玄武巖纖維自密實混凝土的配制及性能研究

潘慧敏，趙慶新

(燕山大學 建筑工程與力學學院，河北 秦皇島 066004)

自密實混凝土(Self-Compacting Concrete，簡稱SCC)拌和物具有良好的工作性，在密集配筋條件下，無需振搗，僅靠混凝土自重，便能均勻密實成型。自密實混凝土的應用可以解決傳統混凝土施工的漏振、過振，以及鋼筋密集難以振搗等問題，還將大大降低施工噪音，減少能源消耗。因此，自密實混凝土是高性能鋼筋混凝土發展的熱門課題之一[1-2]。

自密實混凝土同樣具有普通混凝土的缺點，如化學收縮和干燥收縮等原因引起的混凝土內部微裂紋。這些微裂紋的存在會導致混凝土受力時產生應力集中，從而降低混凝土強度。為克服這一缺陷，纖維增強混凝土的應用日益增多。研究表明[3]，在混凝土中摻入鋼纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維、尼龍纖維等，可有效提高混凝土的強度及抗裂性能。

玄武巖纖維(Basalt Fiber)是一種新的混凝土增強材料，由純天然的火山巖(含玄武巖)礦石經高溫熔融、拉絲而成，是典型的硅酸鹽纖維，具有性價比高、抗拉強度高、耐腐蝕、耐高溫、抗裂性能好等優點，是其它材料的良好替代品。玄武巖纖維應用在混凝土中，與碳纖維等相比，有性價比優勢，其試驗研究具有一定的理論意義和實用價值[4-6]。但是，纖維的加入會使新拌混凝土的黏聚性增大，坍落度和流動性下降，對混凝土的工作性產生影響。因此，如何將自密實和纖維增強兩種混凝土技術很好地結合起來，更好地將混凝土應用于特殊工況有著重要意義[6]。本文研究不同玄武巖纖維摻量下自密實混凝土的配制方法及玄武巖纖維對混凝土力學性能的影響。

1 試驗概況

1.1 原材料

試驗用原材料為:P·O 42.5普通硅酸鹽水泥;秦皇島熱電廠產Ⅱ級粉煤灰;遼寧綏中潔凈河砂，細度模數2.9;破碎石灰石，5～20 mm連續級配;橫店集團上海俄金玄武巖纖維有限公司生產的短切玄武巖纖維，其性能指標見表1;UNF-5萘系高效減水劑，減水率為20%。

表1 玄武巖纖維的物理力學性能指標

1.2 混凝土配合比

本試驗從自密實混凝土的制備原理入手，對砂率、膠凝材料用量、粉煤灰摻量等影響自密實混凝土工作性的因素進行了系統的試驗分析，經優化，得到性能穩定的C40自密實混凝土基準配合比，見表2。在保持基準配比的基礎上，玄武巖纖維摻量分別為 0，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 kg/m3。

表2 C40自密實混凝土基準配合比 kg/m3

1.3 纖維混凝土制備方法

先將纖維與砂、石、水泥干拌1.0～1.5 min，使玄武巖纖維均勻分布于混凝土中，再加水濕拌，全部攪拌時間較普通混凝土延長1～2 min。

1.4 試驗方法

本試驗對混凝土進行自密實性檢測及基本力學性能測試。新拌混凝土自密實性包括填充性、間隙通過性和抗離析性。本試驗采用坍落度筒法及自制的自密實能力測試儀測定混凝土的工作性[7]。自密實能力測試儀示意圖見圖1。測試方法為:將方箱內的鋼筋籠擺正，固定好上盒，裝入新拌混凝土，5 min后將方箱放在振動臺上，測量上盒中混凝土振動前后的距離差，計算混凝土的體積變化。振動后體積與振動前體積之比即為混凝土的自密實程度。

混凝土抗壓、抗折性能試驗參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)實施。

圖1 混凝土自密實能力測試儀示意

2 試驗結果與分析

2.1 自密實混凝土配合比調整

對不同玄武巖纖維摻量的自密實混凝土進行工作性測試，結果見表3。

表3 玄武巖纖維自密實混凝土的工作性

由表3可知，混凝土中摻入1.5～3.0 kg/m3的玄武巖纖維，會導致新拌混凝土坍落度下降，擴展度減小，自密實程度降低，且變化幅度隨纖維摻量的增加而相應地增大。

為使自密實纖維混凝土滿足工作性要求，本文在基準配比的基礎上，選擇玄武巖纖維摻量為2 kg/m3的混凝土，對其砂率、膠凝材料用量、水膠比進行了單獨調整，砂率(代號 SP)調整為47%，50%，膠凝材料用量(代號 C)調整為 530 kg/m3、550 kg/m3，水膠比(代號C/W)調整為0.40。調整后的坍落度、擴展度、自密實程度變化見圖2～圖4。

