短切BFRC力學性能及機場道面工程應用*

孫一民，李忠良，張 健

(1.沈陽工程學院 經濟與管理學院，沈陽 110136；2.沈陽工業大學 建筑與土木工程學院，沈陽 110870)

建筑材料的革新是推動工程質量不斷提高不可或缺的因素.目前，在建筑工程領域中復合建筑材料的應用方興未艾，其中，各種纖維增強混凝土材料得到了深入研究并投入到工程應用中.作為一種新興環保型的纖維材料，玄武巖纖維憑借其優越的物理特性和力學性能而備受關注.連續玄武巖纖維(CBF)是一種以火山噴出的純凈玄武巖為唯一原料的天然無污染綠色纖維[1].生產工藝簡單和天然玄武巖的巨大儲量決定了玄武巖纖維價格低廉.生產過程中沒有任何雜質或污染，同源性質決定玄武巖纖維與混凝土有著天然相容性和良好的分散性，兼備優良的力學性能特性決定其是可以全面取代其他纖維的理想產品[2-4].通過試驗、理論分析和數值模擬等手段，對玄武巖纖維增強混凝土(BFRC)的力學性能開展研究，已成為當前該領域的研究熱點[5-10].針對不同比例纖維摻量對BFRC的強度進行試驗研究，并通過數值模擬的方法，分析該復合材料在飛機輪載下的受力性能，以探究不同纖維摻量對該材料的力學性能影響，為其在機場道面工程中的應用提供借鑒.

1 加載試驗

1.1 試驗材料

采用150 mm×150 mm×150 mm立方體試件進行加載試驗.纖維采用浸膠短切玄武巖纖維，密度為2 650 kg/m3，相關物理指標參數具體如表1所示.

表1 CBF性能參數Tab.1 Performance parameters for CBF

采用普通硅酸鹽水泥PSA32.5，以模數為2.68的天然細河砂作為細骨料，以粒徑為6～30 mm的碎石為混合料的粗骨料.

1.2 試驗混凝土配合比設計

根據文獻[5-6]，經過數次試配，最終確定混凝土強度等級為C40，其配合比設計如表2所示.

表2 C40砼配合比Tab.2 Concrete mixture ratio of C40

為了研究纖維摻量對材料性能的影響，試驗中分別選用CBF體積摻量為0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%進行試驗.

1.3 試驗設備、試件制作及養護

試驗攪拌機采用HY2-60，振動臺采用HZJ-I型，采用SKYH-40B型恒溫恒濕養護箱養護，采用YAW-1000型電液伺服壓力試驗機進行加載.

試驗分別采用纖維預處理摻入方法(預處理方法)和普通摻入法(直摻法)兩種材料制備工藝，嚴格控制材料各組分的投料順序及攪拌時間，以保證試件的質量及均勻性.

試件制作的全過程在控制試驗室內進行，環境溫度保持在(23±5)℃，濕度保持大于等于50%.試件成型后在室內放置30 h，做好記錄后放進養護室進行28 d養護，保持養護室室溫為(20±2)℃，相對濕度大于等于95%.

2 試驗結果與分析

2.1 抗壓試驗與結果分析

試驗構件抗壓強度fcu計算公式為

fcu=F/A

(1)

式中：F為試件破壞時荷載值；A為試件承受壓力面積.

抗壓加載試驗以構件破壞時為加載終止條件.BFRC試驗結果表明不同纖維摻量對混凝土強度的影響存在明顯差異，為了分析纖維摻量對試件抗壓強度的影響，給出了試件抗壓強度增長率與纖維摻量的關系曲線，如圖1所示.

圖1 強度增長率與纖維摻量關系Fig.1 Relationship between strength increasing rate and fiber content

根據試驗結果進行回歸分析，采用三次多項式曲線進行擬合，擬合公式為

y=-486.6x3+91.55x2+7.888x+40.57

(2)

該擬合公式的擬合度R2=0.998，因此可以計算出纖維摻量介于0.05%～0.3%之間的材料抗壓強度.

由試驗結果分析可知，當混凝土中玄武巖纖維體積摻量(fiber volume content，FVC)由0增加到0.2%時，混凝土試件抗壓強度一直隨著FVC同向變化，且在FVC達到0.2%時，抗壓強度達到最大峰值.其中相對抗壓強度為1.03，抗壓強度增長率為3.32%.但FVC繼續增大到0.3%時，BFRC的抗壓強度出現較大幅度降低，其相對抗壓強度為0.94，增長率為-6.24%.素混凝土和不同纖維摻量混凝土試件的破壞形態如圖2所示.

