玄武岩纤维对桥面铺装混凝土性能的影响研究

徐广宁

(广西交通投资集团河池高速公路运营有限公司南丹分公司，广西 河池 546300)

0 引言

随着国民经济和交通运输的迅猛发展，现今公路交通状态呈现出高速重载的特征，传统桥梁铺装材料在超载重载的长期作用下容易产生龟裂、破损等病害问题，不仅导致路面的使用性能和寿命降低，还给道路行车舒适性及安全带来严重影响，因此如何提高桥面铺装材料的性能已成为目前热点研究课题[1-3]。纤维是一种抗拉抗裂、抗剪抗弯、耐温及耐酸碱的新型材料，将其运用于桥面铺装混凝土中不仅能够增强混凝土的增韧阻裂能力，还能有效延长桥面铺装混凝土的使用寿命[4]。

近年来，国内学者在纤维混凝土方面进行了不少研究，如刘斌等[5]研究了PVA短切纤维在桥面铺装混凝土中的优化应用；焦华喆等[6]以玄武岩纤维为控制变量，探讨了其对喷射混凝土力学强度的变化规律；李建[7]探讨了短切玄武岩纤维的长度及体积掺量对矿渣粉煤灰混凝土抗压、抗折及抗拉强度的影响。本研究通过设计并制备了5种不同玄武岩纤维体积掺量的桥面铺装混凝土，针对玄武岩纤维桥面铺装混凝土的力学强度及冻融损伤性能进行系统分析，旨在为高性能桥面铺装混凝土的设计及施工应用提供参考与借鉴。

1 试验材料及方法

1.1 原材料

(1)水泥：某水泥厂家生产的P·O 42.5级水泥，其各项性能技术指标如表1所示。

(2)粗骨料：采用粒径为5～30 mm的石灰岩碎石。

(3)细集料：采用天然河砂，中粗砂，细度模数为2.43，其各项指标满足规范要求。

(4)玄武岩纤维：选用长度为12 mm，单丝直径为16～18μm，密度为2.46 g/cm3，抗拉强度为4 150～4 750 MPa，弹性模量为78.3～115.1 MPa，极限延伸率为2.23%～3.26%。

(5)外加剂：聚羧酸高效减水剂，减水率为15%～30%。

(6)水：市政生活用水。

表1 P·O 42.5水泥技术性能指标表

1.2 配合比设计

本实验采用的混凝土强度等级为C60，选用玄武岩纤维为研究对象，其余混凝土配比保持不变。其中玄武岩纤维掺量分别为0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%，水胶比为0.34，具体配合比设计如表2所示。

表2 混凝土配合比设计表

1.3 试验方法

按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)中的相关标准，分别对混凝土进行抗压强度、抗拉强度、抗折强度、冻融损伤试验，其中混凝土抗压强度试件选用尺寸为100 mm的立方体试块，劈裂抗拉强度试件选用尺寸为φ150 mm×300 mm的试块，抗折强度和冻融循环试件均选用尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的长方体试块，分别在龄期为3 d、7 d和28 d时进行混凝土的性能研究。

2 试验结果及分析

2.1 立方体抗压强度

通过对不同玄武岩纤维掺量的混凝土进行立方体抗压强度测试，分别得出混凝土在3 d、7 d、28 d龄期时的抗压强度变化规律如图1所示。

图1 混凝土抗压强度变化曲线图

由图1可知，随着玄武岩纤维掺量的增大，混凝土的抗压强度呈先增大后减小的变化趋势。当玄武岩纤维掺量为0.1%时，不同龄期混凝土的抗压强度分别为52.02 MPa、63.73 MPa和67.78 MPa，均达到了最大值，说明玄武岩纤维能够提高混凝土的抗压强度。当玄武岩纤维掺量由0增至0.1%时，混凝土的抗压强度逐渐增大，相对于未掺纤维的混凝土，龄期为3 d、7 d和28 d的混凝土的抗压强度分别增长了5.7%、3.5%和2.2%。当玄武岩纤维掺量由0.1%增至0.4%时，混凝土的抗压强度逐渐减小，说明适量的玄武岩纤维掺量才能增加混凝土的抗压强度。其原因是玄武岩纤维混凝土的弹性高于未掺纤维混凝土的弹性，能在混凝土内部形成拉应力，致使混凝土的抗压强度增大，而当玄武岩纤维过量时，混凝土内部纤维分布不均匀，降低了混凝土的黏度，在一定程度上削弱了水泥对混凝土抗压强度的提升，故混凝土的抗压强度减小。

2.2 抗折强度

通过对尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的长方体试块进行抗折强度测试，分别得出7 d和28 d龄期的抗折强度变化规律如图2所示。

图2 混凝土抗折强度的变化曲线图

根据图2可知，随着玄武岩纤维掺量的增加，混凝土的抗折强度呈先增大后减小的变化趋势。当玄武岩纤维掺量由0增至0.1%时，混凝土的抗折强度逐渐增大，与未掺纤维混凝土相比龄期为7 d、28 d混凝土的抗折强度分别增长了14%、13.6%，说明玄武岩纤维的增加能够有效地增大混凝土的抗折强度；当玄武岩纤维掺量为0.1%时，7 d、28 d龄期混凝土的抗折强度分别为10.19 MPa、11.83 MPa，都达到了最大值，故当玄武岩纤维掺量为0.1%时，混凝土的抗折强度最好；当玄武岩纤维掺量由0.1%增至0.4%时，混凝土的抗折强度逐渐减小，说明过量的玄武岩纤维会降低混凝土的抗折强度。由抗折强度试验结果可知，适量的玄武岩纤维掺量能够增大混凝土的抗折强度，过量则会降低。这是因为玄武岩纤维能够对混凝土产生牵拉作用，从而抑制了混凝土的折断，但玄武岩纤维掺量过多会使混凝土基体的纤维分布不均匀、杂乱以及堆积，导致混凝土的抗折强度降低。

