水鎂石纖維對水泥混凝土路用性能影響

邢 煌

(海南路橋工程有限公司 三亞 572000)

由于水泥混凝土生產材料成本低廉，且具有較高的抗壓強度和結構穩定性，所以在國內道路建設中應用較為廣泛[1]。但隨著國內交通量的日益增加，普通的水泥混凝土路面已經無法滿足行車荷載的要求。尤其是在重載條件下，水泥混凝土路面經常會由于遭受各種病害，未達到預計使用年限就提前破壞，給道路的正常運營造成難以估量的損失[2]。因此，普通水泥混凝土改性材料應運而生。

水鎂石纖維是一種天然的無機礦石纖維材料，其采集成本較為廉價，而且具有較高的抗拉強度。天然的水鎂石纖維長度一般能到30 cm左右，較長的能達到100 cm以上[3]。水鎂石纖維添加到普通水泥混凝土中能夠起到增韌的作用。因此，國內許多學者對天然水鎂石纖維的路用性能有了較為深入的研究，比如，長安大學的嚴麗君[4]和關博文等[5-6]。但很多學者的研究大都集中在一定添加劑量下水鎂石纖維對路用性能作用效果上，對不同摻量的水鎂石纖維路用性能研究相對較少。本文旨在研究國內常用的3種類型的水鎂石纖維材料，在不同添加劑量條件下，對普通水泥混凝土的路用性能影響。

1 試驗方案及原材料技術指標

1.1 試驗組織方案

本課題研究A類(9 mm)、B類(12 mm)和C類(15 mm)3種類型的水鎂石纖維材料，添加劑量分別為0,1.5,3,4.5,6,7.5 kg/m3(按本研究采用的配比，m(水泥)∶m(水)∶m(碎石)∶m(砂) =1∶0.54∶5.12∶1.62計算)的條件下，對普通水泥混凝土試件的改性作用。

為了使水鎂石纖維材料在水泥混凝土中分散均勻，先將水鎂石纖維材料、水和水泥放在一起進行攪拌120 s，得到水泥漿。然后再放入砂和碎石進行機械拌和。水泥混凝土拌和好以后，將其裝入試模中，并放在振動臺上振動25 s，使得試件更加密實。試驗方案流程見圖1。

圖1 試驗方案流程圖

1.2 原材料技術指標

水鎂石纖維材料指標、水泥指標檢測結果、砂與碎石選用級配見表1～3。

表1 水鎂石纖維指標

表2 水泥指標檢測結果

表3 砂與碎石選用級配

2 試驗結果及分析

2.1 抗彎拉強度試驗結果與分析

按照規范[7]要求，進行抗彎拉強度試驗。試驗采用三分點處雙點加載裝置，試件大小為150 mm×150 mm×450 mm。試件養護28 d后，放在試驗機上以0.08 MPa/s的加載頻率進行試驗。抗彎拉強度試驗結果見表4和圖2。

表4 抗彎拉強度測試

圖2 抗彎拉強度與水鎂石纖維摻量關系

由表4和圖2可見，隨著水鎂石纖維添加劑量的增加，3組試件的抗彎拉強度均有不同程度的提高。添加A類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在其摻量為6 kg/m3時，試件的抗彎拉強度為5.45 MPa，比未添加纖維試件的抗彎拉強度提高了14.0%。當繼續提高水鎂石纖維的摻量時，其試件的抗彎拉強度相比摻量為6 kg/m3的試件有所降低。所以添加A類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在摻量為6 kg/m3時，試件的抗彎拉性能達到最優。

添加B類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在其摻量為4.5 kg/m3時，試件的抗彎拉強度為5.11 MPa，比未添加纖維試件的抗彎拉強度提高了6.9%。當繼續提高水鎂石纖維的摻量時，其試件的抗彎拉強度相比摻量為4.5 kg/m3的試件有所降低。所以添加B類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在摻量為4.5 kg/m3時，試件的抗彎拉性能達到最優。

添加C類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在其摻量為4.5 kg/m3時，試件的抗彎拉強度為5.31 MPa，比未添加纖維試件的抗彎拉強度提高了11.1%。當繼續提高水鎂石纖維的摻量時，其試件的抗彎拉強度相比摻量為4.5 kg/m3的試件有所降低。所以添加C類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在摻量為4.5 kg/m3時，試件的抗彎拉性能達到最優。