圖2 試件破壞形態Fig.2 Failure modes of specimens

由圖2可以看出，加載破壞的素混凝土試件外觀產生嚴重的崩碎現象，呈現大范圍散落狀和不完整狀態.而纖維混凝土破壞的狀態明顯不同，而且隨著FVC的增加，試件破壞時散落和崩碎現象不再明顯，取而代之的是不規則的貫通裂紋增多.其原因是纖維在混凝土內呈現雜亂不定向的三維分布狀態，形成三維支撐體系.粘結和纖維抗拉促使混凝土內部產生更多的微裂縫，微裂縫不斷擴展成為寬裂縫，呈現貫穿破壞.如果纖維摻入過多，不能完全分散開來，必將增加混凝土內部薄弱面，受力時加速混凝土中微裂縫的開展導致試件承載能力喪失，形成了上述試件的破壞形態.

2.2 抗劈拉試驗與結果分析

通過直接測試法和間接測試法來確定混凝土的抗拉強度.直接測試法的不足是隨機誤差較大.間接測試法試驗相對繁瑣，但測試結果更可靠，通過劈拉加載邊長150 mm混凝土試件來獲得試驗抗劈拉強度.抗劈拉強度fts計算公式為

fts=2F/(πA)=0.637F/A

(3)

BFRC試驗結果表明，不同纖維摻量對混凝土強度的影響存在明顯差異，可通過BFRC強度增長率來衡量纖維摻量效果.圖3為抗劈拉強度與纖維體積摻量的關系曲線.

由圖3可知，當CBF體積摻量介于0～0.2%之間時，試件抗劈拉強度隨FVC的增加而增大，且當FVC達到0.1%時，劈裂強度達到峰值，較素混凝土劈拉強度增長23.0%.而當FVC由0.1%增大到0.3%過程中，BFRC的劈裂強度表現為下降趨勢，劈裂強度不升反降，增長率為-8.8%.

素混凝土試件劈裂抗拉斷面呈現出一條直線裂縫，而BFRC劈裂抗拉斷面表現為一條或幾條彎曲斷裂線，每條彎曲線連通著一些細小裂紋.分析其原因，素混凝土為抗壓能力很強的脆性材料，其抗拉強度很低，抗拉能力主要是來自內部骨料間水泥膠凝體提供的粘結力.當粘結力不能抵抗外荷載時導致試件發生破壞，因而破壞時裂紋呈現比較平直形態.試驗摻入的短切玄武巖纖維具有很好的抗拉性能，將其拉斷需要很大的耗能.同時纖維在基材內部分散了混凝土內部的拉應力走向，降低了試件內部應力集中程度，緩解了應力過度集中的破壞力，降低了裂紋開裂劇烈程度.由于纖維的摻入和受力分擔，改變了原來裂紋開裂的走向，促使破壞時裂紋不再呈現平直狀態，而呈曲向分布.

圖3 抗劈拉強度與纖維摻量關系Fig.3 Relationship between splitting tensile strength and fiber content

3 BFRC機場跑道結構及參數

飛機跑道路面模型建立正確合理是數值模擬分析結果可靠的前提.根據當前多數軍用機場跑道的路面結構構建模型，所建立的BFRC機場跑道路面模型結構自下而上分別為：土基、級配礫石墊層、水泥穩定碎石基層和玄武巖纖維混凝土面層.

對BFRC跑道進行數值模擬時，一般視作彈性結構，采用小撓度板理論的靜力學方法進行分析.數值模擬時BFRC面層各項參數的取值如表3所示.

4 機輪荷載參數選擇

客機、戰斗機和大型運輸機是當前飛機的主要類型，其中有代表性的機型為B737-300、SU-27、EL-76三種機型.B737-300為雙發式中短程客機，最大起飛質量為56.5 t；SU-27為單座雙發重型戰斗機，最大起飛質量為32.3 t；EL-76為一種大型運輸機，最大起飛質量為167 t.機場跑道路面受以上三種機型輪胎作用力的參數如表4所示.

表3 BFRC機場跑道各結構層參數Tab.3 Parameters of structural layer of BFRC airport runway

表4 飛機型號及參數Tab.4 Types and parameters of aircrafts

飛機重量荷載是通過起落架上的輪胎作用于跑道上，主起落架上輪胎作用于機場道面的荷載Pt與機型質量G、主起落架上荷載分配系數P、主起落架個數nc、主起落架輪數nw等因素相關，Pt表達式為

Pt=PG/(ncnw)

(4)

飛機輪胎與地面接觸面的形狀如圖4所示.

圖4 飛機輪印形狀Fig.4 Tire-race shape of airplane

飛機輪胎與道面接觸面長度為

(5)

輪胎與道面接觸面寬度為

Wt=0.6Lt

(6)

由圖4可以看出，飛機輪印是中間一個矩形與兩側兩個半圓形的組合，面積為

(7)

根據式(4)～(6)和表4提供的飛機各項參數，得到各機型的輪印面積.為方便有限元分析，用等面積的矩形代替輪印實際形狀，各機型輪印面積如表5所示.

