礦區開采玄武巖的力學性能試驗分析

高詩龍，文 潔，謝曉露，皮慶柏，郜國凱

(1.貴州省安順公路管理局，貴州 安順 561000； 2.重慶交通大學，重慶 400074)

在土木工程領域，基礎建筑材料的性能是影響建筑安全性的重要指標。如何提升建筑材料的應用性能成為建筑行業當前需要解決的重點問題。目前，玄武巖是我國大力推廣的一種建筑材料，現應用在大量的混凝土建筑工程[1-2]。玄武巖是修理公路、鐵路中應用較為廣泛的材料，其具有耐磨、持水量小、抗腐蝕性強的優點。應用其完成大型工程項目，滿足可持續發展的全部要求，具有一定的現實價值與意義。但當前玄武巖的應用的過程中，由于對其力學性能研究層面較淺，無法根據力學性能對其制造加工，時常造成玄武巖制品易斷裂、易損的問題[3-5]。為了更好地實現玄武巖的應用，需要對其力學性能進行更加細致的研究。

玄武巖具有非常優良的物理及力學性能，自確定玄武巖可應用到建筑工程中，便激起了專家學者們對玄武巖材料研究的興趣，但此項研究由于開始較晚，到如今玄武巖的性能研究已經成為了建筑領域的一個熱點問題[6-7]。研究中將礦區開采出的玄武巖作為試驗對象，對不同尺寸的玄武巖顆粒樣品力學性能試驗，探討玄武巖力學性能的期望值以及應用中的臨界值。根據研究所得結果，確定日后建筑工程中玄武巖的基礎性能參數，實現延長玄武巖材料使用壽命，環境保護、節約混凝土的研究目標。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

本次試驗中需要對礦區開采玄武巖的力學性能進行分析，在試驗過程中需要使用到大量的力學性能試驗設備以及試件制備設備。經過系統分析后，試驗設備選型結果見表1。

表1 試驗儀器選型結果統計Tab.1 Statistical of selection results of experimental instruments

由于研究僅對玄武巖的力學性能進行分析，試驗中未設定試驗試劑，僅需要將上述選定的設備安裝到實驗室中即可。

1.2 測定條件

以峨眉山玄武巖組礦山開采得到的玄武巖作為試驗材料，樣品原始粒徑為70 mm，對原始樣品進行深加工，經粗碎、中細碎、制砂等環節制備試驗樣品。

(1)根據相關試驗要求[8-9]，在本次研究中將樣本設定為每組5個試件，玄武巖最大粒徑未超過15 mm。

(2)實驗室平均溫度控制在25 ℃左右，濕度控制在55%左右。

(3)裂縫寬度觀測儀最小測量單位設定為0.1 mm。

2 試驗步驟

2.1 樣品制備

試驗中將礦區開采得到的玄武巖劃分為粗集料與細集料，其規格分別為0～2、2～5、5～8、8～10、10～15 mm。為提升試驗結果的準確性，對粗集料與細集料進行篩分、水洗處理，劃分為8個尺寸，分別設定為本次試驗中使用的8個樣本。具體集料劃分結果見表2。

表2 試驗樣本Tab.2 Test samples

在試件制作過程中，需要注意攪拌方式以及制備時間的掌控，這些因素都會影響到玄武巖的性能[10-11]。在試件制備完成后，對其進行編號，放置在標準養護室中進行養護，保證試件中存在合適的距離，養護期間保證試件具有充足的含水量。

2.2 樣品測定

在進行試驗操作前，首先對樣品的相關物理性能及指標進行統計分析，所得統計結果見表3。

表3 樣品物理指標及性能統計Tab.3 Physical indexes and performance statistics of samples

對上述數據進行分析后可以確定，此次研究中使用的樣本符合玄武巖的采樣要求，可使用此部分樣本完成試驗測試的整體操作過程，并將所得試驗結果作為礦區開采玄武巖的力學性能試驗分析進行輸出。

3 試驗結果分析

3.1 樣本處理

3.1.1 抗壓強度測試

本試驗環節采用壓力機完成，將其量程設定為0～4 000 kN，并且將其壓力檔位調整為2 500 kN，選用樣本立方體試塊進行抗壓強度進行測試，測試過程如圖1所示。

