纤维网格布表层强化混凝土力学性能研究

许 巍,江 帆,张 俊,,胡 成,高培伟,许 旺

(1.空军工程大学 航空工程学院,陕西 西安 710038;2.海军研究院,北京 100070;3.南京航空航天大学 民航学院,江苏 南京 210016;4.空军第三工兵技术勤务大队,四川 成都 611430)

机场水泥混凝土道面表面形成的砂浆层是道面与外界直接接触的一层,其强度较低、抗变形能力差,在外部荷载作用下,其表层易产生开裂、磨损和剥落等问题,严重影响跑道的正常使用和安全性能。表层问题发生后,将会间接导致断板、错台和拱起等结构性损坏形成与发展,影响机场的正常使用,甚至危及飞行安全,因此水泥砂浆层的质量对于混凝土道面整体性能有较大的影响[1-4]。目前,针对提高机场水泥混凝土道面表面性能的研究主要集中于通过表层涂刷硅烷、环氧树脂等表层强化材料以及向混凝土拌合物掺入乳液、乳胶、硅粉、矿粉和纤维等物质两种方法。第一种方法虽然可以在一定程度上提高混凝土抗冻性能和耐腐蚀性能,但是不能有效提高混凝土耐磨耗性能和抗冲击性能,且经济性差;第二种方法虽然可以在一定程度上增强混凝土结构强度、抗冲击性能和抗冻性能等,但是搅拌是否充分对性能的影响较大,成本依然较高,磨耗性能增强不够明显,仍不能够有效防止表层病害的产生[5-10]。

军用飞机正向多样化和重载化方向发展,对机场的使用需求愈发增强,但许多机场建设年代较为久远,现阶段将会面临大修甚至重建,因此寻找一种经济有效的表面性能强化方式对于空军战略转型具有重大意义。纤维网格布是一种以纤维为原材料,经过特定工序制成的强化材料,其在经向和纬向均具有较高的强度,目前主要被应用于建筑行业,包括墙体保温、防水、抗裂及新旧混凝土修复,研究表明纤维网格布可以有效增强水泥砂浆各项性能,而水泥混凝土道面表层也为砂浆层[9-13]。因此,笔者提出通过在混凝土表层砂浆层中布设纤维网格布来对水泥混凝土道面进行表层强化。首先,选择碳纤维、芳纶纤维和玄武岩纤维3种网格布对混凝土进行表层强化;然后,开展了抗折强度试验和紫外线照射及飞机尾喷烧蚀作用下的磨耗试验;最后,对3种纤维网格布强化混凝土的力学性能开展对比研究。笔者研究有助于经济有效地提高新建或翻新机场道面的表面性能,对提高混凝土道面寿命,降低飞行训练安全事故的概率,具有较大的现实意义。

1 试验概况

1.1 试验材料

试验用水泥为PO-42.5R硅酸盐水泥且掺量固定为320 kg/m3。砂为产自西安灞河的天然河砂,按照规范[14]将砂分级,配制相应的细度模数μf,所配制出砂的级配曲线如图1所示。

图1 砂的级配曲线Fig.1 Grading curve of sand

粗集料为陕西茂县的石灰石碎石,级配分为5～10 mm,10～20 mm和20～40 mm,比例为2∶3∶6。该比例通过优选法获得,为振实密度最大时的比例。

试验共选用了3种纤维网格布,网孔尺寸均为5 mm×5 mm。纤维网格布外形如图2所示,性能参数如表1所示。

图2 纤维网格布形态Fig.2 Fiber mesh morphology

表1 纤维网格布性能参数

1.2 试验方案

影响纤维网格布强化混凝土表面性能的因素有水灰比、砂率、细度模数和纤维网格布。其中水灰比、砂率和细度模数是混凝土配比设计的根本要素,纤维网格布是混凝土的外部强化材料,因此以28 d抗折强度为设计指标,确定强度最优配比,并依据强度最优配比,研究不同龄期下纤维网格布强化混凝土的抗弯拉和耐磨耗性能。

依据L16(43)正交表格设计试验,水灰比因素的4个水平分别为0.44,0.43,0.42,0.41,砂率因素的4个水平分别为34%,32%,30%,28%,细度模数因素的4个水平分别为3.4,3.2,3.0,2.8,设计结果如表2所示。

表2 正交试验表

1.3 试验方法

1.3.1 抗折强度试验

试样采用尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的小梁,振捣结束之后,将备好的纤维网格布平铺至试模上方。首先,通过人工提浆的方式将网格布初步埋入水泥砂浆层当中,开启振动台30 s,振动期间使用水泥刀再次对试模进行提浆,完全将网格布铺入水泥砂浆层当中;然后,待振动完毕,使用水泥刀进行精准抹平;最后,将试件静置24 h后脱模养护。为了检验纤维网格布的影响,试验时将小梁倒置,使纤维网格布强化表面作为受拉面。

