玄武巖纖維對橋面鋪裝混凝土性能的影響研究

徐廣寧

(廣西交通投資集團(tuán)河池高速公路運營有限公司南丹分公司，廣西 河池 546300)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)和交通運輸?shù)难该桶l(fā)展，現(xiàn)今公路交通狀態(tài)呈現(xiàn)出高速重載的特征，傳統(tǒng)橋梁鋪裝材料在超載重載的長期作用下容易產(chǎn)生龜裂、破損等病害問題，不僅導(dǎo)致路面的使用性能和壽命降低，還給道路行車舒適性及安全帶來嚴(yán)重影響，因此如何提高橋面鋪裝材料的性能已成為目前熱點研究課題[1-3]。纖維是一種抗拉抗裂、抗剪抗彎、耐溫及耐酸堿的新型材料，將其運用于橋面鋪裝混凝土中不僅能夠增強混凝土的增韌阻裂能力，還能有效延長橋面鋪裝混凝土的使用壽命[4]。

近年來，國內(nèi)學(xué)者在纖維混凝土方面進(jìn)行了不少研究，如劉斌等[5]研究了PVA短切纖維在橋面鋪裝混凝土中的優(yōu)化應(yīng)用；焦華喆等[6]以玄武巖纖維為控制變量，探討了其對噴射混凝土力學(xué)強度的變化規(guī)律；李建[7]探討了短切玄武巖纖維的長度及體積摻量對礦渣粉煤灰混凝土抗壓、抗折及抗拉強度的影響。本研究通過設(shè)計并制備了5種不同玄武巖纖維體積摻量的橋面鋪裝混凝土，針對玄武巖纖維橋面鋪裝混凝土的力學(xué)強度及凍融損傷性能進(jìn)行系統(tǒng)分析，旨在為高性能橋面鋪裝混凝土的設(shè)計及施工應(yīng)用提供參考與借鑒。

1 試驗材料及方法

1.1 原材料

(1)水泥：某水泥廠家生產(chǎn)的P·O 42.5級水泥，其各項性能技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

(2)粗骨料：采用粒徑為5～30 mm的石灰?guī)r碎石。

(3)細(xì)集料：采用天然河砂，中粗砂，細(xì)度模數(shù)為2.43，其各項指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

(4)玄武巖纖維：選用長度為12 mm，單絲直徑為16～18μm，密度為2.46 g/cm3，抗拉強度為4 150～4 750 MPa，彈性模量為78.3～115.1 MPa，極限延伸率為2.23%～3.26%。

(5)外加劑：聚羧酸高效減水劑，減水率為15%～30%。

(6)水：市政生活用水。

表1 P·O 42.5水泥技術(shù)性能指標(biāo)表

1.2 配合比設(shè)計

本實驗采用的混凝土強度等級為C60，選用玄武巖纖維為研究對象，其余混凝土配比保持不變。其中玄武巖纖維摻量分別為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%，水膠比為0.34，具體配合比設(shè)計如表2所示。

表2 混凝土配合比設(shè)計表

1.3 試驗方法

按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分別對混凝土進(jìn)行抗壓強度、抗拉強度、抗折強度、凍融損傷試驗，其中混凝土抗壓強度試件選用尺寸為100 mm的立方體試塊，劈裂抗拉強度試件選用尺寸為φ150 mm×300 mm的試塊，抗折強度和凍融循環(huán)試件均選用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的長方體試塊，分別在齡期為3 d、7 d和28 d時進(jìn)行混凝土的性能研究。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 立方體抗壓強度

通過對不同玄武巖纖維摻量的混凝土進(jìn)行立方體抗壓強度測試，分別得出混凝土在3 d、7 d、28 d齡期時的抗壓強度變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 混凝土抗壓強度變化曲線圖

