橋梁伸縮縫短切玄武巖纖維混凝土與素混凝土性能研究

張宏武

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

伸縮縫是橋梁的重要附屬結構，可保證橋梁在環境作用下能自由伸縮，是橋梁結構容易破壞的部位，嚴重影響橋梁的運營安全，同時影響橋梁整體美觀。橋梁伸縮縫混凝土早期發生的裂縫、脫落等病害，影響著橋梁結構的使用性能，造成了安全隱患。橋梁伸縮縫混凝土的裂縫、脫落等病害主要是因為混凝土的抗裂性能（斷裂韌性）差所引起。纖維混凝土能加強混凝土的抗裂性能，提高混凝土的耐久性能，是一種很好的橋梁伸縮縫混凝土增強材料。玄武巖纖維與其他纖維相比具有力學性能佳，耐溫性能好，可在-269 ℃～700 ℃范圍內工作，具有耐酸耐堿、抗紫外線能力強的優勢，與混凝土相容性好，性價比適中，可以改善混凝土的抗裂性能，增強耐久性能，提高混凝土的力學性能，是一種良好的混凝土增強材料[1-2]。本文分析對比了摻量0.1%玄武巖纖維混凝土與素混凝土的力學強度與耐腐蝕性能差異，結果表明玄武巖纖維混凝土抗壓、抗折、抗彎拉強度均優于素混凝土，可提高橋梁伸縮縫處混凝土的抗裂性能，為其他同類工程提供借鑒。

1 原材料

a）水泥 海螺P.O.52.5，其3 d 抗壓強度為38.0 MPa、抗折強度為6.9 MPa；28 d 抗壓強度為56.9 MPa、抗折強度為8.3 MPa。

b）集料 變質砂巖粗集料為粒徑5～20 mm，級配符合規范要求，含泥量為0.3%，壓碎值為5%；細集料為河砂，細度模數為2.7，含泥量為0.7%。

c）外加劑 CNF-3 聚羧酸高效減水劑，減水率約22%。

d）短切玄武巖纖維 單絲直徑13μm，長18 mm，密度2.7～2.8 g/cm3，抗拉強度3 000～4 000 MPa，彈性模量80～100 GPa，斷裂伸長率2.7%～3.4%。

e）水 自來水。

2 配合比設計及試驗結果

混凝土配合比設計的強度等級為C50，坍落度控制在140～180 mm，玄武巖纖維混凝土采用纖維體積率法進行配合比設計。

混凝土抗壓強度試驗、劈裂抗拉強度試驗及抗折強度試驗采用《普通混凝土力學性能試驗標準》（GB/T 50081—2002）的方法[3]?；炷聊土蛩猁}溶液侵蝕試驗，混凝土成型為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件及150 mm×150 mm×550 mm 的棱柱體試件，標準養護7 d 后，浸泡于5%Na2SO4溶液中養護21 d，測定混凝土受硫酸鹽溶液侵蝕前后的抗壓抗折強度耐蝕系數。

素混凝土及玄武巖纖維混凝土配合比試驗結果如表1 所示。

表1 混凝土配合比及性能試驗結果

3 試驗結果及分析

3.1 工作性能試驗

表2 混凝土坍落度及擴展度

素混凝土的坍落度為170 mm，擴展度為450 mm，具備較好的流動性。玄武巖纖維摻量為0.10%時，對混凝土的流動性影響不明顯，坍落度、擴展度略微降低，坍落度為160 mm，擴展度為430 mm，不影響混凝土流動性，可以滿足施工工作性能要求。

3.2 力學性能試驗及分析[4-5]