1.3.2 磨耗试验

试件为150 mm×150 mm×75 mm的半立方体,综合考虑机场道面实际服役环境不利因素,磨耗试验考虑紫外线照射和飞机尾喷烧蚀作用,即每10次磨耗后对混凝土重复紫外线照射和飞机尾喷烧蚀两次环境模拟处理,具体情况如图3所示。

图3 磨耗试验方法Fig.3 Method of wear test

在第一次环境处理后称取质量m0,随后在200 kN配重下进行30圈预磨,称取质量m1和磨耗深度h1,而后每5圈测量一次质量,每10圈测量一次磨耗深度,当磨耗60圈后,停止试验。试验以单位面积磨耗质量Gc和磨耗深度h作为评价指标,磨耗深度通过游标卡尺进行测量,取两对角线与磨耗圆4个交点深度的平均值为相应磨耗圈数下的磨耗深度。单位面积磨耗质量的计算式为

(1)

式中:Gc为试件单位面积的磨耗质量,kg/m2;m0为试件的初始质量,kg;m1为试件磨耗后的质量,kg;0.012 5为试件的磨耗面积,m2。

2 结果分析与讨论

2.1 抗折强度

2.1.1 抗折强度影响因素敏感性分析

按照正交试验表配比成型小梁试件,养护28 d后进行抗折试验,极差分析结果如表3所示。作出各因素对混凝土抗折强度的影响图,计算各试验因素对抗折强度的影响因子,并绘制影响因子比率图,具体情况如图4所示。

表3 抗折强度极差分析表

图4 各试验因素对抗折强度的影响及影响因子比例Fig.4 Influence of each factor on flexural strength and influence proportion

由表3和图4可以看出:水灰比占据主导作用,影响因子可达59.8%,其是3种因素中的决定性因素,细度模数影响次之，砂率影响最小。由图4(a)可以看出:在研究范围内,随着水灰比的增大,抗折强度先增大后减小,当水灰比为0.43时抗折强度最大。原因是当水灰比小到一定程度时,混凝土拌合物施工和易性减小,在相同的搅拌时间内混凝土拌合物未能搅拌均匀,从而使其强度降低。一般来说,对于通过降低水灰比来获得高强混凝土的方法,需要向混凝土拌合物中添加减水剂,从而拌合物能够被搅拌均匀,但笔者为了探究混凝土组分对混凝土抗折强度的影响,并未向混凝土拌合物中掺入减水剂。由图4(b,c)可以看出:随着砂率和细度模数的增大,混凝土抗折强度均呈先减小后增大的变化趋势,且当砂率为28%、细度模数为2.8时,混凝土抗折强度最大,得出最优配比如表4所示。

表4 最优基准配合比

2.1.2 纤维网格布对抗折强度的影响

按照表4确定的强度最优配比,对纤维网格布强化混凝土抗折强度进行试验研究,结果如图5所示。由图5可以看出:随着龄期的增长,不管是素混凝土试件,还是纤维网格布强化混凝土试件，抗折强度均不断增长。通过比较不同龄期下素混凝土和纤维网格布强化混凝土抗折强度可以发现:相较于素混凝土,纤维网格布强化混凝土抗折强度均得到了提高,表明纤维网格布可以在一定程度上提高其抗弯拉性能,碳纤维网格布的强化效果最好,芳纶纤维网格布效果次之,最后是玄武岩纤维网格布。3 d龄期时,碳纤维网格布、芳纶纤维网格布和玄武岩纤维网格布增强混凝土抗折强度分别提高了13.6%,5.6%,3.5%,分别达到4.5,4.18,4.1 MPa;7 d龄期时,碳纤维网格布、芳纶纤维网格布和玄武岩纤维网格布增强混凝土抗折强度分别提高了14%,7.6%,3.1%,分别达到5.54,5.23,5.01 MPa;28 d龄期时,碳纤维网格布、芳纶纤维网格布和玄武岩纤维网格布增强混凝土抗折强度分别提高了20.8%,14.9%,10.9%,分别达到6.67,6.34,6.12 MPa。纤维网格布处于混凝土的受拉面,不仅能够有效增强混凝土抗折强度,而且有效分担了混凝土底部所受到的拉应力。