3組試件的最優抗彎拉性能依次為：A類水鎂石纖維試件>C類水鎂石纖維試件>B類水鎂石纖維試件。

由于水泥混凝土路面相比瀝青混凝土路面剛度較大，其抗壓性能要好于瀝青路面。交通量大的路段，由于水泥混凝土路面承受的荷載頻率較大，這對于水泥混凝土路面抗彎拉性能提出更高要求，而水鎂石纖維加入可以明顯改善水泥混凝土材料的抗彎拉性能，承受更大的荷載。3類水鎂石纖維相比較而言，A類水鎂石纖維改善抗彎拉強度的效果最高，且在摻量為6 kg/m3時達到最大值，為5.45 MPa，故其更適宜在交通量較大的路段使用。

上述3組試件的抗彎拉強度均有不同程度的提高。這是因為水鎂石纖維是一種韌性較好的纖維材料，且與水泥混凝土之間有較好的相容性。水鎂石纖維在試件內部呈空間分布，能夠起到阻止裂縫發展的作用，所以試件的抗彎拉強度會有所提高。但繼續添加水鎂石纖維時，試件的抗彎拉強度反而有所降低。這是因為當水鎂石纖維添加過多時，纖維材料在試件內部不易分散均勻，出現明顯的纖維纏繞、團結現象。導致試件內部受力不均，所以試件的抗彎拉強度反而有所降低。

2.2 滲水試驗結果與分析

為研究A類(9mm)、B類(12 mm)和C類(15 mm)3種類型的水鎂石纖維材料對普通水泥混凝土試件滲水性能作用效果，本研究采用滲水試驗，試件尺寸高和直徑均為150 mm。試件養護28 d后，放進水壓為0.8 MPa的滲水儀，24 h后記錄試件的滲水高度。每組平行試驗不得少于3個。滲水試驗結果見表5和圖3。

表5 滲水試驗測試結果

圖3 滲水高度與水鎂石纖維摻量關系

由表5和圖3可見，隨著水鎂石纖維添加劑量的增加，3組試件的滲水高度均有不同程度的降低。添加A類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在其摻量為6 kg/m3時，試件的滲水高度為6.1 cm，比未添加纖維試件的滲水高度降低了40.2%。當繼續提高水鎂石纖維的摻量時，其試件的滲水高度相比摻量為6 kg/m3的試件有所升高。所以添加A類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在摻量為6 kg/m3時，試件的抗滲性能達到最優。

添加B類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在其摻量為4.5 kg/m3時，試件的滲水高度為5.8 cm，比未添加纖維試件的滲水高度降低了43.1%。當繼續提高水鎂石纖維的摻量時，其試件的滲水高度相比摻量為4.5 kg/m3的試件有所升高。所以添加B類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在摻量為4.5 kg/m3時，試件的抗滲性能達到最優。

添加C類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在其摻量為6 kg/m3時，試件的滲水高度為6.3 cm，比未添加纖維試件的滲水高度降低了38.2%。當繼續提高水鎂石纖維的摻量時，其試件的滲水高度相比摻量為6kg/m3的試件有所升高。所以添加C類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在摻量為6 kg/m3時，試件的抗滲性能達到最優。

3組試件的最優抗滲性能依次為B類水鎂石纖維試件>A類水鎂石纖維試件>C類水鎂石纖維試件。3組試件的抗滲性能均有不同程度的提高。這是因為纖細的水鎂石纖維分布在水泥混凝土中，促進了試件內多余水分的散發。減少了試件中氣孔的形成，使得試件內部更加密實，減少了水流的通道，所以試件的抗滲性能有所提高。但繼續添加水鎂石纖維時，試件的抗滲性能反而有所降低。這是因為當水鎂石纖維添加過多時，試件內部出現明顯的團結現象。對促進試件水分的散發的效果不明顯，所以試件的抗滲性能反而有所降低。通過對含3類水鎂石纖維的水泥材料的滲水性能比較，B類水鎂石纖維的滲水高度最大，且在摻量為4.5 kg/m3時達到最大值。故B類水鎂石纖維更適合加入到適用于多雨地區的水泥混凝土材料中。

2.3 軸心抗壓強度試驗結果與分析

為研究A類(9 mm)、B類(12 mm)和C類(15 mm)3種類型的水鎂石纖維材料對普通水泥混凝土試件抗壓性能作用效果，本研究采用萬能試驗機，試件尺寸直徑×高均為150 m×300 mm。試件養護28 d后，放在萬能試驗機上，以0.8 MPa/s的加載速率進行軸心抗壓強度試驗。抗壓強度試驗結果見表6和圖4。

