短切BFRC力學性能及機場道面工程應(yīng)用*

孫一民，李忠良，張 健

(1.沈陽工程學院 經(jīng)濟與管理學院，沈陽 110136；2.沈陽工業(yè)大學 建筑與土木工程學院，沈陽 110870)

建筑材料的革新是推動工程質(zhì)量不斷提高不可或缺的因素.目前，在建筑工程領(lǐng)域中復(fù)合建筑材料的應(yīng)用方興未艾，其中，各種纖維增強混凝土材料得到了深入研究并投入到工程應(yīng)用中.作為一種新興環(huán)保型的纖維材料，玄武巖纖維憑借其優(yōu)越的物理特性和力學性能而備受關(guān)注.連續(xù)玄武巖纖維(CBF)是一種以火山噴出的純凈玄武巖為唯一原料的天然無污染綠色纖維[1].生產(chǎn)工藝簡單和天然玄武巖的巨大儲量決定了玄武巖纖維價格低廉.生產(chǎn)過程中沒有任何雜質(zhì)或污染，同源性質(zhì)決定玄武巖纖維與混凝土有著天然相容性和良好的分散性，兼?zhèn)鋬?yōu)良的力學性能特性決定其是可以全面取代其他纖維的理想產(chǎn)品[2-4].通過試驗、理論分析和數(shù)值模擬等手段，對玄武巖纖維增強混凝土(BFRC)的力學性能開展研究，已成為當前該領(lǐng)域的研究熱點[5-10].針對不同比例纖維摻量對BFRC的強度進行試驗研究，并通過數(shù)值模擬的方法，分析該復(fù)合材料在飛機輪載下的受力性能，以探究不同纖維摻量對該材料的力學性能影響，為其在機場道面工程中的應(yīng)用提供借鑒.

1 加載試驗

1.1 試驗材料

采用150 mm×150 mm×150 mm立方體試件進行加載試驗.纖維采用浸膠短切玄武巖纖維，密度為2 650 kg/m3，相關(guān)物理指標參數(shù)具體如表1所示.

表1 CBF性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters for CBF

采用普通硅酸鹽水泥PSA32.5，以模數(shù)為2.68的天然細河砂作為細骨料，以粒徑為6～30 mm的碎石為混合料的粗骨料.

1.2 試驗混凝土配合比設(shè)計

根據(jù)文獻[5-6]，經(jīng)過數(shù)次試配，最終確定混凝土強度等級為C40，其配合比設(shè)計如表2所示.

表2 C40砼配合比Tab.2 Concrete mixture ratio of C40

為了研究纖維摻量對材料性能的影響，試驗中分別選用CBF體積摻量為0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%進行試驗.

1.3 試驗設(shè)備、試件制作及養(yǎng)護

試驗攪拌機采用HY2-60，振動臺采用HZJ-I型，采用SKYH-40B型恒溫恒濕養(yǎng)護箱養(yǎng)護，采用YAW-1000型電液伺服壓力試驗機進行加載.

試驗分別采用纖維預(yù)處理摻入方法(預(yù)處理方法)和普通摻入法(直摻法)兩種材料制備工藝，嚴格控制材料各組分的投料順序及攪拌時間，以保證試件的質(zhì)量及均勻性.

試件制作的全過程在控制試驗室內(nèi)進行，環(huán)境溫度保持在(23±5)℃，濕度保持大于等于50%.試件成型后在室內(nèi)放置30 h，做好記錄后放進養(yǎng)護室進行28 d養(yǎng)護，保持養(yǎng)護室室溫為(20±2)℃，相對濕度大于等于95%.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 抗壓試驗與結(jié)果分析

試驗構(gòu)件抗壓強度fcu計算公式為

fcu=F/A

(1)

式中：F為試件破壞時荷載值；A為試件承受壓力面積.

抗壓加載試驗以構(gòu)件破壞時為加載終止條件.BFRC試驗結(jié)果表明不同纖維摻量對混凝土強度的影響存在明顯差異，為了分析纖維摻量對試件抗壓強度的影響，給出了試件抗壓強度增長率與纖維摻量的關(guān)系曲線，如圖1所示.

