玄武巖纖維對混凝土的性能影響

喬天龍

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學土木工程學院， 呼和浩特 010051）

0 引言

混凝土的出現(xiàn)為社會的發(fā)展提供了極大的便利，但在某些方面其性能略顯不足，為提高混凝土的各項性能指標，在其制備過程中摻加部分玄武巖纖維是目前有效手段之一。Peng Zhang等[1]對玄武巖纖維的微觀結(jié)構(gòu)進行分析，發(fā)現(xiàn)將其摻入混凝土中，纖維分布隨機、無序形成的三維空間支撐體系，會增強混凝土的韌性。吳釗賢等[2]人通過試驗得出，隨玄武巖纖維摻量的增加，玄武巖纖維混凝土的抗壓強度也逐漸增加，尤其早期強度提高明顯。Long Yang等[3]研究發(fā)現(xiàn)混雜纖維混凝土，可以改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，限制混凝土微裂縫的發(fā)育。楊建新等[4]研究發(fā)現(xiàn)通過改善混凝土的結(jié)構(gòu)，增加混凝土的密實度，改變孔結(jié)構(gòu)，使大孔變?yōu)樾】祝蚨沦惷毧淄ǖ溃梢蕴岣呋炷恋目節(jié)B能力。秦景燕等[5]研究發(fā)現(xiàn)混凝土抗?jié)B性主要與孔隙率和孔隙特征有關(guān)，孔隙很小或含閉口孔隙的抗?jié)B性較好，大孔且連通孔將使抗?jié)B性降低。本文通過在混凝土中摻加不同含量的玄武巖纖維，分析其對混凝土抗壓強度、孔隙結(jié)構(gòu)及抗?jié)B性的影響。

1 試驗材料

水泥：P.O42.5普通硅酸鹽水泥

細骨料：天然水洗河砂，密度為2650kg/m3，細度模數(shù)為2.45。

粗骨料：公稱粒徑5mm～15mm的粗骨料，密度為2750kg/m3。

水：普通自來水。

粉煤灰：采用內(nèi)蒙古呼和浩特市金橋熱電廠Ⅱ級粉煤灰。

減水劑：采用秦奮建材公司生產(chǎn)的液體均衡型聚羧酸系高性能減水劑，減水率為30%。

氣密劑：采用湖北省祥發(fā)化工建材廠生產(chǎn)的混凝土防腐氣密劑。

纖維：選用湖南長沙匯祥纖維有限公司生產(chǎn)的玄武巖纖維，纖維長度12mm，抗拉強度3000～4840Mpa。

2 試驗方案與試驗方法

2.1 試驗方案

本次試驗對普通混凝土和玄武巖纖維混凝土的抗?jié)B性、抗壓強度及微觀結(jié)構(gòu)進行對比分析，討論玄武巖纖維對混凝土性能的影響。前期試驗，通過坍落度及抗壓強度確定混凝土各材料配合比，玄武巖纖維的摻量分別為0.1%，0.15%，0.2%，0.25%，0.3%（體積摻量）。具體配合比如表1：

表1 混凝土配合比Tab 1 Mix ratio of concrete kg/m3

2.2 試驗方法

2.2.1 滲透試驗

本次試驗采用混凝土抗?jié)B儀，試件尺寸為上口徑175mm，下口徑185mm，高150mm，試驗時水壓恒定控制為(1.2±0.1) MPa，24h后取出試件，將其沿著中間劈成兩半，描出水痕，用直尺沿水痕等間距測量10個測點的滲水高度值，精確至1mm，其平均值即為該試件的滲水高度測定值。

2.2.2 抗壓強度試驗

試驗采用300T壓力機，試件尺寸為100mm×100mm×100mm，養(yǎng)護齡期分別為7d和28d。每組試驗3個平行試塊，以3個試件測定值的算術(shù)平均值作為該組試件的抗壓強度值。

2.2.3 核磁共振試驗

試驗所用儀器為MesoMR23-060H-1低溫高壓核磁共振分析與成像系統(tǒng)，將制作好的40mm×40mm×40mm的立方體試塊真空飽水24h，使水充分進入混凝土試塊內(nèi)部孔隙中，將試塊放入儀器內(nèi)，先定標后進行測量，分析混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)變化。

3 試驗結(jié)論

3.1 玄武巖纖維對混凝土抗壓強度的影響

3.1.1 壓力作用下混凝土試塊的破壞情況

普通混凝士試件在加載過程中，隨著豎向裂縫的出現(xiàn)和擴展，伴隨著混凝土表面逐漸剝落碎片的現(xiàn)象，最終破壞迅速，圖（a）為普通混凝土的破壞形態(tài)。而纖維混凝土試件，軸向壓力作用下，混凝土四邊出現(xiàn)破壞，由內(nèi)向外膨脹，呈腰鼓狀，變形是中間小，兩端大，且變化是漸變的，屬于均勻性變形。且加載過程中產(chǎn)生裂縫較少，破壞緩慢，試件表面幾乎沒有碎片脫落，試件破壞后仍然保持完整，也很少出現(xiàn)崩裂現(xiàn)象，圖（b）為玄武巖纖維混凝土的破壞形態(tài)。可以看出，與普通混凝土相比，玄武巖纖維的摻加改變了試塊受壓狀態(tài)下的破壞形態(tài)，在一定程度上有所增強。

