玄武巖纖維混凝土抗壓強度及抗凍性試驗研究

白金麗

（北華大學 林學院，吉林 吉林132013）

1 概述

混凝土凍融破壞問題是北方地區混凝土耐久性失效的主要原因之一，造成的結構損害極其嚴重，經濟損失難以估量。該問題已經受到國內外學者的重視。胡邦勝[1]研究認為大摻量粉煤灰可以顯著增強混凝土抗凍性。肖治微[2]通過復硅灰、礦渣、粉煤灰及引氣劑提升了混凝土抗凍性能。這些研究是通過礦料細粉的填充作用和活化作用，提高混凝土密實度。近來一些學者提出了纖維增強混凝土。在眾多纖維中，玄武巖纖維是較理想的增強材料[3]。S Jalasutram[4]研究表明玄武巖纖維會使混凝土的抗壓強度略有下降，但是劈裂抗拉強度和彎曲抗拉強度均顯著提高。K krayushkina[5]研究了纖維摻量、纖維長度與尺寸比對混凝土力學性能的影響。王鈞[6]研究表明玄武巖纖維對早期抗壓強度有延緩作用，隨著纖維摻量的增加，抗折強度和劈裂強度顯著增強。謝曉杰[7]研究表明玄武巖纖維可以顯著增強混凝土抗凍融性能。目前，玄武巖纖維混凝土研究主要集中在力學性能方面，對抗凍性研究相對較少。并且多數研究只考慮了玄武巖纖維摻量，而對于不同纖維長度和直徑的研究較少。本文探索玄武巖纖維的摻量、長度和直徑三個參數對混凝土抗壓強度和抗凍性能的影響。

2 試驗原材料、試驗設計及方法

2.1 試驗原材料。水泥為吉林市冀東水泥廠的42.5 級硅酸鹽水泥；粗集料為天然玄武巖，表觀密度2860kg/m3，堆積密度1412kg/m3；細骨料為天然河砂，細度模數2.45 中砂；玄武巖纖維為吉林通鑫玄武巖科技股份有限公司生產，長度為 3mm、6mm 和9mm，直徑為15um、18um 和22um，斷裂強度1612Mpa；水為普通自來水。

2.2 試驗設計與方法。本文試驗分為兩部分，即抗壓強度試驗和凍融循環試驗。第一部分試驗，設計參數如下：纖維摻量分別為0%、0.2%、0.4%、0.6%和0.8%，長度分別為3mm、6mm 和9mm，直徑分別為15um、18um 和22um。第二部分試驗。以抗壓強度試驗為基礎，設計參數如下：摻量分別為0%、0.3%、0.35%、0.4%、0.45%、0.5%，長度6mm，直徑22um。依據試驗設計制備混凝土試件，試件尺寸 為 100mm ×100mm ×100mm 和 100mm ×100mm×400mm，前者用于抗壓強度試驗，后者用于凍融循環試驗。待試件硬化后脫模，在溫度20±2℃，相對濕度95%條件下養護28 天。

3 試驗結果與分析

3.1 玄武巖纖維混凝土破壞形態分析。從圖1可發現，素混凝土破壞后骨料脫落，表現脆性破壞。玄武巖纖維混凝土當摻量超過0.2%時，試件“破而不碎”，表現出一定延性。當摻量為0.4%時，試件破壞后裂縫較少，且水泥石剝落較少。當摻量超過0.6%時，試件破壞出現了大量的裂縫，但破碎的水泥石和骨料仍由纖維連結在一起。說明一定量玄武巖纖維對水泥石的剝落和裂縫的開展有一定的抑制作用。

3.2 玄武巖纖維混凝土抗壓強度分析

圖2 可發現，摻入一定量長度6mm 的纖維會使混凝土的強度有略微的提高，相比未摻時提高了4.36%。另外兩種長度隨摻量增加強度均有所下降。當摻量大于0.6%時，強度下降明顯。這是由于摻量過多使內部的纖維間距過密，導致水泥和骨料間的有效粘結界面下降，因此強度會下降。圖3 可發現，三種直徑的纖維，長度為6mm 的纖維試件強度均為最高。直徑22um，長度6mm 試件強度最高為42.66Mpa，相比素混凝土強度提高11.35%。直徑15um 的玄武巖纖維，長度為3mm 的試件強度最低，為35.82Mpa。其原因是當纖維的長度較小時，與混凝土粘結力較小。在荷載作用時，容易造成纖維的抽絲現象，因此強度較低；直徑為22um 的纖維混凝土強度高于15um 和18um 的纖維混凝土。長度6mm、直徑22um 的纖維混凝土抗壓強度可達到42.66Mpa，相比于15um 的纖維混凝土強度高6.70%，相比18um 的纖維混凝土強度高8.97%。原因是較大直徑的纖維會與水泥石粘結的更加充分、緊密，可減輕應力集中現象。

3.3 玄武巖纖維混凝土抗凍性分析

圖4 可發現，素混凝土NC 和纖維混凝土BC 的質量損失率均隨凍融次數的增加而增大。總體上，摻入纖維混凝土的質量損失小于素混凝土。隨凍融次數增加，素混凝土NC 的質量損失率顯著增大，纖維混凝土BC-3 和BC-2 的質量損失率折線相對緩和，說明玄武巖纖維對混凝土的凍融循環作用有一定的改善作用。圖5 可發現，隨凍融次數增加，幾組試件的相對動彈性模量均降低，但幅度不同。素混凝土NC 的下降幅度最大，在100次凍融循環作用時，相對動彈性模量達到58.79%，小于了規范中要求的60%。下降幅度最小的是BC-2，在凍融循環100 次時，相對動彈性模量為77.12。說明玄武巖纖維的摻入能夠有效抑制混凝土相對動彈性模量的降低。摻量為0.35%時，效果最佳。

圖1 試件破壞形態

圖2 抗壓強度與纖維摻量關系

圖3 抗壓強度與纖維長度、直徑關系

圖4 凍融次數與質量損失率關系

圖5 凍融次數與相對動彈性模量關系

4 結論

玄武巖纖維的摻入可以使混凝土材料產生一定的延性，對水泥石的剝落和裂縫的開展有一定的抑制作用; 玄武巖纖維的摻入對混凝土抗壓性能有略微提高，當纖維摻量為0.4%、長度為6mm、直徑為22um 時，纖維混凝土強度最高為42.66Mpa，較素混凝土強度提高11.35%;玄武巖纖維可以有效改善混凝土抗凍融循環能力，纖維摻量為0.35%時，改善效果最佳。