由圖1可知，隨著玄武巖纖維摻量的增大，混凝土的抗壓強度呈先增大后減小的變化趨勢。當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.1%時，不同齡期混凝土的抗壓強度分別為52.02 MPa、63.73 MPa和67.78 MPa，均達(dá)到了最大值，說明玄武巖纖維能夠提高混凝土的抗壓強度。當(dāng)玄武巖纖維摻量由0增至0.1%時，混凝土的抗壓強度逐漸增大，相對于未摻纖維的混凝土，齡期為3 d、7 d和28 d的混凝土的抗壓強度分別增長了5.7%、3.5%和2.2%。當(dāng)玄武巖纖維摻量由0.1%增至0.4%時，混凝土的抗壓強度逐漸減小，說明適量的玄武巖纖維摻量才能增加混凝土的抗壓強度。其原因是玄武巖纖維混凝土的彈性高于未摻纖維混凝土的彈性，能在混凝土內(nèi)部形成拉應(yīng)力，致使混凝土的抗壓強度增大，而當(dāng)玄武巖纖維過量時，混凝土內(nèi)部纖維分布不均勻，降低了混凝土的黏度，在一定程度上削弱了水泥對混凝土抗壓強度的提升，故混凝土的抗壓強度減小。

2.2 抗折強度

通過對尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的長方體試塊進(jìn)行抗折強度測試，分別得出7 d和28 d齡期的抗折強度變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 混凝土抗折強度的變化曲線圖

根據(jù)圖2可知，隨著玄武巖纖維摻量的增加，混凝土的抗折強度呈先增大后減小的變化趨勢。當(dāng)玄武巖纖維摻量由0增至0.1%時，混凝土的抗折強度逐漸增大，與未摻纖維混凝土相比齡期為7 d、28 d混凝土的抗折強度分別增長了14%、13.6%，說明玄武巖纖維的增加能夠有效地增大混凝土的抗折強度；當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.1%時，7 d、28 d齡期混凝土的抗折強度分別為10.19 MPa、11.83 MPa，都達(dá)到了最大值，故當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.1%時，混凝土的抗折強度最好；當(dāng)玄武巖纖維摻量由0.1%增至0.4%時，混凝土的抗折強度逐漸減小，說明過量的玄武巖纖維會降低混凝土的抗折強度。由抗折強度試驗結(jié)果可知，適量的玄武巖纖維摻量能夠增大混凝土的抗折強度，過量則會降低。這是因為玄武巖纖維能夠?qū)炷廉a(chǎn)生牽拉作用，從而抑制了混凝土的折斷，但玄武巖纖維摻量過多會使混凝土基體的纖維分布不均勻、雜亂以及堆積，導(dǎo)致混凝土的抗折強度降低。

2.3 劈裂抗拉強度

通過對尺寸為φ150 mm×300 mm的試塊進(jìn)行劈裂抗拉強度的試驗，分別得出玄武巖纖維摻量為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%的劈裂抗拉強度的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 混凝土劈裂抗拉強度的變化曲線圖

根據(jù)圖3可知，隨著玄武巖纖維摻量的增加，混凝土的劈裂抗拉強度呈先增大后減小的變化趨勢。當(dāng)玄武巖纖維摻量由0增至0.1%時，不同齡期混凝土的劈裂抗拉強度逐漸增大；當(dāng)玄武巖纖維摻量在0.1%時，3 d、7 d、28 d齡期的混凝土劈裂抗拉強度分別為5.36 MPa、6.65 MPa、7.16 MPa，混凝土的劈裂抗拉強度達(dá)到最大，相對于未摻纖維混凝土的劈裂抗拉強度分別增長了19.4%、16.1%、13.1%；當(dāng)玄武巖纖維摻量由0.1%增至0.4%時，不同齡期混凝土的劈裂抗拉強度逐漸降低。由混凝土劈裂抗拉強度試驗可知，玄武巖纖維摻量對混凝土的劈裂抗拉強度有顯著的影響，適量的玄武巖纖維摻量能夠增大混凝土的劈裂抗拉強度，而過量的玄武巖纖維摻量則會降低混凝土的劈裂抗拉強度。其原因是玄武巖纖維能夠在混凝土內(nèi)部形成了有效的空間網(wǎng)絡(luò)，能夠起到較好的抗拉作用，從而增大了混凝土的劈裂抗拉強度，但玄武巖纖維摻量過多會使纖維成團(tuán)現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致混凝土粘結(jié)力下降，縫隙增多，從而降低了混凝土的劈裂抗拉強度。