表5 各機型輪印面積Tab.5 Tire-race area of various airplanes

5 BFRC結構機場跑道數值模擬

5.1 機場跑道建模

運用ABAQUS有限元軟件進行機場跑道道面數值模擬.機場跑道寬度一般為幾十米，而長度超過25 000 km.為防止道面開裂，面層通常被分割成規則的矩形.用三維立體有限元模型進行分析，水平方向上取一塊道面板尺寸5 m×5 m，在厚度方向上取10 m，其中土基厚度取9 m.各層之間均采用垂直鏈接，模型四面邊界采用法向約束，土基底面采取固定端約束.

5.2 模擬計算結果分析

模擬三種機型加載最不利工況，獲得了SU-27、B737-300、EL-76三種機型加載時跑道的面層、基層、墊層及土基的應力、應變及位移結果.

在SU-27作用下，道面所受到的最大主應力云圖、Mises應力云圖、飛機前進方向(y方向)、豎直方向(z方向)應力云圖如圖5所示.由圖5可以看出，道面加載點附近面層受壓，應力最大值為1.453 MPa，周圍位置均受拉，梯度無明顯變化.x方向為壓應力，壓應力最大值為2.340 MPa，出現在加載點的中心處，從該位置向兩側逐漸過渡到承受拉力.在模型邊緣處，加載點右側出現正應力最大值，最大負值位于加載點左側，拉、壓區大致以加載點相對稱.相對應的另外一個加載點的應力分布與之相類似.

圖5 SU-27道面應力云圖Fig.5 Stress nephogram of SU-27 pavement

模擬B737-300機型加載時飛機跑道道面的最大主應力云圖、水平橫向(x方向)、飛機前進方向(y方向)、豎直方向(z方向)應力云圖如圖6所示.由圖6可知，跑道面層主要承受壓應力，最大壓力值為1.305 MPa，出現在中間位置.跑道面層兩側邊緣在x方向出現拉應力，最大值為0.927 2 MPa.跑道面層在y方向拉應力位于加載點右側，最大值為0.346 8 MPa，受拉區和受壓區大致以加載點為軸兩側對稱.

模擬EL-76機型加載時飛機跑道道面的最大應力云圖、水平橫向(x方向)、飛機前進方向(y方向)、豎直方向(z方向)應力云圖分別如圖7所示.

圖7中，跑道面層輪壓加載點處產生最大壓應力值為1.191 MPa，在x方向應力普遍小于其他位置，最內側加載點處應力最小.兩排加載點在y方向呈現相同應力變化趨勢，即左側受壓應力為負值，右側受拉應力為正值.

通過模擬分析，得出三種機型荷載作用下飛機跑道面層、基層、墊層及土基的應力、應變及位移情況.最大主應力、主應變、Mises應力極值、總位移極值、豎向和前進方向的最大應力、應變、位移如表6所示.

圖6 B737-300道面應力云圖Fig.6 Stress nephogram of B737-300 pavement

圖7 EL-76道面應力云圖Fig.7 Stress nephogram of EL-76 pavement

表6 飛機型號及相應參數Tab.6 Aircraft types and corresponding parameters

表6中數據顯示，模型加載所產生的最大應力為B737-300機型降落時產生的2.351 MPa，相應應變為-4.196×10-4，位移為-2.036 mm，未超出機場跑道所允許的極限值.

分析結果表明，飛機的起飛和著陸的最大重量、飛機主起落架數量及起落架分配系數、飛機輪胎數量、輪胎與跑道接觸面積是影響機場跑道路面受力狀況的直接因素，玄武巖纖維混凝土的性能可以滿足機場道面的安全要求.

6 結 論

通過試驗和數值模擬開展BFRC力學性能和機場道面工程應用研究，得到以下結論：

1)CBF摻量對于混凝土的抗壓強度有直接的影響，摻量為0.1%是臨界點，低于臨界點時強度隨著CBF體積摻量的增加而增加，高于臨界點時抗壓強度隨著摻量增加而減小.

2)CBF的摻入改變了原有混凝土材料內部結構的受力方式和傳導途徑，劈拉破壞形態發生了改變，增加了材料的塑性特征.

3)飛機的起落荷載、主起落架的設置、飛機輪胎數量、輪印、胎壓等因素是影響飛機對機場跑道路面受力的直接影響因素，研究時主要考慮機載最不利位置時的工況.

4)通過分析三種典型機型加載條件下BFRC跑道的應力、應變、位移的分布情況，表明采用的該復合材料性能良好，機場道面是安全的.