2.3 劈裂抗拉强度

通过对尺寸为φ150 mm×300 mm的试块进行劈裂抗拉强度的试验，分别得出玄武岩纤维掺量为0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%的劈裂抗拉强度的变化规律如图3所示。

图3 混凝土劈裂抗拉强度的变化曲线图

根据图3可知，随着玄武岩纤维掺量的增加，混凝土的劈裂抗拉强度呈先增大后减小的变化趋势。当玄武岩纤维掺量由0增至0.1%时，不同龄期混凝土的劈裂抗拉强度逐渐增大；当玄武岩纤维掺量在0.1%时，3 d、7 d、28 d龄期的混凝土劈裂抗拉强度分别为5.36 MPa、6.65 MPa、7.16 MPa，混凝土的劈裂抗拉强度达到最大，相对于未掺纤维混凝土的劈裂抗拉强度分别增长了19.4%、16.1%、13.1%；当玄武岩纤维掺量由0.1%增至0.4%时，不同龄期混凝土的劈裂抗拉强度逐渐降低。由混凝土劈裂抗拉强度试验可知，玄武岩纤维掺量对混凝土的劈裂抗拉强度有显著的影响，适量的玄武岩纤维掺量能够增大混凝土的劈裂抗拉强度，而过量的玄武岩纤维掺量则会降低混凝土的劈裂抗拉强度。其原因是玄武岩纤维能够在混凝土内部形成了有效的空间网络，能够起到较好的抗拉作用，从而增大了混凝土的劈裂抗拉强度，但玄武岩纤维掺量过多会使纤维成团现象严重，导致混凝土粘结力下降，缝隙增多，从而降低了混凝土的劈裂抗拉强度。

2.4 冻融损伤

2.4.1 冻融循环后的抗压强度

通过对不同玄武岩纤维掺量的混凝土试件进行冻融损伤试验，分别得到混凝土在冻融循环0次、50次、100次、150次、200次后的抗压强度变化规律如图4所示。

图4 冻融循环后混凝土抗压强度的变化曲线图

根据图4可知，随着玄武岩纤维掺量的增加，冻融循环后的混凝土抗压强度呈先增大后减小的变化趋势。当玄武岩纤维掺量由0增至0.1%时，冻融循环后的混凝土抗压强度逐渐增大；当玄武岩纤维掺量为0.1%时，冻融循环0次、50次、100次、150次、200次后的混凝土抗压强度分别为67.78 MPa、63.42 MPa、58.98 MPa、54 MPa和46.18 MPa，冻融循环后的混凝土抗压强度达到最大，与未掺纤维冻融循环后混凝土的抗压强度相比分别增加了2.2%、2.3%、3.4%、2%、3.2%；当玄武岩纤维掺量由0.1%增至0.4%时，冻融循环后的混凝土抗压强度逐渐减小。从冻融循环后的混凝土抗压强度实验结果可知，冻融循环后适量的玄武岩纤维掺量能够增加混凝土抗压强度，当玄武岩纤维掺量过多时，混凝土经过冻融循环损伤后会降低抗压强度。

2.4.2 冻融循环后的抗折强度

将不同玄武岩纤维掺量的混凝土试件分别冻融循环0次、100次、200次、300次、400次，然后对其抗折强度进行测试，得到冻融循环后混凝土的抗折强度变化规律如图5所示。

图5 冻融循环后混凝土抗折强度的变化曲线图

根据图5可知，随着玄武岩纤维掺量的增加，冻融循环后的混凝土抗折强度呈先增大后减小的变化趋势。当玄武岩纤维掺量由0增至0.1%时，冻融循环后的混凝土抗折强度逐渐增大；在玄武岩纤维掺量为0.1%时，冻融循环0次、100次、200次、300次、400次的混凝土抗折强度分别为11.83 MPa、10.81 MPa、9.71 MPa、8.28 MPa、6.62 MPa，冻融循环后的混凝土抗折强度达到最大，与未掺纤维混凝土冻融循环后的抗折强度相比分别增加了13.6%、14.5%、16.3%、22.5%、39.1%；玄武岩纤维掺量由0.1%继续增至0.4%时，冻融循环后的混凝土抗折强度逐渐减小。由冻融循环后的混凝土抗折强度实验结果可知，冻融循环后适量的玄武岩纤维掺量能够改善混凝土抗折强度，当玄武岩纤维掺量过多时，混凝土经过冻融循环损伤后会降低抗折强度。

3 结语

本文通过对桥面铺装混凝土进行性能试验，分别探讨了不同玄武岩纤维掺量对桥面铺装混凝土力学性能及冻融损伤性能的影响。研究表明，随着玄武岩纤维的增加，桥面铺装混凝土在冻融损伤和未冻融损伤情况下的强度均呈先增大后减小的变化趋势，且玄武岩纤维的最佳掺量为0.1%，即适量的玄武岩纤维有利于改善桥面铺装混凝土的力学性能，而玄武岩纤维过量在混凝土内部难以均匀分布，容易产生成团现象，致使混凝土的粘结力下降，故不利于改善桥面铺装混凝土的力学强度。