玄武岩纤维增强机场道面混凝土力学性能试验研究.pdf

第 3 8卷第 1 期 2 0 1 2年 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 7 9 玄武岩纤维增强机场道面混凝土力学性能试验研究 李文蕾， 吴永根， 马世宁 ( 空军工程大学工程学院， 陕西 西安7 1 0 0 3 8 ) 摘要： 针对当前机场混凝土道面使用过程中存在的部分问题， 为提高道面强度及耐久性能， 试验利用纤维增强混 凝土技术， 对比分析研究了两种规格的玄武岩纤维分别以0 o 5 ， 0 1 0 ， 0 1 5 的体积掺量对机场道面混凝土抗 折、 抗压强度性能的影响规律。试验结果表明： 玄武岩纤维对机场道面混凝土有较好的力学增强性能， 2 8 d抗折强 度提高6 0 9 1 9 8 0 ， 对抗压强度影响不明显， 并且长度 4 0 m m、 直径 40 p m的短切玄武岩纤维较长度 2 0 m m、 直径2 0 m有更好的增强效果， 可以在机场混凝土道面施工中使用， 其最佳体积掺量为0 1 0 。 关键词： 玄武岩纤维； 机场道面混凝土； 抗折强度； 抗压强度； 和易性 中图分类号： T U 5 2 8 5 7 2 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 2 ) O 1 1 7 90 4 Ex p e r i me n t a l s t u d y o n me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f ba s a l t fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e f o r a i r p o r t p a v e me n t LI We n l e i ， W U Yo n g g e n， MA S h i n i n g 、 ( E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e ， A i r F o r c e E n g i n e e ri n g U n i v e r s i t y ， X i a n 7 1 0 0 3 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o i mp r o v e t h e me c h a n i c a l p rop e r t i e s a n d d u r a b i l i t y o f a i r p o r t p a v e me n t c o n c r e t e ， t h e e x p e r i me n t al s t u d y o n me c h a n i c al p r o p e rti e s o f b a s alt fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e f o r a i r p o r t p a v e me n t we re c a r r i e d o u t i n l a b o r a t o r y An aly z e a n d c o mp a r e w i th the e ff e c t s o f 0 0 5 ， 0 1 0 ， 0 1 5 v o l u me f r a c t i o n mi x i n g a mo u n t o f t wo s i z e b a s alt fi b e r o n the fl e x ura l s t r e n g t h ， c o mp r e s s i v e s t r e n g t h p r o p e rt i e s o f air p o rt p a v e me n t c o n c r e t e T e s t r e s u l t i n d i