2.4 凍融損傷

2.4.1 凍融循環(huán)后的抗壓強度

通過對不同玄武巖纖維摻量的混凝土試件進(jìn)行凍融損傷試驗，分別得到混凝土在凍融循環(huán)0次、50次、100次、150次、200次后的抗壓強度變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 凍融循環(huán)后混凝土抗壓強度的變化曲線圖

根據(jù)圖4可知，隨著玄武巖纖維摻量的增加，凍融循環(huán)后的混凝土抗壓強度呈先增大后減小的變化趨勢。當(dāng)玄武巖纖維摻量由0增至0.1%時，凍融循環(huán)后的混凝土抗壓強度逐漸增大；當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.1%時，凍融循環(huán)0次、50次、100次、150次、200次后的混凝土抗壓強度分別為67.78 MPa、63.42 MPa、58.98 MPa、54 MPa和46.18 MPa，凍融循環(huán)后的混凝土抗壓強度達(dá)到最大，與未摻纖維凍融循環(huán)后混凝土的抗壓強度相比分別增加了2.2%、2.3%、3.4%、2%、3.2%；當(dāng)玄武巖纖維摻量由0.1%增至0.4%時，凍融循環(huán)后的混凝土抗壓強度逐漸減小。從凍融循環(huán)后的混凝土抗壓強度實驗結(jié)果可知，凍融循環(huán)后適量的玄武巖纖維摻量能夠增加混凝土抗壓強度，當(dāng)玄武巖纖維摻量過多時，混凝土經(jīng)過凍融循環(huán)損傷后會降低抗壓強度。

2.4.2 凍融循環(huán)后的抗折強度

將不同玄武巖纖維摻量的混凝土試件分別凍融循環(huán)0次、100次、200次、300次、400次，然后對其抗折強度進(jìn)行測試，得到凍融循環(huán)后混凝土的抗折強度變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 凍融循環(huán)后混凝土抗折強度的變化曲線圖

根據(jù)圖5可知，隨著玄武巖纖維摻量的增加，凍融循環(huán)后的混凝土抗折強度呈先增大后減小的變化趨勢。當(dāng)玄武巖纖維摻量由0增至0.1%時，凍融循環(huán)后的混凝土抗折強度逐漸增大；在玄武巖纖維摻量為0.1%時，凍融循環(huán)0次、100次、200次、300次、400次的混凝土抗折強度分別為11.83 MPa、10.81 MPa、9.71 MPa、8.28 MPa、6.62 MPa，凍融循環(huán)后的混凝土抗折強度達(dá)到最大，與未摻纖維混凝土凍融循環(huán)后的抗折強度相比分別增加了13.6%、14.5%、16.3%、22.5%、39.1%；玄武巖纖維摻量由0.1%繼續(xù)增至0.4%時，凍融循環(huán)后的混凝土抗折強度逐漸減小。由凍融循環(huán)后的混凝土抗折強度實驗結(jié)果可知，凍融循環(huán)后適量的玄武巖纖維摻量能夠改善混凝土抗折強度，當(dāng)玄武巖纖維摻量過多時，混凝土經(jīng)過凍融循環(huán)損傷后會降低抗折強度。

3 結(jié)語

本文通過對橋面鋪裝混凝土進(jìn)行性能試驗，分別探討了不同玄武巖纖維摻量對橋面鋪裝混凝土力學(xué)性能及凍融損傷性能的影響。研究表明，隨著玄武巖纖維的增加，橋面鋪裝混凝土在凍融損傷和未凍融損傷情況下的強度均呈先增大后減小的變化趨勢，且玄武巖纖維的最佳摻量為0.1%，即適量的玄武巖纖維有利于改善橋面鋪裝混凝土的力學(xué)性能，而玄武巖纖維過量在混凝土內(nèi)部難以均勻分布，容易產(chǎn)生成團(tuán)現(xiàn)象，致使混凝土的粘結(jié)力下降，故不利于改善橋面鋪裝混凝土的力學(xué)強度。