玄武岩纤维贫混凝土基层材料与工程应用研究
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摘要
玄武岩纤维混凝土是国际上近些年发展很快的一种新型高性能水泥基复合材料。玄武岩纤维的作用主要是增强混凝土材料的抗拉强度和抗裂性，减小温差变化时结构的收缩变形量。在受应力作用初期，混凝土与玄武岩纤维共同承受应力作用，但是前者是温度应力或者荷载作用的主要受力者；当混凝土发生微裂后，横跨裂缝的纤维成为应力的主要受力者。但是作为基层材料，目前国内外玄武岩短切纤维贫混凝土基层研究很少；将其短切后掺入贫混凝土中能否改善其性能，改善到什么程度，掺入纤维的尺寸和掺量等都是值得研究的问题；此外玄武岩纤维减少贫混凝土反射裂缝是贫混凝土基层使用中的一个研究重点。
本文以湖南省宁道高速公路（道县段）试验路为工程依托，结合国内外的研究，主要从以下几个方面对玄武岩纤维贫混凝土材料进行了研究：
1.玄武岩纤维原材料性能研究。介绍了玄武岩纤维的化学组成、性能特点、生产工艺流程、以及分析纤维的物理力学性能。
2.合理掺量范围和最佳掺量的选定。通过对5种不同掺量的玄武岩纤维贫混凝土和未掺加玄武岩纤维的贫混凝土材料进行抗压、抗折、抗冲击试验，来研究、确定合理的玄武岩纤维掺量范围和最佳纤维掺量。在贫混凝土基层中，玄武岩短切纤维的合理掺量为3-6kg/m~3，最佳掺量为4.8 kg/m~3。
3.研究了玄武岩纤维对贫混凝土的工作性的影响，试验结果表明玄武岩纤维的掺入会使得贫混凝土的塌落度下降20mm左右。
4.研究玄武岩纤维对贫混凝土抗压静态模量的影响，试验结果表明，与未掺加纤维的试件对比，掺加纤维的试件其模量有所增大；但是随着玄武岩纤维掺量的增加。其静力抗压模量值变化幅度不大，说明玄武纤维的掺入，提高了贫混凝土材料的抵抗弹性变形的能力，但是玄武岩纤维对贫混凝土抗压模量影响不大。
5.通过实体工程的施工，总结了玄武岩纤维贫混凝土的施工工艺和方法。并设置了5m和10m长的切缝间距的试验路，对其抗裂性能做了实体验证对比。后期试验路观测结果表明，玄武岩纤维对增强贫混凝土材料的抗裂性，减小温差变化时结构的收缩变形量，减少反射裂缝的产生确实有着显著的作用。最后通过实体工程的经济性能评价，为玄武岩纤维贫混凝土基层材料在我国高速公路上的推广提供一定的实践经验。
Basalt fiber reinforced concrete is a new high performance cement compositematerials of great development internationally in recent years. Basalt fiber is toenhance concrete material’s resistance and tensile strength mainly, to reducestructure shrinkage deformation by the temperature’s change . By the early of thestress role, concrete and basalt fiber bear the stress role together, but the former bearthe temperature stress or load stress mainly. When the micro cracks happened in theconcrete , the fiber acrossing the cracks bear the stress mainly. But as the basecourse material, the study about basalt fiber chopped strand +lean concrete isvery little at home and abroad. The lean concrete mixed with basalt fiberchopped strand whether can improve the performance of the lean concrete, improveto what extent, also the fiber size and dosage is the worth studying problem; Inaddition basalt fiber reduce lean concrete reflection crack is is a key research of thelean concrete base course when useing.
The paper baseing on the testing road of Ningdao highway (DaoXian section) inHunan province, combining domestic and foreign research, study mainly from thefollowing aspects of the basalt fiber lean concrete materials:
1. The research on raw materials properties of basalt fiber. To introduce thebasalt fiber chemical composition, performance characteristics, the productionprocess, and to analyse of the physical and mechanical properties of fiber.
2. To elect the reasonable dosage scope and optimum dosage of the basalt fiber.Through the five kinds of different dosage of basalt fiber lean concrete and not byadding basalt fiber lean concrete materials for the compressive strength, flexural,impact resistance test, to study and determine the reasonable dosage scope andoptimum dosage of the basalt fiber. In lean concrete base course, the reasonabledosage scope of basalt fiber chopped strand is 3-6 kg/m~3, the optimum dosage of thebasalt fiber is 4.8 kg/m~3.
