纖維改良混凝土材料在寒區(qū)公路面層中的應(yīng)用研究

麥浪

摘要：為研究多年凍土地區(qū)某公路面層不同混凝土材料的性能優(yōu)劣，文章對該工程混凝土材料性能進(jìn)行對比試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：（1）碳纖維混凝土的強(qiáng)度性能相對較好，其抗壓強(qiáng)度為49.61 MPa、抗拉強(qiáng)度為3.61 MPa;（2）通過荷載應(yīng)變曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積分析材料的韌性，得出碳纖維混凝土的韌性很強(qiáng)，定性分析三種材料的彈性模量，碳纖維混凝土較普通水泥混凝土偏小，說明碳纖維混凝土具有可以產(chǎn)生較大形變而不破壞的能力，而瀝青混凝土彈性模量太小，導(dǎo)致其強(qiáng)度等不足，材料缺陷較為明顯;（3）開展凍融循環(huán)試驗(yàn)對比三種混凝土材料的抗凍性能，碳纖維混凝土材料的抗凍性能明顯優(yōu)于其他兩種混凝土。

關(guān)鍵詞：多年凍土區(qū);公路混凝土材料;力學(xué)性能;耐久性;優(yōu)化比較

0 引言

隨著社會主義現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，公路交通已經(jīng)成為串聯(lián)城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展的重要途徑。根據(jù)交通運(yùn)輸部《2018年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，截至2018年年底，我國公路總里程達(dá)484.65萬km，增長趨勢明顯，其中二級及以上等級公路里程為64.78萬km，較2017年增加2.56萬km，占公路總里程的13.4%，提高0.3個(gè)百分點(diǎn)。在實(shí)際公路施工過程中，公路路面材料具有舉足輕重的地位，因此科學(xué)合理地選擇混凝土材料尤為重要[1]。

目前工程上常用的混凝土材料有普通水泥混凝土和瀝青混凝土[2]，其性質(zhì)優(yōu)劣各有不同：普通水泥混凝土路面主要表現(xiàn)為水穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性高，強(qiáng)度大等特點(diǎn);瀝青混凝土路面主要表現(xiàn)為養(yǎng)護(hù)時(shí)間短，路面柔性強(qiáng)，行車舒適等特點(diǎn)[3-5]。目前國內(nèi)對上述兩種材料研究較多，薛輝[6]等認(rèn)為普通水泥混凝土的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度隨著水膠比的增大而減小，但與含沙量的關(guān)系不大;吳釗[7]等人探究了瀝青混凝土受凍融循環(huán)的影響，分析認(rèn)為凍融循環(huán)對其體積性能影響較大，其時(shí)間強(qiáng)度隨凍融循環(huán)數(shù)增多而減小。

20世紀(jì)60年代科研人員開始研究纖維混凝土，F(xiàn)ernandes[8]等人在混凝土中加入鋼纖維，提高了混凝土板的承載能力和變形能力。本文基于上述研究基礎(chǔ)，進(jìn)一步對多年凍土地區(qū)公路面層普通水泥混凝土、碳纖維混凝土[9]、瀝青混凝土進(jìn)行性能對比，尋找優(yōu)化材料，以求為我國部分地區(qū)公路建設(shè)提供一定的依據(jù)。

1 工程概況與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

本次試驗(yàn)研究對象為我國北方寒區(qū)某路段，由于地理位置特殊，在凍融環(huán)境下具有較強(qiáng)的變形特性，因此針對多年凍土地區(qū)混凝土材料的力學(xué)性能和耐久性展開研究，對該工程建設(shè)具有重要的意義。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為模擬嚴(yán)寒地區(qū)多年凍土區(qū)混凝土在季節(jié)更替復(fù)雜情況作用下的真實(shí)情況，分析三種混凝土材料在其性能上的優(yōu)劣，本文擬進(jìn)行多種試驗(yàn)以比較各混凝土材料的力學(xué)特性和耐久性，試驗(yàn)具體過程如下所述。

