玄武巖纖維長度對堿激發—礦渣砂漿性能的影響★

繆 貴 福

(淮南市政工程公司，安徽 淮南 232007)

0 引言

礦渣作為鋼鐵工業的副產品可通過堿性物質激發，成為一種替代水泥的膠凝材料，與普通硅酸鹽水泥相比，具有良好的機械性能和優異的化學耐久性[1,2]。同時，堿激發礦渣的使用可減少由于水泥工業生產而造成的溫室氣體排放，降低43%的能耗[3]。盡管AAS具有良好的機械性能和環保性能，但由于堿激發礦渣砂漿凝結迅速，工作性能較差，不利于現場施工，同時收縮與水泥混凝土相比較大，容易產生裂縫[4,5]，這些缺點限制了堿激發砂漿的應用。

玄武巖纖維在強度、耐高溫、耐酸堿等方面均具有優良的表現[6]。玄武巖纖維可顯著改變水泥砂漿強度、收縮及耐久性性能。然而玄武巖纖維對堿激發礦渣砂漿性能影響研究甚少，堿激發體系是建筑行業發展的方向。因此，本試驗將玄武巖纖維在同一體積摻量下摻入堿激發—礦渣砂漿，研究纖維長度對砂漿體系的影響。

1 原材料與配合比

1.1 材料

玄武巖纖維長度分別為3 mm，6 mm和9 mm，性能參數如表1所示。礦渣平均粒徑17.8 μm，化學成分見表2。砂為淮河黃砂，細度模數為2.6，表觀密度2 550 kg/m3。激發劑為氫氧化鈉溶液，NsssaOH購自國藥集團化學試劑有限公司。水為普通城市自來水。

表1 玄武巖纖維性能指標

表2 礦渣元素成分(wt/%)

1.2 配合比

為研究玄武巖纖維長度對堿激發—礦渣砂漿的影響，選擇3種長度(3 mm,6 mm,9 mm)，共設計4組試驗，組別代號分別為Con,BF3,BF6,BF9，其中數字代表玄武巖纖維長度。試驗配合比如表3所示。玄武巖纖維按0.6%體積摻量，砂率40%，水膠比0.5，采用NaOH/水玻璃復合激發劑，含固量2.0，激發劑模數為2。

表3 砂漿配合比(100g)

2 內容與方法

2.1 工作度

根據規范GB/T 2419—2005[7]砂漿工作度采用跳桌法進行測試，測試開始前將桌面用潮濕抹布進行擦拭，儀器使用前需先進行預實驗保證儀器正常。砂漿分兩次灌入模具，灌滿后用振搗棒振搗排出氣泡。豎直提起模具同時打開跳桌開關，自動跳動25次后正交讀取砂漿直徑，取三次結果的平均值作為砂漿初始擴展度。

2.2 抗壓、抗折強度

堿激發砂漿試塊的抗壓、抗折強度根據ASTM C348進行[8]，砂漿試塊尺寸為40 mm×40 mm×160 mm棱柱體，新拌砂漿裝模后移入標準養護室(溫度23 ℃，相對濕度>95%)養護至相應齡期。測試過程中，先由抗折夾具測試抗折強度，3個試塊一組，取平均值作為抗折強度代表值；折后試塊由抗壓夾具測試抗壓強度，6個試塊一組，取平均值作為抗壓強度代表值。

2.3 自收縮

根據ASTM C1698測試堿激發—礦渣砂漿的自收縮[9]。新拌漿體分3次裝入波紋管中，每次裝入1/3，分別振動密實后繼續裝填，裝滿密封后水平放置在波浪板上移入標準養護室進行標準養護。測試時刻自砂漿初凝開始，測至30 d。自收縮按式(1)計算:

μa=(LT-L0)×106/L0

(1)

其中，LT為測試時試件長度;L0為凝結時刻試件初始長度。

2.4 干縮

堿激發—礦渣砂漿的干縮依據ASTM C596測試[10]。將新拌漿體澆入25 mm×25 mm×285 mm鑄鐵模具中，并進行標準養護24 h。拆模后，浸入飽和Ca(OH)2溶液中48 h。在齡期為72 h時刻測試各試件初始長度和質量，之后繼續測量至4周。3個試塊為一組，測試結果取平均值。干縮和質量損失分別按照式(2)，式(3)計算:

μd=(lT-l0)×106/l0

(2)

md=100×(mT-m0)/m0

(3)

其中，lT為試件長度;l0為72 h初始長度;mT為試件質量;m0為72 h初始質量。

3 結果與討論

3.1 砂漿工作度

玄武巖纖維長度對堿激發砂漿初始擴展度的影響如圖1所示。纖維的加入分別使得擴展度降低的由圖可知玄武巖的加入降低了砂漿的初始擴展度，且隨著長度的增加，工作度損失也相應變大。纖維具有較大的比表面積，長度越長比表面積越大。纖維加入砂漿中纖維表面會與砂漿接觸，吸收部分水分；纖維是一種細長絲狀物，側表面有一定的粗糙度，與砂漿接觸會產生摩擦，組織新拌砂漿的流動變形；纖維長度增加并且在砂漿中分布具有不均勻性，纖維之間會產生互相搭接和團聚現象，都會降低砂漿的初始擴展度。

