玄武岩纤维贫混凝土力学性能研究.pdf
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1、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
2、, 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 ,
3、 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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、 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
10、 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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、 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
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