玄武巖纖維對(duì)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(yùn)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(yùn)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(diǎn)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(yùn)用于橋面鋪裝混凝土中不僅能夠增強(qiáng)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(duì)噴射混凝土力學(xué)強(qiáng)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(duì)礦渣粉煤灰混凝土抗壓、抗折及抗拉強(qiáng)度的影響。本研究通過設(shè)計(jì)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(duì)玄武巖纖維橋面鋪裝混凝土的力學(xué)強(qiáng)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(jì)及施工應(yīng)用提供參考與借鑒。

1 試驗(yàn)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(jí)水泥，其各項(xiàng)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(xiàng)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(qiáng)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(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，選用玄武巖纖維為研究對(duì)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(jì)如表2所示。

表2 混凝土配合比設(shè)計(jì)表

1.3 試驗(yàn)方法

按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、凍融損傷試驗(yàn)，其中混凝土抗壓強(qiáng)度試件選用尺寸為100 mm的立方體試塊，劈裂抗拉強(qiáng)度試件選用尺寸為φ150 mm×300 mm的試塊，抗折強(qiáng)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(shí)進(jìn)行混凝土的性能研究。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 立方體抗壓強(qiáng)度

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

圖1 混凝土抗壓強(qiáng)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(qiáng)度呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.1%時(shí)，不同齡期混凝土的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度。當(dāng)玄武巖纖維摻量由0增至0.1%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸增大，相對(duì)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(qiáng)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(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度增大，而當(dāng)玄武巖纖維過量時(shí)，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(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的提升，故混凝土的抗壓強(qiáng)度減小。

2.2 抗折強(qiáng)度

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

圖2 混凝土抗折強(qiáng)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(qiáng)度呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。當(dāng)玄武巖纖維摻量由0增至0.1%時(shí)，混凝土的抗折強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度；當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.1%時(shí)，7 d、28 d齡期混凝土的抗折強(qiáng)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(shí)，混凝土的抗折強(qiáng)度最好；當(dāng)玄武巖纖維摻量由0.1%增至0.4%時(shí)，混凝土的抗折強(qiáng)度逐漸減小，說明過量的玄武巖纖維會(huì)降低混凝土的抗折強(qiáng)度。由抗折強(qiáng)度試驗(yàn)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(qiáng)度，過量則會(huì)降低。這是因?yàn)樾鋷r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(huì)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(qiáng)度降低。

2.3 劈裂抗拉強(qiáng)度

通過對(duì)尺寸為φ150 mm×300 mm的試塊進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)，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(qiáng)度的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)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(qiáng)度呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。當(dāng)玄武巖纖維摻量由0增至0.1%時(shí)，不同齡期混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸增大；當(dāng)玄武巖纖維摻量在0.1%時(shí)，3 d、7 d、28 d齡期的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度分別為5.36 MPa、6.65 MPa、7.16 MPa，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大，相對(duì)于未摻纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)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(shí)，不同齡期混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸降低。由混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)可知，玄武巖纖維摻量對(duì)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)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(qiáng)度，而過量的玄武巖纖維摻量則會(huì)降低混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)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(qiáng)度，但玄武巖纖維摻量過多會(huì)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(qiáng)度。

2.4 凍融損傷

2.4.1 凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度

通過對(duì)不同玄武巖纖維摻量的混凝土試件進(jìn)行凍融損傷試驗(yàn)，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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。當(dāng)玄武巖纖維摻量由0增至0.1%時(shí)，凍融循環(huán)后的混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增大；當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.1%時(shí)，凍融循環(huán)0次、50次、100次、150次、200次后的混凝土抗壓強(qiáng)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(qiáng)度達(dá)到最大，與未摻纖維凍融循環(huán)后混凝土的抗壓強(qiáng)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(shí)，凍融循環(huán)后的混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸減小。從凍融循環(huán)后的混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度，當(dāng)玄武巖纖維摻量過多時(shí)，混凝土經(jīng)過凍融循環(huán)損傷后會(huì)降低抗壓強(qiáng)度。

2.4.2 凍融循環(huán)后的抗折強(qiáng)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(duì)其抗折強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，得到凍融循環(huán)后混凝土的抗折強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。當(dāng)玄武巖纖維摻量由0增至0.1%時(shí)，凍融循環(huán)后的混凝土抗折強(qiáng)度逐漸增大；在玄武巖纖維摻量為0.1%時(shí)，凍融循環(huán)0次、100次、200次、300次、400次的混凝土抗折強(qiáng)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(qiáng)度達(dá)到最大，與未摻纖維混凝土凍融循環(huán)后的抗折強(qiáng)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(shí)，凍融循環(huán)后的混凝土抗折強(qiáng)度逐漸減小。由凍融循環(huán)后的混凝土抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度，當(dāng)玄武巖纖維摻量過多時(shí)，混凝土經(jīng)過凍融循環(huán)損傷后會(huì)降低抗折強(qiáng)度。

3 結(jié)語

本文通過對(duì)橋面鋪裝混凝土進(jìn)行性能試驗(yàn)，分別探討了不同玄武巖纖維摻量對(duì)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(qiáng)度均呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，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(qiáng)度。