3.2 抗壓強度

抗壓強度結果如圖2所示。玄武巖纖維的加入提高了堿激發砂漿前期的強度。1 d,3 d和7 d試驗組與空白組對比最多分別提高了6.67%,16.95%,14.46%。由圖2可知試驗組砂漿強度提高量與摻入纖維長度之間呈正相關關系。纖維的摻入可起到橋接、傳遞應力的作用，阻礙裂紋擴展和混凝土開裂，限制抗壓過程中混凝土在載荷下的尺寸變化，提高混凝土的抗壓強度[11]。纖維長度越長，搭接傳力效果越顯著。但28 d試驗組強度提高率與前期相比均呈現下降趨勢，BF9組7 d強度提高率低于3 d且在28 d砂漿強度降低了5.59%。因為纖維的加入會吸收部分水分，減小砂漿水灰比，增強了砂漿早期的抗壓強度。到了水化后期，水化不充分，無法形成足夠的具有強度的結構，導致強度降低。同時砂漿體系中含有纖維會增加孔隙率，導致強度下降。所以，纖維的加入對砂漿體系抗壓強度的影響是一種耦合作用，前期主要靠降低水灰比和纖維搭接作用提高強度，后期會因為孔隙的增多和水化不充分損失部分強度。在體摻0.6%纖維的前提下，BF6效果最佳。

3.3 抗折強度

纖維對砂漿抗折強度影響結果如圖3所示。纖維的加入明顯提高了砂漿的抗折強度。1 d齡期試驗組強度均低于空白組，隨后幾個齡期試驗組強度普遍高于空白組。纖維的加入能夠提高強度是因為纖維在砂漿中可以起到橋結合錨固作用，延緩裂紋的延展，測試抗折強度時，Con組會立即斷裂，試驗組試塊在斷裂處產生裂紋失效后仍為一個整體。BF3組在三個齡期提高率在5%～7%；BF6組在3 d,7 d,28 d分別提高了8.21%,21.62%和21.49%；BF9組在28 d提高了19.29%，但在前期增強效果并不明顯。表明纖維長度的增加會增加抗折強度，但存在最優摻量，長度過長會產生纏結團聚，反而會降低砂漿抗折強度。本實驗纖維長度為6 mm時效果最優。

3.4 自收縮

纖維對堿激發—砂漿自收縮影響結果如圖4所示。Con組自收縮值為1 600 μm，BF3組1 800 μm，自收縮擴大了12.5%，BF6,BF9兩組自收縮分別為1 950 μm和2 000 μm，自收縮增加了21.88%和25%。玄武巖纖維導致砂漿自收縮變大，且收縮值隨纖維長度增加而增加。自收縮是砂漿在水化過程中因為水分不斷消耗，體系內毛細孔隙產生負壓導致的砂漿收縮現象。砂漿自收縮變大表明纖維的加入增加了砂漿體系內部毛細孔壓力，這是因為纖維吸收體系中部分水化水導致的。但同時也可看出隨著纖維長度增加，兩組自收縮曲線間距離在不斷縮小，說明自收縮增加的速率在變小。表明后期纖維的搭接傳力消除了部分自收縮，長度越長，效果越好。

3.5 干縮

纖維砂漿干縮及試件失水率如圖5所示。纖維的加入可以抑制干縮的增加，BF9組干縮值最小，與Con組相比減小了6.67%。纖維的吸水保濕效果對砂漿干縮依然有效，這點由水失率圖便可看出。由圖5可知前7 d所有組別干縮曲線下降較快且趨勢一樣，但由水失率圖可以得出5 d之后砂漿水失率便開始減小，表明纖維的加入在前期的抑縮作用不占主導。干縮值約為1 400 μm，尚未達到1 600 μm，此時體系收縮還是以自收縮為主。隨后試驗組干縮曲線便開始下降緩慢，纖維的抑縮作用在砂漿中開始凸顯，纖維長度越長，效果越好，BF9組效果與BF6組類似。

4 結論

本試驗研究了在同一體積摻量(0.6%)下玄武巖纖維長度對堿激發—礦渣砂漿強度和收縮性能的影響，由以上試驗內容可以得出以下結論：

1)玄武巖纖維的加入會降低新拌砂漿的工作度，且礦渣砂漿的流動度隨著纖維長度的增加而逐漸降低；

2)玄武巖纖維對砂漿的力學性能具有增強效果。砂漿的抗壓強度和抗折強度均隨著纖維的加入而提高，6 mm的玄武巖纖維對砂漿力學性能的提升幅度最大。BF6組28 d抗壓強度提高了5.58%，抗折強度提高了21.49%；

3)玄武巖纖維的加入抑制砂漿的干縮，纖維長度越長，干縮抑制作用越明顯。干縮是表征混凝土耐久性能，干縮的下降表明纖維可以提高砂漿的耐久性能；但纖維的加入也會增大砂漿的自收縮。