纖維網(wǎng)格布表層強(qiáng)化混凝土力學(xué)性能研究

許 巍,江 帆,張 俊,,胡 成,高培偉,許 旺

(1.空軍工程大學(xué) 航空工程學(xué)院,陜西 西安 710038;2.海軍研究院,北京 100070;3.南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院,江蘇 南京 210016;4.空軍第三工兵技術(shù)勤務(wù)大隊(duì),四川 成都 611430)

機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面表面形成的砂漿層是道面與外界直接接觸的一層,其強(qiáng)度較低、抗變形能力差,在外部荷載作用下,其表層易產(chǎn)生開(kāi)裂、磨損和剝落等問(wèn)題,嚴(yán)重影響跑道的正常使用和安全性能。表層問(wèn)題發(fā)生后,將會(huì)間接導(dǎo)致斷板、錯(cuò)臺(tái)和拱起等結(jié)構(gòu)性損壞形成與發(fā)展,影響機(jī)場(chǎng)的正常使用,甚至危及飛行安全,因此水泥砂漿層的質(zhì)量對(duì)于混凝土道面整體性能有較大的影響[1-4]。目前,針對(duì)提高機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面表面性能的研究主要集中于通過(guò)表層涂刷硅烷、環(huán)氧樹(shù)脂等表層強(qiáng)化材料以及向混凝土拌合物摻入乳液、乳膠、硅粉、礦粉和纖維等物質(zhì)兩種方法。第一種方法雖然可以在一定程度上提高混凝土抗凍性能和耐腐蝕性能,但是不能有效提高混凝土耐磨耗性能和抗沖擊性能,且經(jīng)濟(jì)性差;第二種方法雖然可以在一定程度上增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗沖擊性能和抗凍性能等,但是攪拌是否充分對(duì)性能的影響較大,成本依然較高,磨耗性能增強(qiáng)不夠明顯,仍不能夠有效防止表層病害的產(chǎn)生[5-10]。

軍用飛機(jī)正向多樣化和重載化方向發(fā)展,對(duì)機(jī)場(chǎng)的使用需求愈發(fā)增強(qiáng),但許多機(jī)場(chǎng)建設(shè)年代較為久遠(yuǎn),現(xiàn)階段將會(huì)面臨大修甚至重建,因此尋找一種經(jīng)濟(jì)有效的表面性能強(qiáng)化方式對(duì)于空軍戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型具有重大意義。纖維網(wǎng)格布是一種以纖維為原材料,經(jīng)過(guò)特定工序制成的強(qiáng)化材料,其在經(jīng)向和緯向均具有較高的強(qiáng)度,目前主要被應(yīng)用于建筑行業(yè),包括墻體保溫、防水、抗裂及新舊混凝土修復(fù),研究表明纖維網(wǎng)格布可以有效增強(qiáng)水泥砂漿各項(xiàng)性能,而水泥混凝土道面表層也為砂漿層[9-13]。因此,筆者提出通過(guò)在混凝土表層砂漿層中布設(shè)纖維網(wǎng)格布來(lái)對(duì)水泥混凝土道面進(jìn)行表層強(qiáng)化。首先,選擇碳纖維、芳綸纖維和玄武巖纖維3種網(wǎng)格布對(duì)混凝土進(jìn)行表層強(qiáng)化;然后,開(kāi)展了抗折強(qiáng)度試驗(yàn)和紫外線照射及飛機(jī)尾噴燒蝕作用下的磨耗試驗(yàn);最后,對(duì)3種纖維網(wǎng)格布強(qiáng)化混凝土的力學(xué)性能開(kāi)展對(duì)比研究。筆者研究有助于經(jīng)濟(jì)有效地提高新建或翻新機(jī)場(chǎng)道面的表面性能,對(duì)提高混凝土道面壽命,降低飛行訓(xùn)練安全事故的概率,具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用水泥為PO-42.5R硅酸鹽水泥且摻量固定為320 kg/m3。砂為產(chǎn)自西安灞河的天然河砂,按照規(guī)范[14]將砂分級(jí),配制相應(yīng)的細(xì)度模數(shù)μf,所配制出砂的級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 砂的級(jí)配曲線Fig.1 Grading curve of sand