圖1 抗壓強度測試環境Fig.1 Test environment of compressive strength

根據已有抗壓強度測試標準，將測試強度設定為C40，加載速度設定為0.5 MPa/s[12-13]。確定各組試件的抗壓強度，并對試驗結果進行系統分析。

3.1.2 抗壓強度試件形態測試

在進行抗壓強度試驗后，隨著壓力機施加的荷載不斷增加，樣品會出現剝落、斷裂的情況。為了更好地完成力學性能分析，在抗壓強度試驗完成后，使用電子顯微鏡對樣品的微觀結構進行分析，分析試件的破壞過程與形態特征。

3.1.3 抗折強度測試

將試件的側面作為本次試驗的荷載承接面，將其放置到試驗機的基座上，具體測試操作過程如圖2所示。按照圖2中內容檢測基座與壓頭的位置，保證測試中全部間距誤差不超過0.5 mm。

圖2 抗折強度測試環境Fig.2 Test environment of bending strength

在測試過程中，對試件施加均勻、連續的荷載。加載速度控制在每秒0.10 MPa，當試件出現裂紋時，關閉試驗機[14-16]。直至試件破壞，記錄破壞時的荷載值，對試件的抗折強度進行統計，完成此指標的分析過程。

3.1.4 抗彎強度測試

由于研究中采用的樣本差異性較大，在試驗過程中需要實時記錄加載過程中樣本各個位置的應變[17-18]，得到樣本的抗彎強度測試結果。此次測試中設備與試件的安裝位置如圖3所示。此次研究中使用彎曲彈性模量指標[19-20]完成數據統計分析過程，統計分析試件抗彎強度值。

圖3 抗彎強度試驗示意Fig.3 Schematic diagram of bending strength test

3.1.5 試驗周期及數據整理

在上述試驗過程中，將試驗周期設定為7 d，分別對比剛剛開采出的玄武巖與開采出7 d后的玄武巖進行上述力學性能測試，并對測試結果進行分析。

本次試驗中，測試結果保留小數點后1位。由于每個測試組中含有5個試件，將5個試件的平均值作為試驗結果輸出。如計算結果大于試件試驗結果中間值的10%，則將此試驗結果剔除，以此保證試驗結果的可控性與真實性。

3.2 試驗結果

3.2.1 抗壓強度測試結果分析

在抗壓強度測試中將測試過程劃分為2個環節完成，所得測試結果見表4。

表4 玄武巖抗壓強度測試結果Tab.4 Test results of basalt compressive strength

由表4可知，玄武巖的抗壓能力相對較好，且玄武巖的抗壓強度與玄武巖顆粒尺寸相關。當樣本顆粒尺寸下降時，樣本的抗壓強度會逐漸增加。當樣本放置一段時間后，其抗壓強度發生明顯的變化，由此可以證實玄武巖的抗壓強度與放置時間也存在相應的聯系。在0 d測試過程中，當施加的荷載量達到90 MPa時，樣本出現裂紋；當施加的荷載量超過150 MPa時，樣本出現斷裂；在7 d測試過程中，當施加的荷載量達到50 MPa時，樣本出現裂紋；當施加的荷載量超過80 MPa時，樣本出現斷裂。由此測試結果可以得到玄武巖抗壓強度臨界值[19-20]。

3.2.2 抗壓強度試件形態測試結果分析

抗壓強度試件形態測試結果如圖4所示。

圖4 抗壓強度試件形態測試結果Fig.4 Shape test results of compressive strength specimen

為了降低測試的分析難度，僅選用粗集料與細集料中的單一代表樣本作為此次測試對象。對上述測試結果進行分析可以看出，0 d測試環境中，隨著荷載的增加，粗集料試件的表面出現了剝落現象，樣本裂縫由邊角逐漸向中心點發展。細集料樣本的韌性較高，盡管加載后出現剝落的現象，但整體損壞過程較為緩慢，最終斷裂時也表現出較好的完整性。當試驗周期進行到7 d時，所得測試結果與0 d相同，從側面證實了玄武巖抗壓強度與玄武巖顆粒尺寸相關。使用裂縫寬度觀測儀對樣本的裂縫進行測量，最佳阻裂效果程度為15 mm。