c a t e s t h a t t h e 2 8 d f l e x ura l s t r e n g t h i n c r e a s e b y 6 0 9 一1 9 8 0 an d t wo s i z e b a s alt fiber d o n o t h a v e b a d e ff e c t o n c o mp r e s s i v e s t r e n g t h B a s alt fi ber o f l e n g t h40 mm， d i a me t e r4 0 t x m h a s bet t e r e ff e c t o n me c h a n i c al p r o per t i e s tha n t h e l e n gth 2 0 mm， d i a me t e r 2 0 m， i t s o p t i mu m v o l u me f r a c t i o n i s 0 1 0 Ke y wo r d s ： b a s alt fi b e r ； air p o r t p a v e me n t c o n c r e t e ； fl e x u r al s t r e n g t h； c o mp r e s s i v e s t r e n g t h； w o r k a b i l i ty 0 引 言 作为一种新兴 的纤维材料 的玄武岩纤维 ( B a s a l t F i b e r ， 简称 B F ) 较其他常用纤维以其化学稳 定性和化学相容性 良好、 耐腐蚀性较佳和使用范围 广等性能特点， 近几年来在纤维增强混凝土领域得 到了工程实际应用， 很 多学者进行 了大量相关 内容 的研究工作 。 随着航空技术的迅速发展 ， 机种更新换代加快， 飞机起飞重量和单轮荷载、 机轮胎压等不断增大 ， 对 机场道面混凝土的强度、 耐久性等性能提出了更高 的要求。而玄武岩纤维机场道 面混凝土( B a s a l t F i b e r R e i n f o r e e d A i r p o r t P a v e m e n t C o n c r e t e ) 是在普通 机场道面混凝土基础上 ， 均匀适 量地掺入短切玄武 岩纤维， 再经搅拌、 摊铺、 振捣、 作面、 硬化养护后形 收稿 日期 ： 2 0 1 0 9 - 2 9 作者简介： 李文蕾( 1 9 8 3 一 ) ， 男， 陕西宝鸡人， 助理工程师， 硕士研究 生 ， 研究方向为机场施工与材料 。 E ma i l ： 1 7 2 2 71 1 4 q q G o m 成机场混凝土道面。它不仅满足道面混凝土的基本 技术性能指标， 更重要 的是利用玄武岩纤维增强混 凝土技术来提高道面混凝土的强度、 抗裂和疲劳强 度等性能， 从而得到较高质量的机场跑道， 有利于延 长机场道面使用寿命( 一般为 3 0年) ， 对于保证正 常飞行使用， 减少后期维护费用， 具有迫切的经济社 会效益和重要的军事意义 。 目前 ， 玄武岩纤维对机场道面混凝 土的性 能影 响和应用研究在国内仍处于初步阶段 ， 对玄武岩纤 维在机场道面混凝土中的性能及使用效果还缺乏较 为全面系统的认识， 暂时鲜有学者涉及 ， 还未有太多 的试验研究和文献资料给出， 因此， 有必要针对这个 方面进行 比较全面的研究和分析。 1 混凝土配制 1 1 配合比设计 机场道面混凝土以抗折强度为设计指标。根据 G J B 1 5 9 6 9 1 机场道面混凝土性能及配合比设计要 求 和 G J B 1 1 1 2 A一 2 0 0 4 ( 军用机场场道工程施工 1 8 O 四川建筑科学研究 第 3 8卷 及验收规范 ， 试验混凝土抗折强度等级为 5 0 M P a ； 和易性要求维勃稠度 1 5 3 0 s 。经初步设 种规 格 的玄 武 岩 纤 维 ， 分 别 以 0 0 5 ， 0 1 0 ， 0 1 5 三种体积掺率加入到基准配合比中形成玄武 计， 通过试拌调整， 先确定基准配合比P 。