圖1 強度增長率與纖維摻量關(guān)系Fig.1 Relationship between strength increasing rate and fiber content

根據(jù)試驗結(jié)果進行回歸分析，采用三次多項式曲線進行擬合，擬合公式為

y=-486.6x3+91.55x2+7.888x+40.57

(2)

該擬合公式的擬合度R2=0.998，因此可以計算出纖維摻量介于0.05%～0.3%之間的材料抗壓強度.

由試驗結(jié)果分析可知，當混凝土中玄武巖纖維體積摻量(fiber volume content，F(xiàn)VC)由0增加到0.2%時，混凝土試件抗壓強度一直隨著FVC同向變化，且在FVC達到0.2%時，抗壓強度達到最大峰值.其中相對抗壓強度為1.03，抗壓強度增長率為3.32%.但FVC繼續(xù)增大到0.3%時，BFRC的抗壓強度出現(xiàn)較大幅度降低，其相對抗壓強度為0.94，增長率為-6.24%.素混凝土和不同纖維摻量混凝土試件的破壞形態(tài)如圖2所示.

圖2 試件破壞形態(tài)Fig.2 Failure modes of specimens

由圖2可以看出，加載破壞的素混凝土試件外觀產(chǎn)生嚴重的崩碎現(xiàn)象，呈現(xiàn)大范圍散落狀和不完整狀態(tài).而纖維混凝土破壞的狀態(tài)明顯不同，而且隨著FVC的增加，試件破壞時散落和崩碎現(xiàn)象不再明顯，取而代之的是不規(guī)則的貫通裂紋增多.其原因是纖維在混凝土內(nèi)呈現(xiàn)雜亂不定向的三維分布狀態(tài)，形成三維支撐體系.粘結(jié)和纖維抗拉促使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生更多的微裂縫，微裂縫不斷擴展成為寬裂縫，呈現(xiàn)貫穿破壞.如果纖維摻入過多，不能完全分散開來，必將增加混凝土內(nèi)部薄弱面，受力時加速混凝土中微裂縫的開展導(dǎo)致試件承載能力喪失，形成了上述試件的破壞形態(tài).

2.2 抗劈拉試驗與結(jié)果分析

通過直接測試法和間接測試法來確定混凝土的抗拉強度.直接測試法的不足是隨機誤差較大.間接測試法試驗相對繁瑣，但測試結(jié)果更可靠，通過劈拉加載邊長150 mm混凝土試件來獲得試驗抗劈拉強度.抗劈拉強度fts計算公式為

fts=2F/(πA)=0.637F/A

(3)

BFRC試驗結(jié)果表明，不同纖維摻量對混凝土強度的影響存在明顯差異，可通過BFRC強度增長率來衡量纖維摻量效果.圖3為抗劈拉強度與纖維體積摻量的關(guān)系曲線.

由圖3可知，當CBF體積摻量介于0～0.2%之間時，試件抗劈拉強度隨FVC的增加而增大，且當FVC達到0.1%時，劈裂強度達到峰值，較素混凝土劈拉強度增長23.0%.而當FVC由0.1%增大到0.3%過程中，BFRC的劈裂強度表現(xiàn)為下降趨勢，劈裂強度不升反降，增長率為-8.8%.

素混凝土試件劈裂抗拉斷面呈現(xiàn)出一條直線裂縫，而BFRC劈裂抗拉斷面表現(xiàn)為一條或幾條彎曲斷裂線，每條彎曲線連通著一些細小裂紋.分析其原因，素混凝土為抗壓能力很強的脆性材料，其抗拉強度很低，抗拉能力主要是來自內(nèi)部骨料間水泥膠凝體提供的粘結(jié)力.當粘結(jié)力不能抵抗外荷載時導(dǎo)致試件發(fā)生破壞，因而破壞時裂紋呈現(xiàn)比較平直形態(tài).試驗摻入的短切玄武巖纖維具有很好的抗拉性能，將其拉斷需要很大的耗能.同時纖維在基材內(nèi)部分散了混凝土內(nèi)部的拉應(yīng)力走向，降低了試件內(nèi)部應(yīng)力集中程度，緩解了應(yīng)力過度集中的破壞力，降低了裂紋開裂劇烈程度.由于纖維的摻入和受力分擔，改變了原來裂紋開裂的走向，促使破壞時裂紋不再呈現(xiàn)平直狀態(tài)，而呈曲向分布.

