矿区开采玄武岩的力学性能试验分析

高诗龙，文 洁，谢晓露，皮庆柏，郜国凯

(1.贵州省安顺公路管理局，贵州 安顺 561000； 2.重庆交通大学，重庆 400074)

在土木工程领域，基础建筑材料的性能是影响建筑安全性的重要指标。如何提升建筑材料的应用性能成为建筑行业当前需要解决的重点问题。目前，玄武岩是我国大力推广的一种建筑材料，现应用在大量的混凝土建筑工程[1-2]。玄武岩是修理公路、铁路中应用较为广泛的材料，其具有耐磨、持水量小、抗腐蚀性强的优点。应用其完成大型工程项目，满足可持续发展的全部要求，具有一定的现实价值与意义。但当前玄武岩的应用的过程中，由于对其力学性能研究层面较浅，无法根据力学性能对其制造加工，时常造成玄武岩制品易断裂、易损的问题[3-5]。为了更好地实现玄武岩的应用，需要对其力学性能进行更加细致的研究。

玄武岩具有非常优良的物理及力学性能，自确定玄武岩可应用到建筑工程中，便激起了专家学者们对玄武岩材料研究的兴趣，但此项研究由于开始较晚，到如今玄武岩的性能研究已经成为了建筑领域的一个热点问题[6-7]。研究中将矿区开采出的玄武岩作为试验对象，对不同尺寸的玄武岩颗粒样品力学性能试验，探讨玄武岩力学性能的期望值以及应用中的临界值。根据研究所得结果，确定日后建筑工程中玄武岩的基础性能参数，实现延长玄武岩材料使用寿命，环境保护、节约混凝土的研究目标。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

本次试验中需要对矿区开采玄武岩的力学性能进行分析，在试验过程中需要使用到大量的力学性能试验设备以及试件制备设备。经过系统分析后，试验设备选型结果见表1。

表1 试验仪器选型结果统计Tab.1 Statistical of selection results of experimental instruments

由于研究仅对玄武岩的力学性能进行分析，试验中未设定试验试剂，仅需要将上述选定的设备安装到实验室中即可。

1.2 测定条件

以峨眉山玄武岩组矿山开采得到的玄武岩作为试验材料，样品原始粒径为70 mm，对原始样品进行深加工，经粗碎、中细碎、制砂等环节制备试验样品。

(1)根据相关试验要求[8-9]，在本次研究中将样本设定为每组5个试件，玄武岩最大粒径未超过15 mm。

(2)实验室平均温度控制在25 ℃左右，湿度控制在55%左右。

(3)裂缝宽度观测仪最小测量单位设定为0.1 mm。

2 试验步骤

2.1 样品制备

试验中将矿区开采得到的玄武岩划分为粗集料与细集料，其规格分别为0～2、2～5、5～8、8～10、10～15 mm。为提升试验结果的准确性，对粗集料与细集料进行筛分、水洗处理，划分为8个尺寸，分别设定为本次试验中使用的8个样本。具体集料划分结果见表2。

表2 试验样本Tab.2 Test samples

在试件制作过程中，需要注意搅拌方式以及制备时间的掌控，这些因素都会影响到玄武岩的性能[10-11]。在试件制备完成后，对其进行编号，放置在标准养护室中进行养护，保证试件中存在合适的距离，养护期间保证试件具有充足的含水量。

2.2 样品测定

在进行试验操作前，首先对样品的相关物理性能及指标进行统计分析，所得统计结果见表3。

表3 样品物理指标及性能统计Tab.3 Physical indexes and performance statistics of samples

对上述数据进行分析后可以确定，此次研究中使用的样本符合玄武岩的采样要求，可使用此部分样本完成试验测试的整体操作过程，并将所得试验结果作为矿区开采玄武岩的力学性能试验分析进行输出。

3 试验结果分析

3.1 样本处理

3.1.1 抗压强度测试

本试验环节采用压力机完成，将其量程设定为0～4 000 kN，并且将其压力档位调整为2 500 kN，选用样本立方体试块进行抗压强度进行测试，测试过程如图1所示。