粗集料為陜西茂縣的石灰石碎石,級(jí)配分為5～10 mm,10～20 mm和20～40 mm,比例為2∶3∶6。該比例通過(guò)優(yōu)選法獲得,為振實(shí)密度最大時(shí)的比例。

試驗(yàn)共選用了3種纖維網(wǎng)格布,網(wǎng)孔尺寸均為5 mm×5 mm。纖維網(wǎng)格布外形如圖2所示,性能參數(shù)如表1所示。

圖2 纖維網(wǎng)格布形態(tài)Fig.2 Fiber mesh morphology

表1 纖維網(wǎng)格布性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

影響纖維網(wǎng)格布強(qiáng)化混凝土表面性能的因素有水灰比、砂率、細(xì)度模數(shù)和纖維網(wǎng)格布。其中水灰比、砂率和細(xì)度模數(shù)是混凝土配比設(shè)計(jì)的根本要素,纖維網(wǎng)格布是混凝土的外部強(qiáng)化材料,因此以28 d抗折強(qiáng)度為設(shè)計(jì)指標(biāo),確定強(qiáng)度最優(yōu)配比,并依據(jù)強(qiáng)度最優(yōu)配比,研究不同齡期下纖維網(wǎng)格布強(qiáng)化混凝土的抗彎拉和耐磨耗性能。

依據(jù)L16(43)正交表格設(shè)計(jì)試驗(yàn),水灰比因素的4個(gè)水平分別為0.44,0.43,0.42,0.41,砂率因素的4個(gè)水平分別為34%,32%,30%,28%,細(xì)度模數(shù)因素的4個(gè)水平分別為3.4,3.2,3.0,2.8,設(shè)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)表

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

試樣采用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的小梁,振搗結(jié)束之后,將備好的纖維網(wǎng)格布平鋪至試模上方。首先,通過(guò)人工提漿的方式將網(wǎng)格布初步埋入水泥砂漿層當(dāng)中,開(kāi)啟振動(dòng)臺(tái)30 s,振動(dòng)期間使用水泥刀再次對(duì)試模進(jìn)行提漿,完全將網(wǎng)格布鋪入水泥砂漿層當(dāng)中;然后,待振動(dòng)完畢,使用水泥刀進(jìn)行精準(zhǔn)抹平;最后,將試件靜置24 h后脫模養(yǎng)護(hù)。為了檢驗(yàn)纖維網(wǎng)格布的影響,試驗(yàn)時(shí)將小梁倒置,使纖維網(wǎng)格布強(qiáng)化表面作為受拉面。

1.3.2 磨耗試驗(yàn)

試件為150 mm×150 mm×75 mm的半立方體,綜合考慮機(jī)場(chǎng)道面實(shí)際服役環(huán)境不利因素,磨耗試驗(yàn)考慮紫外線照射和飛機(jī)尾噴燒蝕作用,即每10次磨耗后對(duì)混凝土重復(fù)紫外線照射和飛機(jī)尾噴燒蝕兩次環(huán)境模擬處理,具體情況如圖3所示。

圖3 磨耗試驗(yàn)方法Fig.3 Method of wear test

在第一次環(huán)境處理后稱(chēng)取質(zhì)量m0,隨后在200 kN配重下進(jìn)行30圈預(yù)磨,稱(chēng)取質(zhì)量m1和磨耗深度h1,而后每5圈測(cè)量一次質(zhì)量,每10圈測(cè)量一次磨耗深度,當(dāng)磨耗60圈后,停止試驗(yàn)。試驗(yàn)以單位面積磨耗質(zhì)量Gc和磨耗深度h作為評(píng)價(jià)指標(biāo),磨耗深度通過(guò)游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量,取兩對(duì)角線與磨耗圓4個(gè)交點(diǎn)深度的平均值為相應(yīng)磨耗圈數(shù)下的磨耗深度。單位面積磨耗質(zhì)量的計(jì)算式為