圖3 抗劈拉強度與纖維摻量關(guān)系Fig.3 Relationship between splitting tensile strength and fiber content

3 BFRC機場跑道結(jié)構(gòu)及參數(shù)

飛機跑道路面模型建立正確合理是數(shù)值模擬分析結(jié)果可靠的前提.根據(jù)當前多數(shù)軍用機場跑道的路面結(jié)構(gòu)構(gòu)建模型，所建立的BFRC機場跑道路面模型結(jié)構(gòu)自下而上分別為：土基、級配礫石墊層、水泥穩(wěn)定碎石基層和玄武巖纖維混凝土面層.

對BFRC跑道進行數(shù)值模擬時，一般視作彈性結(jié)構(gòu)，采用小撓度板理論的靜力學方法進行分析.數(shù)值模擬時BFRC面層各項參數(shù)的取值如表3所示.

4 機輪荷載參數(shù)選擇

客機、戰(zhàn)斗機和大型運輸機是當前飛機的主要類型，其中有代表性的機型為B737-300、SU-27、EL-76三種機型.B737-300為雙發(fā)式中短程客機，最大起飛質(zhì)量為56.5 t；SU-27為單座雙發(fā)重型戰(zhàn)斗機，最大起飛質(zhì)量為32.3 t；EL-76為一種大型運輸機，最大起飛質(zhì)量為167 t.機場跑道路面受以上三種機型輪胎作用力的參數(shù)如表4所示.

表3 BFRC機場跑道各結(jié)構(gòu)層參數(shù)Tab.3 Parameters of structural layer of BFRC airport runway

表4 飛機型號及參數(shù)Tab.4 Types and parameters of aircrafts

飛機重量荷載是通過起落架上的輪胎作用于跑道上，主起落架上輪胎作用于機場道面的荷載Pt與機型質(zhì)量G、主起落架上荷載分配系數(shù)P、主起落架個數(shù)nc、主起落架輪數(shù)nw等因素相關(guān)，Pt表達式為

Pt=PG/(ncnw)

(4)

飛機輪胎與地面接觸面的形狀如圖4所示.

圖4 飛機輪印形狀Fig.4 Tire-race shape of airplane

飛機輪胎與道面接觸面長度為

(5)

輪胎與道面接觸面寬度為

Wt=0.6Lt

(6)

由圖4可以看出，飛機輪印是中間一個矩形與兩側(cè)兩個半圓形的組合，面積為

(7)

根據(jù)式(4)～(6)和表4提供的飛機各項參數(shù)，得到各機型的輪印面積.為方便有限元分析，用等面積的矩形代替輪印實際形狀，各機型輪印面積如表5所示.

表5 各機型輪印面積Tab.5 Tire-race area of various airplanes

5 BFRC結(jié)構(gòu)機場跑道數(shù)值模擬

5.1 機場跑道建模

運用ABAQUS有限元軟件進行機場跑道道面數(shù)值模擬.機場跑道寬度一般為幾十米，而長度超過25 000 km.為防止道面開裂，面層通常被分割成規(guī)則的矩形.用三維立體有限元模型進行分析，水平方向上取一塊道面板尺寸5 m×5 m，在厚度方向上取10 m，其中土基厚度取9 m.各層之間均采用垂直鏈接，模型四面邊界采用法向約束，土基底面采取固定端約束.

5.2 模擬計算結(jié)果分析

模擬三種機型加載最不利工況，獲得了SU-27、B737-300、EL-76三種機型加載時跑道的面層、基層、墊層及土基的應(yīng)力、應(yīng)變及位移結(jié)果.

