玄武岩纤维贫混凝土力学性能研究.pdf

第 3 4卷第 1 期 2 0 1 3年 2月 华北水利水电学院学报 J o u r n a l o f No a h C h i n a I n s t i t u t e o f W a t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c P o we r Vo 1 3 4 No 1 Fe b2 01 3 DOI ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 25 6 3 4 2 0 1 3 O 1 0 0 9 玄武岩 纤维贫混凝土力学性 能研究 刘朝晖 ，何春 燕 ，孙潇潇 ，李本鹏 ( 1 长 沙理工大 学， 湖南 长沙 4 1 0 0 7 6 ； 2 广东 交通 实业投 资有 限公 司， 广东 广 州 5 1 0 1 0 0 ) 摘要 ： 从贫混凝 土基层 的复合式路 面的使用状况来看 ， 反射裂缝的问题 比较突 出 玄武岩纤维 贫混凝土是一 种能 有效减弱 或者避免 贫混凝 土产生反射 裂缝 的新 型混合料 通过一系列室 内试 验 ， 对玄武 岩纤维贫混凝 土的 抗压强度 、 抗 弯拉强度 、 抗 冲击能力 以及静力抗 压弹性模 量等 力学性 能进行 了系统研 究 得 出玄武岩纤 维 最佳掺量 为混合料 总质量 的 2 0 0 ， 最佳掺量 范围为 3 6 k s m 掺入玄武岩纤 维后 ， 能大幅提高贫混凝土 的早期抗压 、 抗 弯拉 强度 ， 且 2 8 d龄期的纤维贫混凝抗压强度和抗弯拉强度也较一般贫混凝土提高 了2 0 以上 ； 可使贫混凝土具有 良好的抗冲击性能 ， 较普 通贫混凝 土提 高了近 1 3倍 ； 可提 高贫混凝 土材料 的静 力抗 压弹性模量 ， 但 提升幅度不大 关键词 ： 纤维 贫混凝 土 ； 玄武岩纤维 ； 力学性 能； 设计参数 中图分类号 ： U 4 1 4 。 l 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 5 6 3 4 ( 2 0 1 3 ) O l 一 0 0 3 7 0 4 近年 来 ， 随着 重 车 比例 增 大 和 车辆 超 载 现 象 增 多 ， 我国相当一部分新建路面发生了不 同程度的早 期 损坏 在许 多重 载 、 超 载 严 重路 段 ， 路 面远 远 达 不 到应有的设计年限 而高等级公路路面基层设计是 否得当， 往往对整个路 面结构功能的发挥起着关键 作用 在重载交通情况下， 基层材料 的强度、 刚度及 水稳 性应 较 一般交 通 情 况 的 高 ， 且 要 有较 高 的抗 疲 劳破 坏能 力 为 了应 对这 种基 层特性 需 求 ， 目前我 国 公路 逐渐 推 广 采 用 贫 混 凝 土 基 层 贫 混 凝 土 ( L e a n C o n c r e t e ， L C) 与传统 的水泥稳定碎石、 二灰碎石等 常用半刚性材料相 比， 具有更高的强度 、 刚度和整体 性 ， 抗冲刷 和抗冻性能 良好 但是贫混凝土 具有 一 般 水泥 混凝 土 的共 有 特性 ， 在温 度和 荷载作 用下 ， 容 易产生 反射 裂缝 ， 造成 路 面结构 的早 期损坏 玄武 岩纤 维 ( B a s a l t F i b e r ， B F ) 由纯 天然 玄 武 岩 矿石经 1 4 5 01 5 0 0高温熔融后， 通过铂锗合金 拉丝漏板制成 ， 具有 断裂强度高、 弹性模量高 、 伸 长率低、 耐高温 (8 8 0 o C) 、 耐低温 (一2 0 0 ) 、 热传导系数低 ( 隔热) 、 抗腐蚀、 吸湿性低 、 重量轻等 优 异 性能 和优 良的加 工性 能 ， 属于一 种全 新 的材料 将 短 切玄 武岩纤 维 掺 配 到 贫混 凝 土 中 ， 可 以有 效 地 延 缓或 者避免 贫混 凝 土 的 反 射裂 缝 ， 由此 形 成 了 一 种新型混合材料玄武岩纤维贫混凝土 玄武岩 纤维贫混凝土是将玄武岩纤维均匀地分散于贫混凝 土中， 通过分散的玄武岩纤维减少动态荷载作用在 贫混凝土上引起的应力集 中， 增强贫混凝土材料的 抗拉强度和抗裂性 ， 减小温差变化时结构的收缩变 形 量 ， 从 而减 少反射 裂缝 的产 生 玄武岩纤维沥青混凝土具有较高的抗拉与抗弯 极限强度 ， 目前已经在沥青路面、 桥面铺装工程 中有 着成功的运用 但是对于玄武岩纤维贫混凝土基层 这种新型基层混合料 的研究尚处于初步阶段 笔者 就玄武岩纤维贫混凝土的力学性质进行 