(1)

式中:Gc為試件單位面積的磨耗質(zhì)量,kg/m2;m0為試件的初始質(zhì)量,kg;m1為試件磨耗后的質(zhì)量,kg;0.012 5為試件的磨耗面積,m2。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 抗折強(qiáng)度

2.1.1 抗折強(qiáng)度影響因素敏感性分析

按照正交試驗(yàn)表配比成型小梁試件,養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行抗折試驗(yàn),極差分析結(jié)果如表3所示。作出各因素對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響圖,計(jì)算各試驗(yàn)因素對(duì)抗折強(qiáng)度的影響因子,并繪制影響因子比率圖,具體情況如圖4所示。

表3 抗折強(qiáng)度極差分析表

圖4 各試驗(yàn)因素對(duì)抗折強(qiáng)度的影響及影響因子比例Fig.4 Influence of each factor on flexural strength and influence proportion

由表3和圖4可以看出:水灰比占據(jù)主導(dǎo)作用,影響因子可達(dá)59.8%,其是3種因素中的決定性因素,細(xì)度模數(shù)影響次之，砂率影響最小。由圖4(a)可以看出:在研究范圍內(nèi),隨著水灰比的增大,抗折強(qiáng)度先增大后減小,當(dāng)水灰比為0.43時(shí)抗折強(qiáng)度最大。原因是當(dāng)水灰比小到一定程度時(shí),混凝土拌合物施工和易性減小,在相同的攪拌時(shí)間內(nèi)混凝土拌合物未能攪拌均勻,從而使其強(qiáng)度降低。一般來(lái)說(shuō),對(duì)于通過(guò)降低水灰比來(lái)獲得高強(qiáng)混凝土的方法,需要向混凝土拌合物中添加減水劑,從而拌合物能夠被攪拌均勻,但筆者為了探究混凝土組分對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響,并未向混凝土拌合物中摻入減水劑。由圖4(b,c)可以看出:隨著砂率和細(xì)度模數(shù)的增大,混凝土抗折強(qiáng)度均呈先減小后增大的變化趨勢(shì),且當(dāng)砂率為28%、細(xì)度模數(shù)為2.8時(shí),混凝土抗折強(qiáng)度最大,得出最優(yōu)配比如表4所示。

表4 最優(yōu)基準(zhǔn)配合比

2.1.2 纖維網(wǎng)格布對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

按照表4確定的強(qiáng)度最優(yōu)配比,對(duì)纖維網(wǎng)格布強(qiáng)化混凝土抗折強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究,結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出:隨著齡期的增長(zhǎng),不管是素混凝土試件,還是纖維網(wǎng)格布強(qiáng)化混凝土試件，抗折強(qiáng)度均不斷增長(zhǎng)。通過(guò)比較不同齡期下素混凝土和纖維網(wǎng)格布強(qiáng)化混凝土抗折強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn):相較于素混凝土,纖維網(wǎng)格布強(qiáng)化混凝土抗折強(qiáng)度均得到了提高,表明纖維網(wǎng)格布可以在一定程度上提高其抗彎拉性能,碳纖維網(wǎng)格布的強(qiáng)化效果最好,芳綸纖維網(wǎng)格布效果次之,最后是玄武巖纖維網(wǎng)格布。3 d齡期時(shí),碳纖維網(wǎng)格布、芳綸纖維網(wǎng)格布和玄武巖纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)混凝土抗折強(qiáng)度分別提高了13.6%,5.6%,3.5%,分別達(dá)到4.5,4.18,4.1 MPa;7 d齡期時(shí),碳纖維網(wǎng)格布、芳綸纖維網(wǎng)格布和玄武巖纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)混凝土抗折強(qiáng)度分別提高了14%,7.6%,3.1%,分別達(dá)到5.54,5.23,5.01 MPa;28 d齡期時(shí),碳纖維網(wǎng)格布、芳綸纖維網(wǎng)格布和玄武巖纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)混凝土抗折強(qiáng)度分別提高了20.8%,14.9%,10.9%,分別達(dá)到6.67,6.34,6.12 MPa。纖維網(wǎng)格布處于混凝土的受拉面,不僅能夠有效增強(qiáng)混凝土抗折強(qiáng)度,而且有效分擔(dān)了混凝土底部所受到的拉應(yīng)力。