（1）各材料混凝土的配置：進(jìn)行各混凝土的配制以實(shí)際工程設(shè)計(jì)院提供的配合數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，水泥混凝土的配合比為水泥∶水∶砂∶石子=1∶0.32∶1.92∶3.35;碳纖維摻量每增加0.1%，用水量增加2 kg，確定出最終的碳纖維混凝土配合比;瀝青混凝土采用普通密級配AC-20，油石比為4.5%。

（2）試件的制作與養(yǎng)護(hù)：為研究本文所述三種混凝土材料的力學(xué)性能和耐久性能，分別制作不同試樣以進(jìn)行不同試驗(yàn)物理參數(shù)測量，制作混凝土試樣尺寸見表1，養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn)。

（3）將上述試樣分別置于不同的試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，對各試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行分析（見表2）。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

多年凍土地區(qū)路基混凝土既會受到材料本身的力學(xué)性能的影響，也會因?yàn)樗幍乩韰^(qū)域較為特殊，而受到凍融循環(huán)作用的影響，使其物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生很大變化。為研究普通水泥混凝土、碳纖維混凝土、瀝青混凝土在多年凍土區(qū)的材料性能對比，本文對三種混凝土材料的以下性能做了分析。

2.1 抗壓強(qiáng)度

不同材料混凝土的抗壓強(qiáng)度如表3及圖1所示，由表中測試數(shù)據(jù)可知，三種混凝土在抗壓強(qiáng)度上有所差異，其中瀝青混凝土材料差異最為明顯，抗壓強(qiáng)度僅為6.06 MPa，為本文所研究三種混凝土中抵抗壓力能力最差的混凝土，碳纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度相比普通水泥混凝土較大，其值提升了13.94%。因此，經(jīng)初步分析認(rèn)為，加入適量碳纖維的混凝土其抵抗壓力的能力會有所增強(qiáng)。

2.2 抗拉強(qiáng)度分析

本文研究的各類混凝土材料抗拉強(qiáng)度如表4和圖2所示，各混凝土的抗拉強(qiáng)度值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度且差異性相對較小。根據(jù)數(shù)據(jù)分析可得瀝青混凝土的抗拉強(qiáng)度最差，其大小僅為2.19 MPa，其余兩者較大，分別為3.08 MPa、3.61 MPa，且碳纖維混凝土較普通水泥混凝土的抗拉強(qiáng)度提升了17.21%。因此，初步分析認(rèn)為，加入適量碳纖維的混凝土其抵抗拉力的能力會適度增加。

2.3 材料韌性及彈性模量分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制各混凝土材料荷載-應(yīng)變曲線如圖3所示，三種不同材料混凝土均出現(xiàn)三個(gè)典型區(qū)域，即線性上升階段（彈性變形區(qū)）、初裂點(diǎn)之后的非線性上升階段（塑性變形區(qū)）、峰值點(diǎn)之后的下降階段（破壞階段）。根據(jù)曲線可明顯觀測出碳纖維混凝土的初裂強(qiáng)度以及極限荷載值均大于普通水泥混凝土和瀝青混凝土。

混凝土材料的韌性可根據(jù)材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行比較，根據(jù)圖3所示的曲線分析碳纖維混凝土曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積最大，因此其材料韌性較普通水泥混凝土和瀝青混凝土更優(yōu)。根據(jù)圖3定性分析三種混凝土的彈性模量，其中普通水泥混凝土和碳纖維混凝土的彈性模量相差較小，后者略小，而瀝青混凝土的彈性模量相比前兩者要小得多。