了研究 1 原材料及配合 比设计 1 1原材 料 采用普通硅酸盐 3 2 5 ( R) 水 泥， 其 细度 、 稠度 、 凝固时间和体积安定性等指标 均符合 国家标准要 求 粗集料为 5 2 5 mm粒径范 围的连续级配碎石 ， 其压碎值 、 针片状含量及密度均满足规范要求 细集 料采用当地河砂 ， 含泥量符合规范要求 ， 为中粗砂 外加剂采用 T Q N聚羧酸高性能缓凝减水剂 短切玄 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 8 3 0 基 金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 1 1 7 8 0 6 2 ， 5 1 0 3 8 0 0 2 ) ； 交通 部应 用基础研究项 目( 2 0 1 1 3 1 9 8 2 5 0 4 0 ) 作 者简介 ： 刘朝 晖( 1 9 6 8 一 ) ， 男 ， 湖南隆 回人 ， 教授 ， 博士 ， 主要从 事路基路 面工程 、 道路新材料 、 道路环 境工程等 方面的研究 3 8 华 北水利 水 电学 院学报 2 0 1 2年 2月 武 岩纤维 为浙 江石 金玄武 岩纤维 有 限公 司生 产 的玄 武岩短 切纤 维 ( B F C S 1 7 2 6 4 2 0 W ) ， 其各 项 性 能 指 标见表 1 表 1 玄武岩纤维的主要性能指标 1 2配合 比设计 混凝土配合比设计的首要任务是在满足混凝土 工作 性 、 强度 、 耐久 性 等 技术 要 求 的 前提 下 ， 经 济 合 理地确定拌合料各组分的用量 比例关系 设计强 度标准值满 足 水泥 混凝 土路 面施 工技 术规 范 ( J T G F 3 0 -2 0 0 3 ) 中 的要 求 参 照 贫 混 凝 土 基 层设 计强度标准值， 设定玄武岩纤维混凝土设计抗压强 度为 =1 0 MP a ， 设 计 抗 弯 拉 强度 为 = 2 MP a 经过 试验试 配 ， 确 定 了玄 武 岩 纤维 贫 混 凝 土 的配 合 比 ， 见 表 2 其 中玄 武岩纤维 是 按混 合 料质 量百 分 率 进行 掺配 ， 减水剂 掺量 为 1 ( 相对 水泥 而言 ) 表 2水 灰 比为 0 9 5的 混凝 土配 合 比 k g m 2 试验结果与分析 2J T 。 G 2 E3 0 - 2 ，相 0 0 对5 ) 嚣 攀 2 1 抗压 、 抗弯 拉强 度 护 ， 对混 凝土进 行 了 7 d和 2 8 d两个龄期 的抗 压 、 抗 按照 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程 弯拉强度试验 ， 结果见表 3 表 3 玄武岩纤维贫混凝土的抗压 、 抗弯拉强度试验 结果 1 ) 随着玄武岩纤维掺量的增加 ， 贫混凝土 的抗 压 、 抗弯拉强度逐渐增强 在 7 d龄期时， 混凝土强 度 已接 近设 计抗 压强 度 1 0 M P a ， 且 已达 到设 计抗 弯 拉 强度 为 2 MP a ， 说 明玄 武 岩 纤 维极 大 地 提 高 了贫 混 凝 土的早期 强度 2 ) 与普 通贫混 凝 土相 比 ， 玄 武岩 纤 维贫 混 凝 土 在 纤 维 掺 量 分 别 为 1 4 v ， 1 7 0 ， 2 0 o ， 4 0 c ， 6 0 o 时的平均抗压强度为 1 4 3 MP a ， 平均抗弯拉 强度 为 2 5 2 MP a ， 即随 着 玄武 岩 纤 维用 量 的增 大 ， 试件的抗压强度和抗弯拉强度均得到增强 试件7 d 抗压强度增 幅达到 9 5 ， 7 d抗弯拉强度增幅达到 1 8 4 玄 武岩纤 维用量 对 2 8 d抗 压强 度 的影 响最 为 显著 ， 最 大 可达 到 1 5 1倍 ， 这说 明玄 武岩 纤 维对 混 凝土强 度起 到 了增 强作用 3 ) 玄 武岩纤 维掺 量从 0 0 增 加 到 1 4 v 时 ， 混 凝土 强度增 幅较 大 ， 其 抗 压 、 抗 弯 拉 强 度 分 别 达 到 2 2 ， 1 0 ； 纤 维掺量 从 1 4 0 增 加到 2 0 c 时 ， 混 凝 土强 度增 幅很 小 当玄 武 岩纤 维掺 量 增 加 到 2 0 c 时 ， 试 件 7 d抗 压 、 抗 弯 拉 强 度 达 到一 个 高 峰 值 ， 分 别 为 9 8 MP a和 2 0 6 MP a ； 当 纤 维 掺 量 增 加 至 4 0 0 和 6 0 0 时 ， 试 件抗 压 、 抗弯 拉 强度 增 幅很 小 ， 趋 于 平 