图5 纤维网格布强化混凝土抗折强度Fig.5 Flexural strength of concrete reinforced by fiber mesh

2.2 耐磨耗性能

对不同种类的纤维网格布强化混凝土耐磨耗性能进行研究,结果如图6所示。由图6可以看出:相较于对照组,纤维网格布强化混凝土试件的单位面积磨耗量和磨耗深度都有一定程度的减少,且相同磨耗圈数单位面积磨耗量和磨耗深度呈现规律一致,从大到小依次为:对照组>碳纤维网格布组>玄武岩纤维网格布组>芳纶纤维网格布组;以60转磨耗圈数为例,相较于对照组,玄武岩纤维网格布组试件、碳纤维网格布组试件和芳纶纤维网格布组试件单位面积磨耗量分别减少了19.0%,16.1%,23.2%,磨耗深度分别减少了11.6%,7.7%,15.7%。同时,对照组试件对应两个曲线的斜率均随着磨耗圈数的增加而增大,但纤维网格布强化组试件均呈先增大,后减少,再增大的变化趋势。原因是:对照组试件表层砂浆层在花轮磨头的作用下发生破坏,其层间颗粒黏结性随着磨耗圈数的增加逐渐降低,从而表现为试件单位面积磨耗量—磨耗圈数曲线和磨耗深度—磨耗圈数曲线斜率均呈增大趋势。而对于纤维网格布组试件,在初始的磨耗圈数内,花轮磨头并未触及纤维网格布的作用范围,因此表现为与对照组试件相似的磨耗规律;当花轮磨头触及纤维网格布作用范围时,水泥砂浆层在纤维网格布的拉结作用下,整体抵抗外部作用变化的能力增强,表现为曲线斜率的减少;随着磨耗圈数的不断增加,纤维网格布结构遭到破坏,水泥砂浆层失去纤维网格布的拉结作用,因而再次表现为与对照组试件相似的规律。

图6 磨耗试验结果Fig.6 Wear test results

玄武岩纤维网格布强化混凝土不同磨耗圈数下的破坏形态如图7所示。由图7可以看出:当磨耗圈数达到20转时,少量纤维网格布开始外露,表明此时网格布开始起强化作用;当磨耗圈数达到40转时,纤维网格布已受到很大程度破坏,表明纤维网格布增强作用大幅减弱;当磨耗圈数达到60转时,网格布损坏殆尽,表明此时纤维网格布组试件耐磨耗性能与对照组试件近似一致,可看出纤维网格布主要在磨耗圈数为20～40转时发挥作用。综上,在混凝土表层砂浆层中铺入纤维网格布可以一定程度提高其耐磨耗性能,芳纶纤维网格布的强化效果最好,玄武岩纤维网格布次之,最后是碳纤维网格布,同时,纤维网格布主要在外部作用触及纤维网格布作用范围时发挥作用。

根据以上分析可看出:从抗折强度指标看,3种纤维网格布中碳纤维网格布增强效果最好,其次为芳纶纤维,增强混凝土7 d抗折强度分别达到5.54,5.23 MPa,均超过机场道面混凝土强度要求;从耐磨指标来看,芳纶纤维增强效果最好,其次为玄武岩纤维;从造价指标来看,玄武岩纤维网格布最低(试验所用产品采购价为20元/m2),其次为芳纶纤维网格布(试验所用产品采购价为60元/m2),碳纤维网格布最高(试验所用产品采购价为80元/m2)。综合各指标,在研究范围内芳纶纤维最适于机场混凝土道面的表层强化。

图7 玄武岩纤维网格布强化混凝土试件磨耗破坏形态Fig.7 The wear failure pattern of basalt fiber meshreinforced concrete

3 结 论

由于很多军用机场服役年限较长,其道面表面砂浆层在重载化战机的不断作用下易产生开裂、破损和剥落等问题,给战机带来严重的安全隐患。使用碳纤维、芳纶纤维和玄武岩纤维3种网格布对混凝土进行表层强化,开展了抗折强度试验和紫外线照射及飞机尾喷烧蚀作用下的磨耗试验。试验结果表明:混凝土组分对抗折强度有较大影响,其中水灰比最大，细度模数次之，砂率最小,且当水灰比为0.43，砂率为28%，细度模数为2.8时抗折强度最大。纤维网格布强化混凝土抗折强度均得到了提高,其中碳纤维网格布的强化效果最好,其次是芳纶纤维网格布,最后是玄武岩纤维网格布。当3,7,14 d龄期时,碳纤维网格布增强混凝土抗折强度分别提高13.6%,14%,20.8%,分别达到4.5,5.54,6.67 MPa。纤维网格布可以有效地提高混凝土耐磨耗性能,提升效果由大到小:芳纶纤维网格布>玄武岩纤维网格布>碳纤维网格布。相较于对照组,芳纶纤维增强混凝土单位面积磨耗量和磨耗深度分别降低了20%和15%。综合抗折强度、耐磨耗性能及造价指标等方面,在所研究的范围内芳纶纤维最适于机场混凝土道面的表层强化。研究结果有助于经济有效地提高新建或翻建军用机场道面的表面性能,具有显著的军事效益。