3. The paper study the influence of the basalt fiber to the workability of leanconcrete, the experimental results show that the basalt fiber will make the slump oflean concrete descend 20mm or so.
4. The paper study the influence of the basalt fiber to the static concretecompressive of lean concrete, the experimental results show that, comparing with specimens which not by adding basalt fiber, the compression modulus is increased.but with the increase of the dosage of the fiber, the static compression modulus value‘s change range is not too much ,that is to say ,it improved the resistance of leanconcrete material elastic deformation of ability mixed the fiber, but the influence ofthe basalt fiber to lean concrete is not big.
5. Through the construction of the entity project, to summarize constructiontechnology and methods of the basalt fiber lean concrete. And to set the 5m and 10mlongs cutting seam spacing of the testing road, mean to contrast its crackingperformance of entity verifies. the late stage observation of the testing road resultsshow that the basalt fiber is good at enhanceing lean concrete material’s resistancemainly, reduceing structure shrinkage deformation by the temperature’s change ,and reduceing the cracks of reflection.The last through the economic performanceevaluation of the entity engineering, to provide certain practical experience for thepromotion of the basalt fiber lean concrete base course materials in our country’shighway.
本文以湖南省宁道高速公路（道县段）试验路为工程依托，结合国内外的研究，主要从以下几个方面对玄武岩纤维贫混凝土材料进行了研究：
1.玄武岩纤维原材料性能研究。介绍了玄武岩纤维的化学组成、性能特点、生产工艺流程、以及分析纤维的物理力学性能。
2.合理掺量范围和最佳掺量的选定。通过对5种不同掺量的玄武岩纤维贫混凝土和未掺加玄武岩纤维的贫混凝土材料进行抗压、抗折、抗冲击试验，来研究、确定合理的玄武岩纤维掺量范围和最佳纤维掺量。在贫混凝土基层中，玄武岩短切纤维的合理掺量为3-6kg/m~3，最佳掺量为4.8 kg/m~3。
3.研究了玄武岩纤维对贫混凝土的工作性的影响，试验结果表明玄武岩纤维的掺入会使得贫混凝土的塌落度下降20mm左右。
4.研究玄武岩纤维对贫混凝土抗压静态模量的影响，试验结果表明，与未掺加纤维的试件对比，掺加纤维的试件其模量有所增大；但是随着玄武岩纤维掺量的增加。其静力抗压模量值变化幅度不大，说明玄武纤维的掺入，提高了贫混凝土材料的抵抗弹性变形的能力，但是玄武岩纤维对贫混凝土抗压模量影响不大。
5.通过实体工程的施工，总结了玄武岩纤维贫混凝土的施工工艺和方法。并设置了5m和10m长的切缝间距的试验路，对其抗裂性能做了实体验证对比。后期试验路观测结果表明，玄武岩纤维对增强贫混凝土材料的抗裂性，减小温差变化时结构的收缩变形量，减少反射裂缝的产生确实有着显著的作用。最后通过实体工程的经济性能评价，为玄武岩纤维贫混凝土基层材料在我国高速公路上的推广提供一定的实践经验。
Basalt fiber reinforced concrete is a new high performance cement compositematerials of great development internationally in recent years. Basalt fiber is toenhance concrete material’s resistance and tensile strength mainly, to reducestructure shrinkage deformation by the temperature’s change . By the early of thestress role, concrete and basalt fiber bear the stress role together, but the former bearthe temperature stress or load stress mainly. When the micro cracks happened in theconcrete , the fiber acrossing the cracks bear the stress mainly. But as the basecourse material, the study about basalt fiber chopped strand +lean concrete isvery little at home and abroad. The lean concrete mixed with basalt fiberchopped strand whether can improve the performance of the lean concrete, improveto what extent, also the fiber size and dosage is the worth studying problem; Inaddition basalt fiber reduce lean concrete reflection crack is is a key research of thelean concrete base course when useing.
The paper baseing on the testing road of Ningdao highway (DaoXian section) inHunan province, combining domestic and foreign research, study mainly from thefollowing aspects of the basalt fiber lean concrete materials:
1. The research on raw materials properties of basalt fiber. To introduce thebasalt fiber chemical composition, performance characteristics, the productionprocess, and to analyse of the physical and mechanical properties of fiber.