圖5 纖維網(wǎng)格布強(qiáng)化混凝土抗折強(qiáng)度Fig.5 Flexural strength of concrete reinforced by fiber mesh

2.2 耐磨耗性能

對(duì)不同種類(lèi)的纖維網(wǎng)格布強(qiáng)化混凝土耐磨耗性能進(jìn)行研究,結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出:相較于對(duì)照組,纖維網(wǎng)格布強(qiáng)化混凝土試件的單位面積磨耗量和磨耗深度都有一定程度的減少,且相同磨耗圈數(shù)單位面積磨耗量和磨耗深度呈現(xiàn)規(guī)律一致,從大到小依次為:對(duì)照組>碳纖維網(wǎng)格布組>玄武巖纖維網(wǎng)格布組>芳綸纖維網(wǎng)格布組;以60轉(zhuǎn)磨耗圈數(shù)為例,相較于對(duì)照組,玄武巖纖維網(wǎng)格布組試件、碳纖維網(wǎng)格布組試件和芳綸纖維網(wǎng)格布組試件單位面積磨耗量分別減少了19.0%,16.1%,23.2%,磨耗深度分別減少了11.6%,7.7%,15.7%。同時(shí),對(duì)照組試件對(duì)應(yīng)兩個(gè)曲線的斜率均隨著磨耗圈數(shù)的增加而增大,但纖維網(wǎng)格布強(qiáng)化組試件均呈先增大,后減少,再增大的變化趨勢(shì)。原因是:對(duì)照組試件表層砂漿層在花輪磨頭的作用下發(fā)生破壞,其層間顆粒黏結(jié)性隨著磨耗圈數(shù)的增加逐漸降低,從而表現(xiàn)為試件單位面積磨耗量—磨耗圈數(shù)曲線和磨耗深度—磨耗圈數(shù)曲線斜率均呈增大趨勢(shì)。而對(duì)于纖維網(wǎng)格布組試件,在初始的磨耗圈數(shù)內(nèi),花輪磨頭并未觸及纖維網(wǎng)格布的作用范圍,因此表現(xiàn)為與對(duì)照組試件相似的磨耗規(guī)律;當(dāng)花輪磨頭觸及纖維網(wǎng)格布作用范圍時(shí),水泥砂漿層在纖維網(wǎng)格布的拉結(jié)作用下,整體抵抗外部作用變化的能力增強(qiáng),表現(xiàn)為曲線斜率的減少;隨著磨耗圈數(shù)的不斷增加,纖維網(wǎng)格布結(jié)構(gòu)遭到破壞,水泥砂漿層失去纖維網(wǎng)格布的拉結(jié)作用,因而再次表現(xiàn)為與對(duì)照組試件相似的規(guī)律。

圖6 磨耗試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Wear test results

玄武巖纖維網(wǎng)格布強(qiáng)化混凝土不同磨耗圈數(shù)下的破壞形態(tài)如圖7所示。由圖7可以看出:當(dāng)磨耗圈數(shù)達(dá)到20轉(zhuǎn)時(shí),少量纖維網(wǎng)格布開(kāi)始外露,表明此時(shí)網(wǎng)格布開(kāi)始起強(qiáng)化作用;當(dāng)磨耗圈數(shù)達(dá)到40轉(zhuǎn)時(shí),纖維網(wǎng)格布已受到很大程度破壞,表明纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)作用大幅減弱;當(dāng)磨耗圈數(shù)達(dá)到60轉(zhuǎn)時(shí),網(wǎng)格布損壞殆盡,表明此時(shí)纖維網(wǎng)格布組試件耐磨耗性能與對(duì)照組試件近似一致,可看出纖維網(wǎng)格布主要在磨耗圈數(shù)為20～40轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)揮作用。綜上,在混凝土表層砂漿層中鋪入纖維網(wǎng)格布可以一定程度提高其耐磨耗性能,芳綸纖維網(wǎng)格布的強(qiáng)化效果最好,玄武巖纖維網(wǎng)格布次之,最后是碳纖維網(wǎng)格布,同時(shí),纖維網(wǎng)格布主要在外部作用觸及纖維網(wǎng)格布作用范圍時(shí)發(fā)揮作用。