试验用两 岩纤维道面混凝土的配合比， 具体参见表 1 。 表 1 玄武岩纤维机场道面混凝土配合比 Ta b l e I Mi x p r o p o r t i o n s o f b a s a l t fib e r r e i n f o r c e d a i r p o rt p a v e me n t c o n c r e t e 1 2试验用原材料 1 ) 水泥： 陕西耀县秦岭牌 P 0 4 2 5 R普通硅 酸盐水泥 ， 2 8 d抗折强度 8 8 MP a ， 抗压强度 4 8 8 MP a ， 密度 3 1 0 g c m 。 2 ) 砂： 灞河中砂， 细度模数为 2 7 3 ， 属 区， 级 配合格 ， 含泥量 1 0 ， 表观 密度 2 6 3 0 k g m ， 堆积 密度 1 5 0 3 k g m 。 3 ) 石： 陕西泾阳石灰岩碎石， 5 2 0 m m， 2 0 4 0 H n 两级配， 级配比例为4 5 ： 5 5 ， 级配合格， 表观密度 2 7 8 0 k g m ， 堆积密度 1 5 9 0 k g m 。 4 ) 水： 普通饮用水。 5 ) 玄武岩纤维： 四川航天拓鑫玄武岩实业有限 公司 2 0 1 0年 3月生产的短切玄武岩纤维。两种规 格 ： 直径 2 0 m， 长 2 0 ra m； 直径 4 0 m， 长 4 0 m m。 其物理化学性能参见表 2 。 表2 试验用玄武岩纤维的物理化学性能指标 Ta b l e 2 Ph y s i c a l a n d me c h a n i c al p r o p e r t i e s o f b a s a l t fi b e r 1 3 试验方法 混凝土搅拌和试件制作均在实验室进行。共 7 组配合比， 每组拌合料在测定维勃稠度后， 制作成型 1 0 0 mm1 0 0 mm 4 0 0 mm的小梁试件 6根。经标 准养护， 分别测定7 d 和2 8 d的抗折强度， 用抗折试 件断头测定抗压强度。数值处理按照规范要求进 行。基准配合 比? 昆 凝土 实测为 1 5 s ， 2 8 d平均抗 折强 度 5 9 1 M P a大 于设 计 配 制抗 折 强 度 5 8 2 M P a ， 说明机场道面混凝 土基准配合 比 P满足设计 要求。 所有拌合物的粘聚性保水性， 无泌水离析和骨料外 露现象 ， 和易性 良好 。本次试验纤维加入后不用外 掺减水剂可以达到和易性要求。且规格 4 0 m m一 4 O m的玄武岩纤维 在 I 61 8 s 之 间， 2 0 ra i n2 O m在 1 7 3 0 s 之 间， 前者较后者 的和易性更加理 想。 3强度试验 3 1 试验结果 抗折强度和抗压强度试验结果参见表4 。 2 和易性试验 M 。 4胁 。 蟛h 维勃稠度试验结果见表 3 。 表 3 维勃稠度试验结果 Ta b l e 3 Re s u l t s o f v e b e c o ns i s t e n c y t e s t 堡呈 ! 丝 竺 里 ! 里 墅 维勃稠度 s 】 5 l 7 2 7 3 0 1 6 l 6 l 8 由表 3可知 ， 两种规格 、 三种纤维掺量的道面混 凝土 均符合规范要求。拌合物流动性良好， 纤维 分散性好， 无相互缠绕成团的不良现象。通过观察 2 0 1 2 N o 1 李文蕾， 等 ： 玄武岩纤维增强机场道面混凝土力学性能试验研究 1 8 1 3 2结果分析 1 ) 长度 2 为 2 0 mm、 直径 d为 2 0 m玄武岩纤 维不 同掺量对抗折强度的影响， 如图 l 所示 。 图 1 抗折强度与玄武 岩纤维 ( 2 0 m i l l 2 0 a ) 掺量的关系 Fi g 1 Re l a t i o n s h i p b e t we e n t h e mi x i n g a mo u n t o f b a s a l t fi b e r ( 2 0 mm 2 0 Wn ) a n d fl e x u r al s t r e ng t h 由表 4和图 1可知 ， 2 0 m m一 2 0 m玄武岩纤维 三种体积掺量与基准道面混凝土相 比， 7 d和 2 8 d 抗折强度都随着纤维掺量 的增加 而逐渐 提高， 7 d 抗折强度较基准道面混凝土提高范围从 2 9 7 一 1 1 8 8 ， 2 8 d抗 折 强 度 提 高 范 围 从 6 0 9 1 2 5 2 ， 表明抗折强度增强效果理想。 