2. To elect the reasonable dosage scope and optimum dosage of the basalt fiber.Through the five kinds of different dosage of basalt fiber lean concrete and not byadding basalt fiber lean concrete materials for the compressive strength, flexural,impact resistance test, to study and determine the reasonable dosage scope andoptimum dosage of the basalt fiber. In lean concrete base course, the reasonabledosage scope of basalt fiber chopped strand is 3-6 kg/m~3, the optimum dosage of thebasalt fiber is 4.8 kg/m~3.
3. The paper study the influence of the basalt fiber to the workability of leanconcrete, the experimental results show that the basalt fiber will make the slump oflean concrete descend 20mm or so.
4. The paper study the influence of the basalt fiber to the static concretecompressive of lean concrete, the experimental results show that, comparing with specimens which not by adding basalt fiber, the compression modulus is increased.but with the increase of the dosage of the fiber, the static compression modulus value‘s change range is not too much ,that is to say ,it improved the resistance of leanconcrete material elastic deformation of ability mixed the fiber, but the influence ofthe basalt fiber to lean concrete is not big.
5. Through the construction of the entity project, to summarize constructiontechnology and methods of the basalt fiber lean concrete. And to set the 5m and 10mlongs cutting seam spacing of the testing road, mean to contrast its crackingperformance of entity verifies. the late stage observation of the testing road resultsshow that the basalt fiber is good at enhanceing lean concrete material’s resistancemainly, reduceing structure shrinkage deformation by the temperature’s change ,and reduceing the cracks of reflection.The last through the economic performanceevaluation of the entity engineering, to provide certain practical experience for thepromotion of the basalt fiber lean concrete base course materials in our country’shighway.
引文
[1]中国高速公路总里程达8.5万公里.http://politics.people.com.cn/GB/70731/16771028.html
[2]沙庆林．高速公路沥青路面早期破坏现象与预防[M]．北京：人民交通出版社，2001，3．6
[3]张晓冰，程日盛，汪丽娟．我国高速公路沥青路面厚度现状调查分析[J]．河南交通科技，1999(01)：22-25
[4]李健．复合式基层沥青路面结构分析与研究[D]：[硕士学位论文]．湖南：长沙理工大学．2009．
[5]沈金安，李福普等．高速公路沥青路面早期破坏分析与防治对策[M]．北京：人民交通出版社，2004，41．55
[6]李君．高等级公路柔性基层(级配碎石)的研究[D]：[硕士学位论文]．大连：大连理工大学，2004
[7]陈英，孙巍等.贫混凝土应用于沥青路面基层[J].黑龙江交通科技，1999-01.
[8] G．Bordonado．G．Colombie，and D．Ponchon．Recent Developments in FrenchConcrete Pavement Construction and Behavioral Assessment．3rd internationalConference on Concrete Pavement Design and Rehabilitation，PurdueUniversity,1985，pp：237-244．
[9] Robert P．Moston，and Richard L．Oaon．Lean Concrete Base，14th PavingConference，1977．
[10] M.T.Kim，M.H.Kim，K.Y.hee，S.J.Park.Study on an oxygen plasma treatmentof a basalt fiber and its fiber and its effect on the interlaminar fracture propertyof basalt epoxy woven composites.Composites Part B:Engineer，2010,12.
[11] V.Lopresto，C.Leone，I.De Iorio.Mechanical characterization of basalt fiberreinforced plastic.Composites Part B: Engineer,2011
[12] Dias DP，Thanmaturgo C．Fracture toughness of geopolymeric concretesreinforced with basalt fibers[J]．Cent．Coner．Cornpos．2005(1)：49-54．
[13] Zielinaki，Krzysztof，Olszewski，et al．The impact of basaltic fibre on selectedphysicaland mechanical properties of cement mortar[J]．Concr．Precast．Plant．Techn01．2005，(i)：28-33．
[14]廉杰，杨新勇，杨萌等．短切玄武岩纤维增强混凝土力学性能的试验研究[J]．工业建筑，2007，37(6)：8-10．
[15]潘慧敏.玄武岩纤维混凝土力学性能的试验研究.硅酸盐通报[J]，2009,28(5).
[16]周运瑜，余江滔，陆洲导等.玄武岩纤维加固震损混凝土框架节点的抗震性能[J].中南大学学报：自然科学版，2010,41（4）.