3.2.3 抗折強度測試結果分析

玄武巖抗折強度測試結果見表5。由表5可知，對于剛剛開采的樣本而言，當其顆粒尺寸較小時，其抗折強度相對較高；樣本顆粒尺寸較大時，其抗折強度相對較低。在樣本顆粒尺寸達到最小取值時，抗折強度反而降低。引用以往研究結果可以發現，當玄武巖顆粒得到一定的尺寸時，玄武巖樣本會形成網狀結構，其可承載壓力的面積增大。但玄武巖顆粒過為細膩時，樣本內部容易出現孔隙與裂縫，因此，當樣本顆粒尺寸超過最佳尺寸時，會降低玄武巖的抗折強度。

表5 玄武巖抗折強度測試結果Tab.5 Test results of flexural strength of basalt

3.2.4 抗彎強度測試結果分析

玄武巖抗彎強度測試結果見表6。

表6 玄武巖抗彎強度測試結果Tab.6 Test results of bending strength of basalt

由表6可知，隨著樣本顆粒尺寸的降低，樣本的抗彎強度隨著顆粒尺寸變化反向增長。對測試周期結果進行分析可以看出，剛剛開采的玄武巖樣本抗彎強度高于放置7 d后的玄武巖樣本。已知，樣本的抗彎強度是樣本彈性模量、剛度以及巖性綜合作用下得到的力學性能。因此，通過上述測試結果可以確定，樣本彈性模量、剛度以及巖性會隨著樣本顆粒大小以及放置時間發生變化，且顆粒較小、放置時間較短的樣本抗彎強度更大。

4 討論

分析上述試驗結論可知，玄武巖具有良好的抗壓性能，玄武巖的粒徑大小與玄武巖的抗壓強度有關。樣品粒徑減小，樣品的抗壓強度隨著樣品粒徑的減小而增加。試件放置一段時間后，玄武巖的抗壓強度發生明顯變化，發生斷裂。試驗結果表明，在0 d試驗環境下，粗骨料試樣表面剝落，試樣裂紋從邊緣向中心延伸。細骨料樣品具有很高的延展性，盡管在負載下會發生分層，但整體故障率較慢，最終斷裂仍保持良好的完整性。在抗彎強度方面，玄武巖粒徑越小，玄武巖抗彎強度越高，試樣粒徑越大，玄武巖抗彎強度越低。當樣品的粒徑最小時，試件的抗彎強度降低。在抗彎強度方面，隨著樣品粒徑的減小，樣品的抗彎強度呈現相反的趨勢。

玄武巖粒徑越大，玄武巖樣品會形成更多的網格結構，玄武巖受力面積越大。但是由于玄武巖顆粒太細，樣品內部容易產生空隙和裂縫。當樣品粒徑大于理想粒徑時，玄武巖的抗彎強度會降低。樣品的彈性模量、剛度和巖性隨樣品粒徑和儲存時間的變化而變化，顆粒越小、儲存時間越短的樣品抗彎強度越高。

5 結論

玄武巖是一種新型建筑材料，其在國內的應用還不是很廣泛。玄武巖作為一種復合型材料，其組成成分較為復雜，影響因素較多。為了探究礦區開采玄武巖的力學特性，依照當前研究結果設定了多輪測試環節。根據試驗研究內容以及理論分析，得到下述結論：

(1)玄武巖的力學特征與玄武巖的顆粒尺寸具有直接關系，且玄武巖加工后存放時間越短，力學性能越好。玄武巖最佳阻裂效果長度為15 mm。

(2)玄武巖顆粒尺寸為最佳尺寸時，可有效降低玄武巖斷裂情況，提升玄武巖抗壓、抗彎、抗折能力。

(3)玄武巖的價格相對較低，在日常使用中需要及時對其表面進行防護。為了實現更好的應用，在本次研究中對其力學特征進行了系統分析，但由于時間以及技術上的限制，在日后需要對其進行更進一步的研究。