2.4 抗凍性能比較

研究區(qū)域?yàn)槎嗄陜鐾羺^(qū)，為合理分析該地區(qū)混凝土材料在抗凍性能上的差異，有效評價(jià)地區(qū)公路地基不同材料在寒區(qū)環(huán)境影響下的變化規(guī)律，為地區(qū)工程建設(shè)提供一定的依據(jù)，在上述研究混凝土力學(xué)性能的基礎(chǔ)上開展耐久性研究。通過凍融循環(huán)試驗(yàn)測試，分析得出，質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，各混凝土在凍融循環(huán)25次及以內(nèi)時(shí)質(zhì)量損失很小，幾乎為0，之后隨著循環(huán)次數(shù)的增多，質(zhì)量損失率與循環(huán)次數(shù)近似于成一次函數(shù)，圖像中無出現(xiàn)峰值拐點(diǎn)。三種混凝土在凍融循環(huán)250次之后，碳纖維混凝土的質(zhì)量損失率最小，為1.8%，普通水泥混凝土和瀝青混凝土的質(zhì)量損失比分別為2.2%和2.6%，分別比碳纖維混凝土多22.22%和44.44%，如圖4所示，因此在抗凍性能上碳纖維混凝土的優(yōu)勢更為明顯。

3 結(jié)語

本文以多年凍土地區(qū)某公路路基建設(shè)工程為例，基于室內(nèi)試驗(yàn)展開對該工程混凝土材料性能對比的研究，為地區(qū)工程建設(shè)提供一定的依據(jù)。研究結(jié)果指出，普通水泥混凝土材料的抗壓強(qiáng)度為43.54 MPa、抗拉強(qiáng)度為3.08 MPa;碳纖維混凝土材料的抗壓強(qiáng)度為49.61 MPa、抗拉強(qiáng)度為3.61 MPa;瀝青混凝土材料的抗壓強(qiáng)度為6.06 MPa、抗拉強(qiáng)度為2.19 MPa，強(qiáng)度方面碳纖維混凝土性能較好。繪制荷載應(yīng)變曲線，利用其曲線坐標(biāo)軸圍成的面積分析材料的韌性，得出碳纖維混凝土的韌性很強(qiáng)。定性分析三種材料的彈性模量，碳纖維混凝土較普通水泥混凝土偏小，說明碳纖維混凝土具有可以產(chǎn)生較大形變而不破壞的能力;而瀝青混凝土彈性模量太小，導(dǎo)致其強(qiáng)度等不足，材料缺陷較為明顯。開展凍融循環(huán)試驗(yàn)對比三種混凝土材料的抗凍性能，表現(xiàn)為碳纖維混凝土材料的抗凍性能明顯優(yōu)于其他兩種混凝土。因此摻入適量碳纖維的混凝土更適合在多年凍土地區(qū)公路使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉 燕.高速公路路面新材料的應(yīng)用及施工工藝研究[J].價(jià)值工程，2018，37（35）：239-240.

[2]馬 強(qiáng).基于使用性能的瀝青路面面層結(jié)構(gòu)與材料優(yōu)化研究[D].西安：長安大學(xué)，2011.

[3]尹 松.干線公路重載交通瀝青路面使用性能研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2013.

[4]裴旭東.瀝青面層與基層層間粘結(jié)強(qiáng)度和耐久性變化規(guī)律研究[D].西安：長安大學(xué)，2013.

[5]黃 .青藏高寒高海拔地區(qū)合理路面結(jié)構(gòu)研究[D].西安：長安大學(xué)，2017.

[6]薛 輝，張榮花.普通混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，25（2）：17-21，29.

[7]吳 釗.凍融循環(huán)對瀝青混合料性能的影響研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

[8]Nuno D.Gouveia，Nelson A.G.Fernandes，Duarte M.V.Faria.SFRC flat slabs punching behaviour- Experimental research[J].Composites：Part，2014（63）：161.

[9]代業(yè)寧.季節(jié)性凍土區(qū)堤頂公路材料性能比較試驗(yàn)分析[D].哈爾濱：黑龍江大學(xué)，2017.