根據(jù)以上分析可看出:從抗折強(qiáng)度指標(biāo)看,3種纖維網(wǎng)格布中碳纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)效果最好,其次為芳綸纖維,增強(qiáng)混凝土7 d抗折強(qiáng)度分別達(dá)到5.54,5.23 MPa,均超過(guò)機(jī)場(chǎng)道面混凝土強(qiáng)度要求;從耐磨指標(biāo)來(lái)看,芳綸纖維增強(qiáng)效果最好,其次為玄武巖纖維;從造價(jià)指標(biāo)來(lái)看,玄武巖纖維網(wǎng)格布最低(試驗(yàn)所用產(chǎn)品采購(gòu)價(jià)為20元/m2),其次為芳綸纖維網(wǎng)格布(試驗(yàn)所用產(chǎn)品采購(gòu)價(jià)為60元/m2),碳纖維網(wǎng)格布最高(試驗(yàn)所用產(chǎn)品采購(gòu)價(jià)為80元/m2)。綜合各指標(biāo),在研究范圍內(nèi)芳綸纖維最適于機(jī)場(chǎng)混凝土道面的表層強(qiáng)化。

圖7 玄武巖纖維網(wǎng)格布強(qiáng)化混凝土試件磨耗破壞形態(tài)Fig.7 The wear failure pattern of basalt fiber meshreinforced concrete

3 結(jié) 論

由于很多軍用機(jī)場(chǎng)服役年限較長(zhǎng),其道面表面砂漿層在重載化戰(zhàn)機(jī)的不斷作用下易產(chǎn)生開(kāi)裂、破損和剝落等問(wèn)題,給戰(zhàn)機(jī)帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。使用碳纖維、芳綸纖維和玄武巖纖維3種網(wǎng)格布對(duì)混凝土進(jìn)行表層強(qiáng)化,開(kāi)展了抗折強(qiáng)度試驗(yàn)和紫外線照射及飛機(jī)尾噴燒蝕作用下的磨耗試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:混凝土組分對(duì)抗折強(qiáng)度有較大影響,其中水灰比最大，細(xì)度模數(shù)次之，砂率最小,且當(dāng)水灰比為0.43，砂率為28%，細(xì)度模數(shù)為2.8時(shí)抗折強(qiáng)度最大。纖維網(wǎng)格布強(qiáng)化混凝土抗折強(qiáng)度均得到了提高,其中碳纖維網(wǎng)格布的強(qiáng)化效果最好,其次是芳綸纖維網(wǎng)格布,最后是玄武巖纖維網(wǎng)格布。當(dāng)3,7,14 d齡期時(shí),碳纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)混凝土抗折強(qiáng)度分別提高13.6%,14%,20.8%,分別達(dá)到4.5,5.54,6.67 MPa。纖維網(wǎng)格布可以有效地提高混凝土耐磨耗性能,提升效果由大到小:芳綸纖維網(wǎng)格布>玄武巖纖維網(wǎng)格布>碳纖維網(wǎng)格布。相較于對(duì)照組,芳綸纖維增強(qiáng)混凝土單位面積磨耗量和磨耗深度分別降低了20%和15%。綜合抗折強(qiáng)度、耐磨耗性能及造價(jià)指標(biāo)等方面,在所研究的范圍內(nèi)芳綸纖維最適于機(jī)場(chǎng)混凝土道面的表層強(qiáng)化。研究結(jié)果有助于經(jīng)濟(jì)有效地提高新建或翻建軍用機(jī)場(chǎng)道面的表面性能,具有顯著的軍事效益。