图1 抗压强度测试环境Fig.1 Test environment of compressive strength

根据已有抗压强度测试标准，将测试强度设定为C40，加载速度设定为0.5 MPa/s[12-13]。确定各组试件的抗压强度，并对试验结果进行系统分析。

3.1.2 抗压强度试件形态测试

在进行抗压强度试验后，随着压力机施加的荷载不断增加，样品会出现剥落、断裂的情况。为了更好地完成力学性能分析，在抗压强度试验完成后，使用电子显微镜对样品的微观结构进行分析，分析试件的破坏过程与形态特征。

3.1.3 抗折强度测试

将试件的侧面作为本次试验的荷载承接面，将其放置到试验机的基座上，具体测试操作过程如图2所示。按照图2中内容检测基座与压头的位置，保证测试中全部间距误差不超过0.5 mm。

图2 抗折强度测试环境Fig.2 Test environment of bending strength

在测试过程中，对试件施加均匀、连续的荷载。加载速度控制在每秒0.10 MPa，当试件出现裂纹时，关闭试验机[14-16]。直至试件破坏，记录破坏时的荷载值，对试件的抗折强度进行统计，完成此指标的分析过程。

3.1.4 抗弯强度测试

由于研究中采用的样本差异性较大，在试验过程中需要实时记录加载过程中样本各个位置的应变[17-18]，得到样本的抗弯强度测试结果。此次测试中设备与试件的安装位置如图3所示。此次研究中使用弯曲弹性模量指标[19-20]完成数据统计分析过程，统计分析试件抗弯强度值。

图3 抗弯强度试验示意Fig.3 Schematic diagram of bending strength test

3.1.5 试验周期及数据整理

在上述试验过程中，将试验周期设定为7 d，分别对比刚刚开采出的玄武岩与开采出7 d后的玄武岩进行上述力学性能测试，并对测试结果进行分析。

本次试验中，测试结果保留小数点后1位。由于每个测试组中含有5个试件，将5个试件的平均值作为试验结果输出。如计算结果大于试件试验结果中间值的10%，则将此试验结果剔除，以此保证试验结果的可控性与真实性。

3.2 试验结果

3.2.1 抗压强度测试结果分析

在抗压强度测试中将测试过程划分为2个环节完成，所得测试结果见表4。

表4 玄武岩抗压强度测试结果Tab.4 Test results of basalt compressive strength

由表4可知，玄武岩的抗压能力相对较好，且玄武岩的抗压强度与玄武岩颗粒尺寸相关。当样本颗粒尺寸下降时，样本的抗压强度会逐渐增加。当样本放置一段时间后，其抗压强度发生明显的变化，由此可以证实玄武岩的抗压强度与放置时间也存在相应的联系。在0 d测试过程中，当施加的荷载量达到90 MPa时，样本出现裂纹；当施加的荷载量超过150 MPa时，样本出现断裂；在7 d测试过程中，当施加的荷载量达到50 MPa时，样本出现裂纹；当施加的荷载量超过80 MPa时，样本出现断裂。由此测试结果可以得到玄武岩抗压强度临界值[19-20]。

3.2.2 抗压强度试件形态测试结果分析

抗压强度试件形态测试结果如图4所示。

图4 抗压强度试件形态测试结果Fig.4 Shape test results of compressive strength specimen

为了降低测试的分析难度，仅选用粗集料与细集料中的单一代表样本作为此次测试对象。对上述测试结果进行分析可以看出，0 d测试环境中，随着荷载的增加，粗集料试件的表面出现了剥落现象，样本裂缝由边角逐渐向中心点发展。细集料样本的韧性较高，尽管加载后出现剥落的现象，但整体损坏过程较为缓慢，最终断裂时也表现出较好的完整性。当试验周期进行到7 d时，所得测试结果与0 d相同，从侧面证实了玄武岩抗压强度与玄武岩颗粒尺寸相关。使用裂缝宽度观测仪对样本的裂缝进行测量，最佳阻裂效果程度为15 mm。