圖2 坍落度變化

圖3 擴展度變化

圖4 自密實程度變化

由圖2～圖4可見:①砂率增大至47%后，坍落度和擴展度增大，自密實程度增強。當砂率增加至50%后，擴展度反而減小，自密實程度也有所降低。由此可見，和普通混凝土相似，纖維自密實混凝土也同樣存在著合理砂率的問題。②隨著膠凝材料用量的增加，混凝土的坍落度和擴展度相應增加，自密實程度增強。這說明增加膠凝材料用量也是實現纖維自密實混凝土的有效途徑之一。但由于水泥等膠凝材料與混凝土其它組分相比單價高，故增加膠凝材料用量勢必會導致混凝土單方造價的大幅提升。同時，國內外研究也表明[8]，混凝土中膠凝材料用量的增加，尤其是水泥用量的增加，會提高因水化熱帶來的內部溫升和開裂傾向，硬化混凝土收縮徐變也會隨之增大，導致體積安定性不良。因此，從技術和經濟兩方面考慮，自密實混凝土的膠凝材料用量宜控制在450～550 kg/m3。③當水膠比提高到0.40后，新拌混凝土的坍落度、擴展度、自密實程度有所提高，但試驗過程中發現，該新拌混凝土出現離析現象，且泌水嚴重。因此，為保證混凝土硬化后的質量和強度等級，用加大用水量來提高自密實性的辦法是不可行的。

本試驗對玄武巖纖維摻量為2 kg/m3的新拌混凝土進行了調整。結果表明，隨著纖維摻量的增大，混凝土的工作性、自密實程度會減低，但通過調整各組分配比，可使纖維摻量較大的混凝土達到自密實，從而將自密實與纖維增強兩種混凝土技術較好的結合。

2.2 玄武巖纖維對混凝土力學性能的影響

纖維自密實混凝土抗壓、抗折強度隨纖維摻量的變化如圖5所示。

圖5 纖維自密實混凝土抗壓、抗折強度與纖維摻量的關系

從圖5可以看出，摻入玄武巖纖維后，自密實混凝土的抗壓、抗折強度均有不同程度的提高，最大增幅均達到20%。

由圖5也可以看出，隨著玄武巖纖維摻量的增加，起初，抗壓、抗折強度成上升態勢，但是，當摻量達到2.0～2.5 kg/m3后，抗壓、抗折強度又有下降的趨勢。因此，隨著纖維摻量的變化，抗壓、抗折強度均存在一個峰值范圍。

纖維的摻入量對混凝土抗壓、抗折強度的影響并不是隨著摻量增大而增強，其主要原因是，當纖維摻量達到最合適的比例后，再摻入纖維，會破壞已經形成的混凝土內部的最佳的構造，纖維的比表面積增加較大，纖維不能被足夠的漿體包裹，使得混凝土的密實度下降，內部缺陷增多，易出現微裂縫和氣孔[5]，尤其當纖維摻量較大時，會造成混凝土強度略有下降。

玄武巖纖維對混凝土力學性能的影響源于其阻裂效應和弱界面效應的共同作用。阻裂效應是指分散的纖維減緩粗集料的下沉和水的上升，從而阻礙沉降裂縫的形成，控制混凝土硬化初期由于離析、泌水收縮等因素形成的原生裂隙并減小其數量和尺度。這對混凝土后期力學性能是有利的。弱界面效應是由于玄武巖纖維細度高、比表面積大，使混凝土中形成大量纖維—混凝土基體界面。該界面具有比基材更高的水灰比，導致混凝土孔隙率增大，對混凝土力學性能產生不利影響。隨著纖維摻量的增加，纖維在混凝土基體的均勻分散性變差，弱界面效應變得更明顯。因此，纖維摻量較低時，其阻裂效應大于弱界面效應，使得混凝土的抗壓強度略有提高。當纖維摻量較高，尤其是 ＞2.5 kg/m3時，纖維對混凝土的弱界面效應大于阻裂效應，使得抗壓強度有所降低。

3 結論

1)在基準配合比的基礎上，通過調整砂率、增加膠凝材料用量、增加用水量、增加高效減水劑用量等措施，可以完成纖維自密實混凝土的配制，并使其達到自密實。這對將玄武巖纖維混凝土更好地用于特殊工況、不易振搗或修復工程中，有著重要意義。

2)玄武巖纖維對混凝土力學性能的影響源于其阻裂效應和弱界面效應的共同作用。本試驗表明，玄武巖纖維摻量較低時，纖維自密實混凝土的力學強度有所提高;當摻量較高，尤其是大于2.5 kg/m3時，玄武巖纖維對自密實混凝土的力學性能產生不良影響。

[1]劉競，鄧德華，趙騰龍.聚丙烯纖維自密實高性能混凝土的配制及性能[J].人民長江，2007，38(11):74-77.

[2]劉霞，吳冬，王興輝.自密實混凝土在國家體育場的研究和應用[J].混凝土，2008(1):107-111.

[3]李韌，畢重，王玉，等.短切玄武巖纖維自密實混凝土力學性能的試驗研究[J].混凝土與水泥制品，2008(2):48-50.

[4]崔毅華.玄武巖連續纖維的基本特性[J].紡織學報，2005，26(5):120-121.

[5]李為民，許金余.玄武巖纖維對混凝土的增強和增韌效應[J].硅酸鹽學報，2008，36(4):476-486.

[6]PAVLOVSKI D，MISLAVSKY B，ANTONNOV A.CNG cylinder manufacturers test basalt fiber[J].Reinf Plas，2007(4):36-39.

[7]趙慶新.C40自密實高性能混凝土性能研究與配合比預測[D].秦皇島:燕山大學，2002:23-25.

[8]吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社，1999.