从同一掺量来分析， 2 8 d 抗折强度的提高率较 7 d 更高， 且三种体积掺量均呈现出此规律， 说明此 种规格 2 0 m m 2 0 m的玄武岩纤维对后期抗折强 度的提高比前期明显。以纤维掺量0 1 5 为例， 7 d 抗折强度较基准混凝土提高了 1 1 8 8 ， 2 8 d抗折 强度达到了 1 2 5 2 ， 说明后期提高率要高于前期。 试验结果表明， 规格 20 mm20 m 的玄武岩纤维 以体积掺量 0 1 5 加入 ， 对于机场道面混凝土抗折 强度的提高是更有利的。 2 ) 长度 c 为 4 0 m m、 直径 d为 4 0 玄武岩纤 维不同掺量对抗折强度的影响， 如图 2所示。 纤维体积掺量 图2 抗折强度与玄武岩纤维( 4 0 m m一 4 0 “ 脚) 掺量的关系 Fi g 2 Re l a t i ons hip be t we e n t he mi xi n g a mou nt o f b a s a l t fi b e r ( 4 0 rai n 40 m) a nd fle x ur a l s t r en g t h 由表 4和图 2表明， 4 0 m m一 4 0 m玄武岩纤维 三种体积掺量与基准道面混凝土相 比， 7 d和 2 8 d 抗折强度不同幅度都有所提高， 但是随着体积掺量 的增加， 7 d和2 8 d 抗折强度值都呈现出先上升后 下降的规律， 7 d抗折强度较基准道面混凝土提高 范围从 9 9 0 一 1 2 6 7 ， 2 8 d 抗折强度提高范围 从 1 0 3 2 1 9 8 0 。从试验结果来 看， 规格 4 0 m u 1 4 0 x m的玄武岩纤维对抗折强度增强效果是 更加理想。 从同一掺量来分析， 2 8 d抗折强度的提高率较 7 d 更高， 且三种体积掺量均呈现出此规律， 也表明 规格4 0 m m一 4 0 m的玄武岩纤维对后期抗折强度 提高比前期更明显， 掺人后对于后期抗折强度的提 高影响更大。以掺量 0 1 0 为例 ， 此时抗折强度为 3 个值中的最大值， 7 d 提高了1 2 6 7 ， 2 8 d 提高了 1 9 8 0 ， 也说明后期提高率要高于前期。试验结果 表明， 规格4 0 m il l 一 4 0 tx m的玄武岩纤维以体积掺 量 0 1 0 加入 ， 对于机场道面混凝土抗折强度的增 强提高是更有利的。 从对抗折强度的影响总体来看， 4 0 m m 4 0 m 的玄武岩纤维其增强效果要优于 2 0 m m 2 0 m的 玄武岩纤维， 其体积掺量为 0 1 0 时， 增强效果是 最佳的。 3 ) 长度 Z 为 2 0 m r f I 、 直径 d为 2 0 玄武岩纤 维不同掺量对抗压强度的影响， 如图3所示。 55 u I 。 卜 、 V v ， 。卜、 、 一 o - o 一：7d 嚣 瑟 2 5 0 L J L _ L _ _ J 图 3 抗压强度与玄武岩纤维 ( 20 m m 2 0 m) 掺量的关系 Fi g 3 Re l a ti o ns h i p b e t wee n t h e mi x i ng a mo u n t o f b a s a l t f b e r ( 2 0 f i n n2 0 p m) a n d c o mp r e s s i v e s t r e n gth 由表4和图3可知， 体积掺量0 0 5 和0 1 0 的7 d抗压强度 比基准道面混凝土分别下降了 6 O 和 2 1 ， 体积掺量为 0 1 5 的 7 d抗压强度 较基准混凝土增加 1 0 。其中， 体积掺量 0 1 0 与0 1 5 相比， 2 8 d 抗压强度分别下降了6 2 和 6 6 ， 但相差不大仅为0 4 。