缓同 时 ， 现 阶 段 玄 武 岩 纤 维 市 场 价 格 为 2 8 0 0 0元 t ， 综合考 虑到 经济性 和性 能指 标 ， 建议 确 定 贫混凝 土基 层 中 最佳 的 玄 武岩 纤 维掺 量 为2 0 ( 4 8 k g m ) ， 最佳掺量范围为 3 6 k g m 由上面分析可知， 玄武岩纤维掺量适量时， 可有 效提高贫混凝土早期强度和后期抗压 、 抗弯拉强度 究其原因 ： 一是由于玄武岩纤维本身直径小 ， 且短切 到 2 0 mm长 ， 则 同等 质 量 的 纤 维 ， 其 单 位 面 积 的 纤 维根数越多 ， 纤维的比表面积就越大 ， 从而使玄武岩 第 3 4卷第 1 期 刘朝 晖， 等 ： 玄武岩纤维贫混凝 土力学性 能研究 3 9 纤 维 与水泥 基材 的 黏 结 面积 越 大 ， 玄 武 岩 纤 维 跨越 裂缝 的根数 就越 多 混凝 土受 到拉力 作用 时 ， 虽 然混 凝土开裂 ， 但是玄武岩纤维 尚未达 到其抗拉强度极 限， 将承担一部分塑性开裂应力 ， 使得混凝土仍然具 有 一定 的承载 能力 二 是 玄 武 岩纤 维 的极 限 延 伸率 大 大超 过 了水 泥基材 料 ， 在 拉力 的作 用下 ， 玄武 岩纤 维达到其抗拉强度极限被拉断 ， 但是玄武岩纤 维在 结构中吸收开裂时产生的能量 ， 同样使得混凝 土的 抗 弯 拉强度 得 到 了提 高 根据表 3中试件 2 8 d抗压 、 抗 弯拉强度值 ， 得 出玄 武岩纤 维 贫混 凝 土 的 抗 弯 拉 强 度 与抗 压 强 度 之 间符合 的幂指数 形式 为 = 0 5 4 8 2 f 0 5 7 2 ， R： 0 9 0 8 8 ( 1 ) 2 2混凝 土冲 击性 能 冲击 性 能是 衡 量 材料 韧 性 的一 种 强 度指 标 ， 表 征 材料 抵抗 冲击 载 荷 破 坏 的能 力 ， 通 常 定 义 为试 样 受 冲击载荷 而折 断 时 单 位截 面所 吸 收 的 能量 这 里 采用落锤式 冲击试验 ， 让重锤从 已知高度落到圆饼 试样上， 测试混凝土的冲击性能 具体试验操作参照 A C I 5 4 4委员会 提 出 的落 重法 ， 并 稍作 修改 对 玄武 岩纤 维掺 量 为 0 0 e 和 2 0 的贫 混 凝 土 试件 进行 自由落锤 冲击试 验 试验 结果 见表 4 表 4贫混凝土冲击性能试 验结果 ( 冲击次数 ) 冲击性 能计 算公 式为 C i = - 1 X 1 0 0 ( 2 ) V0 式 中： c 为混凝土抗冲击性 ， ； N 为受检混凝土的 破坏冲击次数 ， 次 ； N o为基准混凝 土的破坏 冲击次 数 ， 次 由公 式 ( 2 ) 可得 到 玄武 岩 纤 维贫 混 凝 土 的抗 冲 击 性为 C =1 3 1 6 ， 比未 掺 纤 维 的贫 混 凝 土 提 高 了约 0 3倍 这就可以有效地缓解路面在较大 的荷 载冲击下产生断裂裂缝 ， 损害路面结构 究其原因 ： 玄武岩纤维较细 ， 比面积大 ， 单位体积内玄武岩纤维 根数很多 ， 在贫混凝土内部构成一种均匀 的三维乱 向分布的网络体系， 在贫混凝土受到冲击荷载作用 时 ， 该网络体系可以缓 和其 内部裂缝尖端应力集 中 程度 而有 效地 阻止 裂 缝 的 发展 ， 进 而 吸收 冲 击荷 载 产生的动能 ， 提高混凝土的抗冲击性能 2 3静 力抗压 弹性 模量 贫混 凝 土应 力 一应 变关 系 是 非线 性 的 ， 表 征其 特征 的弹 性模量 有 初始 切 线模 量 、切 线模 量 、割线 模量 、 弦线模量等 这里玄武岩纤维贫混凝土的静力 抗压弹性模量采用轴心抗压强度 1 3时的割线弹性 模量表示 按照表 2所示配合比， 依据 公路工程水 泥及水泥混凝土试验规程( J T G E 3 0 -2 0 0 5 ) 的试 验方 法 ， 对 玄武 岩纤 维贫 混凝 土进行 2 8 d静 力 抗压 弹性 模量 试验 ， 结果 见表 5 表 5 玄武岩纤维贫混凝土 2 8 d抗压弹性模量试验结果 由表 5可得 回归关系式 为 =0 0 0 6 EZ ，R=0 9 4 9 7 ( 3 ) 由表 5 、 公 式 ( 3 ) 可知 ： 掺加 纤维 后 ， 试 件 的静 力 抗压 模量 有所增 大 ， 也就 是其 刚度得 到 了提高 ； 但是 随着 玄武 岩纤 维掺 量 的 增加 ， 试 件 的静 力抗 压 模 量 值变化幅度不大， 说 明玄武岩纤维 的掺入提高了贫 混凝 土材 料 的抵 抗 弹 性 变形 的能 力 ， 但 对贫 混 凝 土 抗压模 量影 响不 大 这是 