3.2.3 抗折强度测试结果分析

玄武岩抗折强度测试结果见表5。由表5可知，对于刚刚开采的样本而言，当其颗粒尺寸较小时，其抗折强度相对较高；样本颗粒尺寸较大时，其抗折强度相对较低。在样本颗粒尺寸达到最小取值时，抗折强度反而降低。引用以往研究结果可以发现，当玄武岩颗粒得到一定的尺寸时，玄武岩样本会形成网状结构，其可承载压力的面积增大。但玄武岩颗粒过为细腻时，样本内部容易出现孔隙与裂缝，因此，当样本颗粒尺寸超过最佳尺寸时，会降低玄武岩的抗折强度。

表5 玄武岩抗折强度测试结果Tab.5 Test results of flexural strength of basalt

3.2.4 抗弯强度测试结果分析

玄武岩抗弯强度测试结果见表6。

表6 玄武岩抗弯强度测试结果Tab.6 Test results of bending strength of basalt

由表6可知，随着样本颗粒尺寸的降低，样本的抗弯强度随着颗粒尺寸变化反向增长。对测试周期结果进行分析可以看出，刚刚开采的玄武岩样本抗弯强度高于放置7 d后的玄武岩样本。已知，样本的抗弯强度是样本弹性模量、刚度以及岩性综合作用下得到的力学性能。因此，通过上述测试结果可以确定，样本弹性模量、刚度以及岩性会随着样本颗粒大小以及放置时间发生变化，且颗粒较小、放置时间较短的样本抗弯强度更大。

4 讨论

分析上述试验结论可知，玄武岩具有良好的抗压性能，玄武岩的粒径大小与玄武岩的抗压强度有关。样品粒径减小，样品的抗压强度随着样品粒径的减小而增加。试件放置一段时间后，玄武岩的抗压强度发生明显变化，发生断裂。试验结果表明，在0 d试验环境下，粗骨料试样表面剥落，试样裂纹从边缘向中心延伸。细骨料样品具有很高的延展性，尽管在负载下会发生分层，但整体故障率较慢，最终断裂仍保持良好的完整性。在抗弯强度方面，玄武岩粒径越小，玄武岩抗弯强度越高，试样粒径越大，玄武岩抗弯强度越低。当样品的粒径最小时，试件的抗弯强度降低。在抗弯强度方面，随着样品粒径的减小，样品的抗弯强度呈现相反的趋势。

玄武岩粒径越大，玄武岩样品会形成更多的网格结构，玄武岩受力面积越大。但是由于玄武岩颗粒太细，样品内部容易产生空隙和裂缝。当样品粒径大于理想粒径时，玄武岩的抗弯强度会降低。样品的弹性模量、刚度和岩性随样品粒径和储存时间的变化而变化，颗粒越小、储存时间越短的样品抗弯强度越高。

5 结论

玄武岩是一种新型建筑材料，其在国内的应用还不是很广泛。玄武岩作为一种复合型材料，其组成成分较为复杂，影响因素较多。为了探究矿区开采玄武岩的力学特性，依照当前研究结果设定了多轮测试环节。根据试验研究内容以及理论分析，得到下述结论：

(1)玄武岩的力学特征与玄武岩的颗粒尺寸具有直接关系，且玄武岩加工后存放时间越短，力学性能越好。玄武岩最佳阻裂效果长度为15 mm。

(2)玄武岩颗粒尺寸为最佳尺寸时，可有效降低玄武岩断裂情况，提升玄武岩抗压、抗弯、抗折能力。

(3)玄武岩的价格相对较低，在日常使用中需要及时对其表面进行防护。为了实现更好的应用，在本次研究中对其力学特征进行了系统分析，但由于时间以及技术上的限制，在日后需要对其进行更进一步的研究。