纖維改良混凝土材料在寒區公路面層中的應用研究

麥浪

摘要：為研究多年凍土地區某公路面層不同混凝土材料的性能優劣，文章對該工程混凝土材料性能進行對比試驗研究。結果表明：（1）碳纖維混凝土的強度性能相對較好，其抗壓強度為49.61 MPa、抗拉強度為3.61 MPa;（2）通過荷載應變曲線與坐標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，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，導致其強度等不足，材料缺陷較為明顯;（3）開展凍融循環試驗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于其他兩種混凝土。

關鍵詞：多年凍土區;公路混凝土材料;力學性能;耐久性;優化比較

0 引言

隨著社會主義現代化進程的推進，公路交通已經成為串聯城鄉經濟區發展的重要途徑。根據交通運輸部《2018年交通運輸行業發展統計公報》，截至2018年年底，我國公路總里程達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個百分點。在實際公路施工過程中，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]，其性質優劣各有不同：普通水泥混凝土路面主要表現為水穩定性、溫度穩定性高，強度大等特點;瀝青混凝土路面主要表現為養護時間短，路面柔性強，行車舒適等特點[3-5]。目前國內對上述兩種材料研究較多，薛輝[6]等認為普通水泥混凝土的抗折強度和抗壓強度隨著水膠比的增大而減小，但與含沙量的關系不大;吳釗[7]等人探究了瀝青混凝土受凍融循環的影響，分析認為凍融循環對其體積性能影響較大，其時間強度隨凍融循環數增多而減小。

20世紀60年代科研人員開始研究纖維混凝土，Fernandes[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，進一步對多年凍土地區公路面層普通水泥混凝土、碳纖維混凝土[9]、瀝青混凝土進行性能對比，尋找優化材料，以求為我國部分地區公路建設提供一定的依據。

1 工程概況與試驗設計

1.1 工程概況

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

1.2 試驗設計

為模擬嚴寒地區多年凍土區混凝土在季節更替復雜情況作用下的真實情況，分析三種混凝土材料在其性能上的優劣，本文擬進行多種試驗以比較各混凝土材料的力學特性和耐久性，試驗具體過程如下所述。

（1）各材料混凝土的配置：進行各混凝土的配制以實際工程設計院提供的配合數據為基準，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）試件的制作與養護：為研究本文所述三種混凝土材料的力學性能和耐久性能，分別制作不同試樣以進行不同試驗物理參數測量，制作混凝土試樣尺寸見表1，養護28 d后進行試驗。

（3）將上述試樣分別置于不同的試驗機進行試驗，對各試驗參數進行分析（見表2）。

2 試驗結果分析

多年凍土地區路基混凝土既會受到材料本身的力學性能的影響，也會因為所處地理區域較為特殊，而受到凍融循環作用的影響，使其物理力學性質發生很大變化。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 抗壓強度

不同材料混凝土的抗壓強度如表3及圖1所示，由表中測試數據可知，三種混凝土在抗壓強度上有所差異，其中瀝青混凝土材料差異最為明顯，抗壓強度僅為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度相比普通水泥混凝土較大，其值提升了13.94%。因此，經初步分析認為，加入適量碳纖維的混凝土其抵抗壓力的能力會有所增強。

2.2 抗拉強度分析

本文研究的各類混凝土材料抗拉強度如表4和圖2所示，各混凝土的抗拉強度值均遠遠低于其抗壓強度且差異性相對較小。根據數據分析可得瀝青混凝土的抗拉強度最差，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度提升了17.21%。因此，初步分析認為，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

根據試驗數據繪制各混凝土材料荷載-應變曲線如圖3所示，三種不同材料混凝土均出現三個典型區域，即線性上升階段（彈性變形區）、初裂點之后的非線性上升階段（塑性變形區）、峰值點之后的下降階段（破壞階段）。根據曲線可明顯觀測出碳纖維混凝土的初裂強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材料應力-應變曲線進行比較，根據圖3所示的曲線分析碳纖維混凝土曲線與坐標軸圍成的面積最大，因此其材料韌性較普通水泥混凝土和瀝青混凝土更優。根據圖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

研究區域為多年凍土區，為合理分析該地區混凝土材料在抗凍性能上的差異，有效評價地區公路地基不同材料在寒區環境影響下的變化規律，為地區工程建設提供一定的依據，在上述研究混凝土力學性能的基礎上開展耐久性研究。通過凍融循環試驗測試，分析得出，質量損失率與凍融循環次數呈正相關關系，各混凝土在凍融循環25次及以內時質量損失很小，幾乎為0，之后隨著循環次數的增多，質量損失率與循環次數近似于成一次函數，圖像中無出現峰值拐點。三種混凝土在凍融循環250次之后，碳纖維混凝土的質量損失率最小，為1.8%，普通水泥混凝土和瀝青混凝土的質量損失比分別為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勢更為明顯。

3 結語

本文以多年凍土地區某公路路基建設工程為例，基于室內試驗展開對該工程混凝土材料性能對比的研究，為地區工程建設提供一定的依據。研究結果指出，普通水泥混凝土材料的抗壓強度為43.54 MPa、抗拉強度為3.08 MPa;碳纖維混凝土材料的抗壓強度為49.61 MPa、抗拉強度為3.61 MPa;瀝青混凝土材料的抗壓強度為6.06 MPa、抗拉強度為2.19 MPa，強度方面碳纖維混凝土性能較好。繪制荷載應變曲線，利用其曲線坐標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。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，導致其強度等不足，材料缺陷較為明顯。開展凍融循環試驗對比三種混凝土材料的抗凍性能，表現為碳纖維混凝土材料的抗凍性能明顯優于其他兩種混凝土。因此摻入適量碳纖維的混凝土更適合在多年凍土地區公路使用。

參考文獻：

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

[2]馬 強.基于使用性能的瀝青路面面層結構與材料優化研究[D].西安：長安大學，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，2013.

[4]裴旭東.瀝青面層與基層層間粘結強度和耐久性變化規律研究[D].西安：長安大學，2013.

[5]黃 .青藏高寒高海拔地區合理路面結構研究[D].西安：長安大學，2017.

[6]薛 輝，張榮花.普通混凝土抗折強度試驗研究[J].黑龍江八一農墾大學學報，2013，25（2）：17-21，29.

[7]吳 釗.凍融循環對瀝青混合料性能的影響研究[D].武漢：武漢理工大學，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]代業寧.季節性凍土區堤頂公路材料性能比較試驗分析[D].哈爾濱：黑龍江大學，2017.