因为 ： 玄武岩 纤维 贫混凝 土 的抗压设计强度只有 1 0 MP a ， 在加载至其轴心抗压 强度对 应 的极 限荷 载 的 1 3时 ， 在 混 凝 土 内部 容 易 发挥玄 武 岩纤维 的 高 弹性 模 量 的 优 势 ， 可 与混 凝 土 一 起 通过 变 形 抵 消 内部 因为 温 度 与基 体 产 生 的应 力 ， 使 其更 难发 生变形 与脆 断 3 结语 为解 决 贫 混凝 土 基 层 沥 青 路 面 的 反 射 裂 缝 问 题 ， 提 出在 贫混凝 土基 层 中掺加玄 武 岩纤维 ， 并通 过 大量 的试 验研 究 ， 得 出 了以下结论 1 ) 提 出 了玄 武 岩 纤 维 贫混 凝 土基 层 配 合 比设 计方法 即综合考虑经济性和路用性能指标 ， 推荐玄 武岩纤维最佳掺量为混合料 总质量 的 2 0 e ， 最佳 掺 量范 围为 3 6 k g m 2 ) 掺 人玄 武岩 纤 维后 ， 能 较 大 幅度 提 高 贫 混凝 土的早期抗压 、 抗弯拉强度 ， 且 2 8 d龄期的纤维贫 华北水利水电学院学报 2 0 1 2年 2月 混凝 抗压 、 抗弯 拉强 度 也 较一 般 贫 混凝 土 的提 高 了 2 0 以 上 3 ) 分 别提 出 了玄 武 岩 纤 维 贫 混 凝 土 基 层 的抗 压 、 抗弯 拉强度 以及 轴 心 抗压 强 度 和抗 压 弹 性 模 量 的回归公 式 4 ) 玄 武 岩 纤 维 贫混 凝 土 具 有 良好 的抗 冲 击性 能 ， 较普通贫混凝土提高了近 1 3倍 ， 能有效缓解较 大 荷载对 路 面的 冲击 破坏 5 ) 玄 武 岩 纤 维 提 高 了贫 混凝 土材 料 的 静 力 抗 压 弹性模 量 ， 但 提升 幅度不 大 参 考 文 献 1 孙家伟 ， 郑 木莲 ， 王秉 纲 路面 基层贫 混凝 土 的力学 特 2 3 4 性研究 J 公路 ， 2 0 0 5 ( 5 ) ： 2 6 3 2 Cz i g a n y T， P o l o s k e i K， Ka r g e r Ko c s i s J F r a c t ur e a n d f a i l u r e b e ha v i o r o f b a s a l t fib e r ma t - r e i n f o r c e d v i n y l e s t e r e p o x - Y h y b r i d r e s i n s a s a f un c t i o n o f r e s i n c o mpo s i t i o n a nd fib e r s u rf a c e t r e a t me n t J J o u r n a l o f Ma t e r i a l S c i e n c e， 2 0 0 5 ( 2) ： 1 2 81 3 8 张应立 现 代混凝 土配合 比设 计手册 M 北 京 ： 人 民 交 通 出 版 社 2 0 0 2 ACI Co m mi t t e e 5 44 M e a s u r e me n t o f p r o p e r t i e s o f fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e A C I Ma n u a l o f C o n c r e t e P r a c t i c e R A me r i c a n Co n c r e t e I ns t i t u t e， 1 9 99 S t u dy o n M e c h an i c al Pr o p e r t i e s o f Ba s a l t Fi b e r Le an Co nc r e t e L I U Zh a o h u i ，HE Ch u n y a n。 ， S UN Xi a o x i a o ，LI Be n pe n g ( 1 C h a n g s h a Un i v e r s i t y o f S c i e n c e T e c h n o l o g y ，C h a n g s h a 4 1 0 0 7 6，C h i n a ； 2 G u a n g d o n g T r a ffic I n d u s t r i a l I n v e s t me n t L i mi t e d C o mp a n y，Gu a n g z h o u 5 1 0 0 4 5，C h i n a ) Abs t r