3.2.1 抗壓強度和抗折強度試驗結果及分析

素混凝土、玄武巖纖維混凝土抗壓、抗折強度試驗結果見圖1。

圖1 素混凝土、玄武巖纖維混凝土抗壓強度和抗折強度試驗結果

由圖1 混凝土抗壓強度和抗折強度試驗結果可知，玄武巖纖維摻量0.1%的混凝土與素混凝土相比，其抗壓強度7 d 提高3.3%，28 d 提高6.3%；其抗折強度7 d 提高了14.1%，28 d 提高18.7%。分析原因為玄武巖纖維摻入后，分布于混凝土中的纖維形成亂向的三維支撐體系，在混凝土受到荷載作用時協同受力，應力自混凝土基體傳遞給玄武巖纖維，由于玄武巖纖維的抗拉彈性模量高，增加了混凝土的抗拉和抗剪應力，從而提高了混凝土抗彎拉強度，也相應提高了混凝土抗壓強度。

3.2.2 劈裂抗拉強度試驗及拉壓比結果及分析

素混凝土、玄武巖纖維混凝土劈裂抗拉強度結果見圖2，拉壓比結果見圖3。

圖2 素混凝土、玄武巖纖維混凝土劈裂抗拉強度試驗結果

從圖2 劈裂抗拉強度試驗結果可知，玄武巖纖維摻量為0.1%的混凝土7 d 劈裂抗拉強度提高了5.7%，28 d 劈裂抗拉強度提高了9.6%。

圖3 素混凝土、玄武巖纖維混凝土強度拉壓比試驗結果

拉壓比是反映混凝土脆性的指標之一，由圖3試驗拉壓比結果可以看出，對于同一齡期的混凝土，玄武巖纖維混凝土的拉壓比高，表明玄武巖纖維的摻入增加了混凝土的抗彎拉強度，提高了混凝土的韌性，主要原因為玄武巖纖維在混凝土中起加筋作用，在裂縫處具有良好的聯結作用，抑制了裂縫的擴展速度，且纖維和混凝土的黏合良好，提高了混凝土的韌性，提高了混凝土的劈裂抗拉強度。

3.3 耐久性能試驗及分析

素混凝土、玄武巖纖維混凝土耐硫酸鹽試驗結果見圖4。

由圖4 混凝土耐硫酸鹽試驗結果可知，摻加0.1%玄武巖纖維混凝土比素混凝土的抗壓耐腐蝕系數提高了6.3%；抗折耐腐蝕系數提高了5.5%。主要因為混凝土中纖維的致密網狀結構，減少了基體內的微裂縫、空隙和缺陷，提高了材料的連續性，有效地抑制了裂縫的產生，同時，玄武巖纖維在混凝土中均勻分布并與混凝土能良好地黏結，提高了水泥基體內部的束縛力，阻止并延緩硫酸根離子從外界環境滲透，提高混凝土的耐久性能。

圖4 素混凝土、玄武巖纖維混凝土耐硫酸鹽試驗結果

4 結論

a）0.1%體積摻量的玄武巖纖維混凝土配合比設計可采用普通混凝土的設計方法，其設計的混凝土立方體抗壓強度性能、工作性能與素混凝土相當，立方體抗壓強度7 d 提高3.3%，28 d 提高6.3%，坍落度由170 mm 降至160 mm，擴展度由450 mm 降至430 mm。

b）纖維摻入水泥混凝土中，增強了混凝土內部的受力狀況，且纖維橫跨裂縫承擔了部分拉應力，阻止了混凝土內部應力集中，延緩約束了混凝土裂縫的產生和發展，提高了混凝土的強度，增強了混凝土的韌性，其7 d 抗折強度提高了14.1%，28 d 提高了18.7%，7 d 劈裂彎拉強度提高了4.2%，28 d 提高了7.6%。

c）當玄武巖纖維摻入到混凝土中后，能有效地阻礙混凝土早期開裂及裂縫發展，延緩硫酸根離子從外界環境向混凝土中的滲透，抗壓耐腐蝕系數增加了6.3%；抗折耐腐蝕系數增加了5.5%，是作為橋梁伸縮縫處混凝土的有益選擇。