抗压强度仅为6.06 MPa，为本文所研究三种混凝土中抵抗压力能力最差的混凝土，碳纤维混凝土的抗压强度相比普通水泥混凝土较大，其值提升了13.94%。因此，经初步分析认为，加入适量碳纤维的混凝土其抵抗压力的能力会有所增强。

2.2 抗拉强度分析

本文研究的各类混凝土材料抗拉强度如表4和图2所示，各混凝土的抗拉强度值均远远低于其抗压强度且差异性相对较小。根据数据分析可得沥青混凝土的抗拉强度最差，其大小仅为2.19 MPa，其余两者较大，分别为3.08 MPa、3.61 MPa，且碳纤维混凝土较普通水泥混凝土的抗拉强度提升了17.21%。因此，初步分析认为，加入适量碳纤维的混凝土其抵抗拉力的能力会适度增加。

2.3 材料韧性及弹性模量分析

根据试验数据绘制各混凝土材料荷载-应变曲线如图3所示，三种不同材料混凝土均出现三个典型区域，即线性上升阶段（弹性变形区）、初裂点之后的非线性上升阶段（塑性变形区）、峰值点之后的下降阶段（破坏阶段）。根据曲线可明显观测出碳纤维混凝土的初裂强度以及极限荷载值均大于普通水泥混凝土和沥青混凝土。

混凝土材料的韧性可根据材料应力-应变曲线进行比较，根据图3所示的曲线分析碳纤维混凝土曲线与坐标轴围成的面积最大，因此其材料韧性较普通水泥混凝土和沥青混凝土更优。根据图3定性分析三种混凝土的弹性模量，其中普通水泥混凝土和碳纤维混凝土的弹性模量相差较小，后者略小，而沥青混凝土的弹性模量相比前两者要小得多。

2.4 抗冻性能比较

研究区域为多年冻土区，为合理分析该地区混凝土材料在抗冻性能上的差异，有效评价地区公路地基不同材料在寒区环境影响下的变化规律，为地区工程建设提供一定的依据，在上述研究混凝土力学性能的基础上开展耐久性研究。通过冻融循环试验测试，分析得出，质量损失率与冻融循环次数呈正相关关系，各混凝土在冻融循环25次及以内时质量损失很小，几乎为0，之后随着循环次数的增多，质量损失率与循环次数近似于成一次函数，图像中无出现峰值拐点。三种混凝土在冻融循环250次之后，碳纤维混凝土的质量损失率最小，为1.8%，普通水泥混凝土和沥青混凝土的质量损失比分别为2.2%和2.6%，分别比碳纤维混凝土多22.22%和44.44%，如图4所示，因此在抗冻性能上碳纤维混凝土的优势更为明显。

3 结语

本文以多年冻土地区某公路路基建设工程为例，基于室内试验展开对该工程混凝土材料性能对比的研究，为地区工程建设提供一定的依据。研究结果指出，普通水泥混凝土材料的抗压强度为43.54 MPa、抗拉强度为3.08 MPa;碳纤维混凝土材料的抗压强度为49.61 MPa、抗拉强度为3.61 MPa;沥青混凝土材料的抗压强度为6.06 MPa、抗拉强度为2.19 MPa，强度方面碳纤维混凝土性能较好。绘制荷载应变曲线，利用其曲线坐标轴围成的面积分析材料的韧性，得出碳纤维混凝土的韧性很强。定性分析三种材料的弹性模量，碳纤维混凝土较普通水泥混凝土偏小，说明碳纤维混凝土具有可以产生较大形变而不破坏的能力;而沥青混凝土弹性模量太小，导致其强度等不足，材料缺陷较为明显。开展冻融循环试验对比三种混凝土材料的抗冻性能，表现为碳纤维混凝土材料的抗冻性能明显优于其他两种混凝土。因此掺入适量碳纤维的混凝土更适合在多年冻土地区公路使用。

参考文献：

[1]刘 燕.高速公路路面新材料的应用及施工工艺研究[J].价值工程，2018，37（35）：239-240.

[2]马 强.基于使用性能的沥青路面面层结构与材料优化研究[D].西安：长安大学，2011.

[3]尹 松.干线公路重载交通沥青路面使用性能研究[D].郑州：郑州大學，2013.

[4]裴旭东.沥青面层与基层层间粘结强度和耐久性变化规律研究[D].西安：长安大学，2013.

[5]黄 .青藏高寒高海拔地区合理路面结构研究[D].西安：长安大学，2017.

[6]薛 辉，张荣花.普通混凝土抗折强度试验研究[J].黑龙江八一农垦大学学报，2013，25（2）：17-21，29.

[7]吴 钊.冻融循环对沥青混合料性能的影响研究[D].武汉：武汉理工大学，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]代业宁.季节性冻土区堤顶公路材料性能比较试验分析[D].哈尔滨：黑龙江大学，2017.