a c t：Th e p r o b l e m o f r e fle c t i o n c r a c k i s o ut s t a n di n g f r o m t he a s p e c t o f us a g e s i t u a t i o n o f l e a n c o n c r e t e b a s e c o mpo s i t e p a v e me nt Th e ba s a l t fi be r l e a n c o n c r e t e i s a ne w k i n d o f mi x t u r e whi c h c a n e f f e c t i v e l y we a k e n o r a v o i d r e fle c t i o n c r a c k i n g i n t h e l e a n c o n c r e t e By a s e r i e s o f i n d oo r t e s t s ， me c ha n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e b a s a l t fibe r l e a n c o nc r e t e s uc h a s c o mp r e s s i v e s t r e n g t h，be nd i ng t e ns i l e s t r e n g t h，i mp a c t r e s i s t a nc e a nd s t a t i c c o mp r e s s i v e mo du l us o f e l a s t i c i t y we r e s t u di e dTh e r e s u l t s we r e o b t a i ne d a s f o l l o ws：t h e o p t i mum d o s a g e o f b a s a l t fib e r wa s 2 0o o f t h e t o t a l we i g h t ，a nd t he d o s a g e r a n g e wa s 36 k g m ；mi x i ng ba s a h fib e r c o u l d g r e a t l y i m p r o v e t he c o mp r e s s i v e a n d b e n d i n g t e ns i l e s t r e n g t h o f t he l e a n c o n c r e t e a t e a r l y a g e，a n d t h e n t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d be n d i n g s t r e n g t h o f fibe r l e a n c o n c r e t e a t t he a g e o f 2 8 d a y s we r e i mp r o v e d u p t o mo r e t ha n 2 0o f n o r ma l l e a n c o n c r e t e；t h e l e a n c o n c r e t e ha d a g o o d i mp a c t r e s i s t a nc e pe rfo r ma nc e a f t e r mi x i ng b a s a l t f i b e r ，wh i c h i nc r e a s e d n e a r l y a t h i r d t i me s t h a n no r ma l l e a n c o n c r e t e；t h e s t a r i c c o mp r e s s i v e mo d u l u s o f e l a s t i c i t y wa s i mpr o v e d，bu t t h e i n c r e me n t wa s no t t o o muc h Ke y wo r ds：f i be r l e a n c o n c r e t e；b a s a l t fib e r ；me c h a n i c a l p r o p e r t i e s ；d e s i g n p a r a me t e r ( 责任编辑 ： 陈海涛 )