表6 軸心抗壓強度測試

由表6和圖4可見，隨著水鎂石纖維添加劑量的增加，3組試件的抗壓強度均有不同程度的提高。添加A類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在其摻量為4.5 kg/m3時，試件的軸心抗壓強度為47.8 MPa，比未添加纖維試件的軸心抗壓強度提高了18.9%。當繼續提高水鎂石纖維的摻量時，試件的軸心抗壓強度相比摻量為4.5 kg/m3的試件有所降低。所以添加A類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在摻量為4.5 kg/m3時，試件的抗壓性能達到最優。

圖4 軸心抗壓強度與水鎂石纖維摻量關系

添加B類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在其摻量為6 kg/m3時，試件的軸心抗壓強度為46.5 MPa，比未添加纖維試件的軸心抗壓強度提高了15.7%。當繼續提高水鎂石纖維的摻量時，其試件的軸心抗壓強度相比摻量為6 kg/m3的試件有所降低。所以添加B類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在摻量為6 kg/m3時，試件的抗壓性能達到最優。

添加C類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在其摻量為6 kg/m3時，試件的軸心抗壓強度為44.2 MPa，比未添加纖維試件的軸心抗壓強度提高了10.0%。當繼續提高水鎂石纖維的摻量時，其試件的軸心抗壓強度相比摻量為6 kg/m3的試件有所降低。所以添加C類水鎂石纖維的水泥混凝土試件，在摻量為6 kg/m3時，試件的抗壓性能達到最優。

3組試件的最優抗壓性能依次為A類水鎂石纖維試件>B類水鎂石纖維試件>C類水鎂石纖維試件。

3組試件的抗壓性能隨著水鎂石纖維添加劑量的增加，先升高后降低。其原因與添加水鎂石纖維試件的抗彎拉性能變化機理一致。

3 工程應用

為驗證水鎂石纖維路面的使用性能，特意鋪設了3條試驗路段。每條長100 m，并增設1條對照組，設計路面荷載等級采用標準軸載BZZ-100。路幅寬度為5 m，為1條行車道寬4 m，2條土路肩寬2×0.5 m。水泥混凝土面層厚度為17 cm，水泥穩定碎石(水泥含量為4.5%)基層為16 cm。在試驗路段開放交通1年后，對試驗路段進行鉆芯取樣。觀察芯樣試件水泥混凝土面板與基層的連接狀態，并測試面層抗壓強度。芯樣試件的公稱直徑為70 mm，高徑比為1∶1，其芯樣試驗結果如表7所示。

表7 芯樣試件抗壓強度試驗結果

由表7可見，摻量為4.5 kg/m3的A類水鎂石纖維路面芯樣試件抗壓強度達到室內試驗結果的92.3%；摻量為6 kg/m3的A類水鎂石纖維路面芯樣試件抗壓強度達到室內試驗結果的90.1%；摻量為4.5 kg/m3的B類水鎂石纖維路面芯樣試件抗壓強度達到室內試驗結果的89.0%；而無添加水鎂石纖維路段的芯樣試件抗壓強度僅為室內試驗強度的81.1%。說明研究采用的水鎂石纖維均能夠提高路面的抗壓性能，與室內試驗結果分析較一致。

室內試驗和工程實際應用的結果均表明，適量水鎂石纖維的加入，確實能夠在一定程度上提高水泥混凝土的路用性能和實用效果。從路面結構設計的角度出發，水鎂石纖維改性后的水凝混凝土，其在抗壓強度、抗彎拉強度方面有很好的改善效果，故在結構設計中，尤其是面層設計時，可以考慮添加適量的水鎂石纖維以提高材料抵抗荷載的能力，延長路面使用壽命。

4 結論

1) 試驗采用的3種水鎂石纖維，均可以提高試件的3種試驗指標。

2) A類水鎂石纖維在摻量為6 kg/m3時，試件的抗彎拉強度為5.45 MPa，其抗彎拉性能最好；在其摻量為4.5 kg/m3時，試件的軸心抗壓強度為47.8 MPa，其抗壓性能最好。

3) B類水鎂石纖維在摻量為4.5 kg/m3時，試件的滲水高度為5.8 cm，其抗滲性能最好。

4) 當水鎂石纖維添加過多時，纖維材料會出現明顯的纖維纏繞、團結現象，影響試件內部水分的散發，導致試件各方面的性能有所降低。