同一掺量的纤维混 凝土与基准混凝土相 比， 7 d和 2 8 d抗压强度的百 分率变化范围不大。 4 ) 长度 Z 为 4 0 m m、 直径 d为 4 0 m玄武岩纤 1 8 2 四川建筑科学研究 第 3 8卷 维不同掺量对抗压强度的影响， 如图4 所示。 图 4 抗压强度与玄武岩纤维 【 4 0 m m- 4 0 Ix m) 掺量的关系 F i g 4 Re l a tio n s h i p b e t we e n t h e mi x i n g a mo u n t o f b a s a l t fi b e r ( 4 0 mm- 4 0 p m1 a n d c o mpr e s s i v e s t r e ng t h 表4和图4表明， 三种体积掺量的纤维混凝土 7 d抗压 强度 较 基 准 昆凝 土增 加 范 围在 2 5 8 4 之间； 掺量为 0 o 5 和 0 1 5 的 2 8 d抗压强 度却低于基准混凝土， 分别下降了 1 6 和 2 8 。 从总体来看， 随着4 0 m m 4 0 tx m纤维掺量的增加， 抗压强度的变化呈现出先上升后下降的趋势。掺量 为 0 1 0 时， 对于 7 d和 2 8 d抗压强度是比较理想 的掺量。当掺量过多时， 玄武岩纤维对前期抗压强 度可以提高， 但导致后期抗压强度降低， 这与国内部 分学者的试验结果是类似的。体积掺量为 0 1 0 时， 4 0 mm 4 0 m 的玄武岩纤维增强性能要优于 2 0 IT I 1 T I 一 2 0 I x m的玄武岩纤维 。 道面混凝土受弯拉荷载作用基体开裂时， 部分 外力 自基体传递给玄武岩纤维 ， 纤维具有较大变形 能力可继续承担作用面上 的应力 ， 更多纤维因受力 变形而消耗部分能量 ， 直至最终纤维被拉断或从基 体中拔出， 其承受分担了部分外力 ， 提高了玄武岩纤 维道面混凝土的极限弯拉强度， 所以增强增韧效果 明显 。 从微观分析， 玄武岩纤维的加入对道面混凝土 基体内部的微观结构起到 了改变作用 ， 随着纤维掺 量的提高 ， 纤维间距变小， 纤维相互交错搭接形成空 间网状结构 ； 从宏观分析 ， 纤维的加入必然会影响混 凝土的拌合效果， 降低其流动性， 影响密实性， 从而 可能影响到抗压强度性能。 4 结 论 1 ) 两种玄武岩纤维 以 0 0 5 ， 0 1 0 ， 0 1 5 体积掺量加入机场道面混凝土后， 其和易性均符合 规范要求， 纤维分散性理想。其中， 4 0 m m 4 0 m 的玄武岩纤维较 2 0 mm 2 O m纤维流动性更好， 整体和易性更加理想。 2 ) 玄武岩纤维的掺人明显提高了道面混凝土 的抗折强度， 对后期 2 8 d 抗折强度的提高率要高于 前期。规格4 0 m m一 4 0 Ix m的玄武岩纤维以体积掺 量 0 1 0 加入， 2 8 d 抗折强度提高达 1 9 8 0 ， 增强 效果较其他非常理想， 建议可以在具体机场道面施 工中参考使用 。 3 ) 掺入玄武岩纤维， 会降低道面混凝土抗压强 度， 但较基准混凝土变化范围较小 ， 不会对抗压强度 产生不利影响。 4 ) 玄武岩纤维在加入过 程中， 要尽可能均匀 ， 严格控制搅拌及振动时间， 防止 出现玄武岩纤维结 团、 纤维受损、 混凝土振动不密实 等不 良现象 ， 确保 道面混凝土的搅拌和浇筑质量。 参 考 文 献 ： 1 胡显奇， 申屠年 连续玄武岩纤维在军工及民用领域的应用 J 高科技纤维与应用， 2 0 0 5 ， 3 0 ( 6 ) ： 7 1 3 2 C J B 1 5 9 6 9 1 机场道面水泥混凝土配合比设计技术标准 s 3 G J B I l 1 2 A一 2 0 0 4军用机场场道工程施工及验收规范 s 4 K u ma r M e h t a P ， P a u l o J M Mo n t e ir o 混凝土 ： 微观结构 、 性能 和 材料 M 3 版 北京： 中国电力出版社， 2 0 0 8 5 G B T 2 3 2 6 5 2 0 0 9水泥混凝土和砂浆用短切玄武岩纤维 s d 鲁乏 鹱趟