在SU-27作用下，道面所受到的最大主應(yīng)力云圖、Mises應(yīng)力云圖、飛機前進方向(y方向)、豎直方向(z方向)應(yīng)力云圖如圖5所示.由圖5可以看出，道面加載點附近面層受壓，應(yīng)力最大值為1.453 MPa，周圍位置均受拉，梯度無明顯變化.x方向為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力最大值為2.340 MPa，出現(xiàn)在加載點的中心處，從該位置向兩側(cè)逐漸過渡到承受拉力.在模型邊緣處，加載點右側(cè)出現(xiàn)正應(yīng)力最大值，最大負值位于加載點左側(cè)，拉、壓區(qū)大致以加載點相對稱.相對應(yīng)的另外一個加載點的應(yīng)力分布與之相類似.

圖5 SU-27道面應(yīng)力云圖Fig.5 Stress nephogram of SU-27 pavement

模擬B737-300機型加載時飛機跑道道面的最大主應(yīng)力云圖、水平橫向(x方向)、飛機前進方向(y方向)、豎直方向(z方向)應(yīng)力云圖如圖6所示.由圖6可知，跑道面層主要承受壓應(yīng)力，最大壓力值為1.305 MPa，出現(xiàn)在中間位置.跑道面層兩側(cè)邊緣在x方向出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大值為0.927 2 MPa.跑道面層在y方向拉應(yīng)力位于加載點右側(cè)，最大值為0.346 8 MPa，受拉區(qū)和受壓區(qū)大致以加載點為軸兩側(cè)對稱.

模擬EL-76機型加載時飛機跑道道面的最大應(yīng)力云圖、水平橫向(x方向)、飛機前進方向(y方向)、豎直方向(z方向)應(yīng)力云圖分別如圖7所示.

圖7中，跑道面層輪壓加載點處產(chǎn)生最大壓應(yīng)力值為1.191 MPa，在x方向應(yīng)力普遍小于其他位置，最內(nèi)側(cè)加載點處應(yīng)力最小.兩排加載點在y方向呈現(xiàn)相同應(yīng)力變化趨勢，即左側(cè)受壓應(yīng)力為負值，右側(cè)受拉應(yīng)力為正值.

通過模擬分析，得出三種機型荷載作用下飛機跑道面層、基層、墊層及土基的應(yīng)力、應(yīng)變及位移情況.最大主應(yīng)力、主應(yīng)變、Mises應(yīng)力極值、總位移極值、豎向和前進方向的最大應(yīng)力、應(yīng)變、位移如表6所示.

圖6 B737-300道面應(yīng)力云圖Fig.6 Stress nephogram of B737-300 pavement

圖7 EL-76道面應(yīng)力云圖Fig.7 Stress nephogram of EL-76 pavement

表6 飛機型號及相應(yīng)參數(shù)Tab.6 Aircraft types and corresponding parameters

表6中數(shù)據(jù)顯示，模型加載所產(chǎn)生的最大應(yīng)力為B737-300機型降落時產(chǎn)生的2.351 MPa，相應(yīng)應(yīng)變?yōu)?4.196×10-4，位移為-2.036 mm，未超出機場跑道所允許的極限值.

分析結(jié)果表明，飛機的起飛和著陸的最大重量、飛機主起落架數(shù)量及起落架分配系數(shù)、飛機輪胎數(shù)量、輪胎與跑道接觸面積是影響機場跑道路面受力狀況的直接因素，玄武巖纖維混凝土的性能可以滿足機場道面的安全要求.

6 結(jié) 論

通過試驗和數(shù)值模擬開展BFRC力學性能和機場道面工程應(yīng)用研究，得到以下結(jié)論：

1)CBF摻量對于混凝土的抗壓強度有直接的影響，摻量為0.1%是臨界點，低于臨界點時強度隨著CBF體積摻量的增加而增加，高于臨界點時抗壓強度隨著摻量增加而減小.

2)CBF的摻入改變了原有混凝土材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的受力方式和傳導(dǎo)途徑，劈拉破壞形態(tài)發(fā)生了改變，增加了材料的塑性特征.

3)飛機的起落荷載、主起落架的設(shè)置、飛機輪胎數(shù)量、輪印、胎壓等因素是影響飛機對機場跑道路面受力的直接影響因素，研究時主要考慮機載最不利位置時的工況.

4)通過分析三種典型機型加載條件下BFRC跑道的應(yīng)力、應(yīng)變、位移的分布情況，表明采用的該復(fù)合材料性能良好，機場道面是安全的.