[17]童谷生，刘永胜.玄武岩纤维布约束混凝土方柱的试验研究[J].混凝土.2009(5)
[18]杨勇新，陈绪军，刑建英等.玄武岩纤维布加固混凝土梁的抗弯疲劳性能试验[J].华侨大学学报：自然科学版.2010,31（4）
[19]何拥军，田承宇，黄小清.玄武岩纤维增强高性能混凝土配合比的正交试验研究.混凝土与水泥制品.2010(3)
[20]沈刘军，许金余，李为民等.玄武岩纤维增强混凝土静，动性能试验研究，混凝土，2008.4
[21]顾兴宇，董侨等.连续配筋水泥混凝土路面裂缝发展规律研究，公路交通科技（应用技术版），2007.6
[22]顾兴宇，陆佳颖，沈新.连续玄武岩纤维筋水泥混凝土路面配筋设计研究，公路交通科技（应用技术版），2009.5
[23]沈新，顾兴宇，陆佳颖.玄武岩纤维（BFRP）筋与混凝土粘结性能试验研究.交通运输工程与信息学报.2010,8（3）
[24]朱坚和、陈强等.玄武岩纤维筋连续配筋混凝土路面设计应用研究，公路交通科技.2010,8
[25]李为民．BFRP对混凝土的增强和增韧效应硅酸盐学报．2008．36(4)：476-488．
[26]江朝华．BFRP及聚丙烯纤维对水泥砂浆性能影响的对比分析硅酸盐通报，2007，26(6)：1084-1088．
[27]吴栋等．BFRP与碳纤维片材加固混凝土结构比较研究BFRP布加固钢筋混凝土粱受弯受剪承栽力计算分析[J]．江苏建筑．2007，(1)：48-51．
[28]晓鹏，杨广军，管巧艳等．钢纤维对混凝土抗冻性能影响的试验研究．混凝土.2008(226)：8,73.75．
[29] Michel Ray．目前法国混凝土路面技术发展概况．机场工程参考资料，1984(2)：54．
[30] W．A．Yrjanson．Econcrete in Pavement Design，International Conferenceon Concrete Pavement Design，Purdue universit5 1 977，pp：234-246．
[31] A．Yrjanson，and R．G．Packard．Econcrem Pavement：Current Practices，Transportation Research Record 741．pp：6-l 3．
[32] GBJ97-87.水泥混凝土路面施工及验收规范[S].北京：人民交通出版社，1987.
[33]钱绍武.水泥混凝土路面基层技术的发展进程与功能要求的探讨.华东公路,1987(2)：1-8．
[34] JTG D40-2011.公路水泥混凝土路面设计规范[S].北京：人民交通出版社，2011
[35] GB/T23265-2009.水泥混凝土和砂浆用短切玄武岩纤维.北京：中国标准出版社，2009
[36] GB/T21120-2007.水泥混凝土和砂浆用合成纤维.北京：中国标准出版社，2008
[37] JT/T776-2010.公路工程玄武岩纤维及制品.北京：人民交通出版社，2010
[38] JTG E30-2005.公路工程水泥及水泥混凝土试验规程[S].北京：人民交通出版社，2005
[39] JTG F30-2003.公路水泥混凝土路面施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2003
[40]赵炜诚.重载作用下贫混凝土基层混凝土路面设计方法初步研究.同济大学博士学位论文.2003
[41]金友信．玄武岩纤维组成及优异性能[J]．山东纺织科技，2010，(2)：37—40．
[42] ACI Committee 544. ACI 544. 2R-89.Measurement of properties of fiberreinforced concrete. ACI Manual of ConcretePractice[S] . American ConcreteInstitute, 1996.
[43]齐风杰，李锦文，李传校，等连续玄武岩纤维研究综述[J]．高科技纤维与应用。2006：42—46．
[44]胡显奇，陈绍杰．世界复合材料现状及其连续玄武岩纤维的发展良机[J]．高科技纤维与应用，2005．6
[45]陈兴芬，胡显奇.提高混凝土耐久性的新材料一玄武岩纤维.提高混凝土耐久性的新材料一玄武岩纤维,2009.
[46]地质地球所提出研发新资源技术培育战略性新兴产业.http://www.cas.cn/xw/yxdt/200912/t20091229_2719374.shtml.
[47]《中科院专家关于发展新资源经济拉动新一轮经济增长的建议》.中国科学院地质与地球物理研究所矿产资源研究重点实验室.2009.12
[48]《新材料产业“十二五”发展规划》.中华人民共和国工业和信息化部.2012.2
[49]章毓．玄武岩纤维砂浆主要性能的试验研究[D]：[硕士学位论文]．江西：华东交通大学．2008．
[50] Hwang S, Song P S, Sheu B C. Impact resistance of polypropylene fiber-reinforced concrete [ J] . Chungcheng Institute of Technology, 2003, 32( 1) : 1-14.
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