圖1 混凝土試塊破壞情況Fig 1 Damage of concrete test block

3.1.2 纖維摻量對抗壓強度的影響

養(yǎng)護時間為7d時，玄武巖纖維摻加0.1% ～0.15%，混凝土的抗壓強度較普通混凝土有所降低，分別降低5%、4%，玄武巖纖維摻量大于0.2% 時，

混凝土的抗壓強度較普通混凝土有所增加，在摻加0.3%時提升最大，提升了7%；養(yǎng)護時間為28d時玄武巖纖維混凝土的抗壓強度均大于普通混凝土，當玄武巖纖維摻量為0.2%時，其對混凝土的抗壓強度的增強效果最佳，最大增幅效果為11%。如圖2為玄武巖纖維摻量不同時，在7d、28d養(yǎng)護齡期下混凝土抗壓強度均值的變化，從圖中可以看出，齡期不同時混凝土抗壓強度的變化也不相同，玄武巖纖維對混凝土的抗壓強度有一定的增強作用，但增幅效果并不明顯，隨著纖維摻量的變化，其增強效果也不相同，玄武巖纖維存在相對最佳摻量使混凝土抗壓強度效果最好。

圖2 玄武巖纖維混凝土的抗壓強度值Fig 2 Compressive strength value of basalt fiber concrete

3.2 玄武巖纖維對混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的影響

3.2.1 玄武巖纖維混凝土內(nèi)部孔隙率變化

圖3 玄武巖纖維混凝土孔隙率變化規(guī)律Fig 3 The change law of basalt fiber concrete porosity

圖3為分別養(yǎng)護7d、28d時，玄武巖纖維的摻量對混凝土孔隙率的影響規(guī)律。由圖可知：摻入適量玄武巖纖維可使普通混凝土孔隙率降低，纖維摻量為0.2%時孔隙率達到2.61%，與普通混凝土孔隙率4.05%相比優(yōu)化較為明顯。隨著纖維摻量增加，孔隙率呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，一方面說明混凝土內(nèi)摻入纖維存在最佳摻量，另一方面在試驗過程中，隨著纖維摻量增多，容易發(fā)生纖維分散不均，在攪拌過程中產(chǎn)生結(jié)團現(xiàn)象，導致混凝土內(nèi)部孔隙增加。纖維混凝土養(yǎng)護7d和28d對比，28d養(yǎng)護齡期時混凝土孔隙率顯著降低，主要原因是水泥水化過程中產(chǎn)生的C-S-H晶體，C-S-H晶體在不斷增長的過程中使混凝土內(nèi)部孔隙逐漸被填充，減小混凝土內(nèi)部孔隙的總體積從而導致孔隙率減小，在7d到28d養(yǎng)護過程中，玄武巖纖維混凝土混凝土孔隙率降低了3.94%，結(jié)合抗壓強度試驗的變化規(guī)律可知，結(jié)果基本遵循隨著孔隙率降低，混凝土越加緊密，抗壓強度逐漸增加，表明混凝土宏觀力學性能與微觀孔結(jié)構(gòu)之間存在一定的關(guān)聯(lián)性。

3.3 玄武巖纖維混凝土孔結(jié)構(gòu)與抗壓強度擬合分析

從玄武巖纖維混凝土的抗壓強度和孔隙變化分析宏觀力學和微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，線性擬合纖維混凝土的孔隙率和抗壓強度數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖4所示。從圖中可知，擬合的結(jié)果以單調(diào)遞減的趨勢呈現(xiàn)，說明孔隙率與抗壓強度呈負相關(guān)的關(guān)系，相關(guān)性為0.9252，擬合效果良好。相關(guān)性（R2）越高，擬合效果越好，但單純的分析孔隙率并不能很好的對應(yīng)其抗壓強度，孔隙率只是水泥硬化過程中的產(chǎn)物，除此之外，抗壓強度還會受骨料強度、環(huán)境溫度和環(huán)境濕度等不可抗拒因素影響。玄武巖纖維混凝土的抗壓強度會在一定程度上取決于內(nèi)部孔隙率的變化，在己知混凝土孔隙率多少時，可大致判斷抗壓強度大小。

圖4 玄武巖纖維混凝土孔隙率與抗壓強度擬合結(jié)果Fig 4 Fitting results of porosity and compressive strength of basalt fiber concrete

3.4 玄武巖纖維混凝土的抗?jié)B性

如表2所示，混凝土的滲水高度為2.63cm，而玄武巖纖維混凝土的滲水高度為1.75cm,相對于纖維混凝土下降了33%，說明玄武巖纖維的摻入有效的提高了混凝土的抗?jié)B性能，因為纖維的彈性模量高于凝結(jié)初期混凝土基體的彈性模量，其數(shù)以千萬計的均布于水泥基材中，提高了混凝土塑性和硬化初期抗拉強度，有效地抑制了混凝土早期收縮裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，并在混凝土基體中起著阻裂的作用，增強了混凝土顆粒間的聯(lián)接性，填充了內(nèi)部孔隙，從而使抗?jié)B性增強。

表2 纖維混凝土的抗?jié)B性Tab 2 Impermeability of fiber concrete

4 結(jié)論

（1）在加載過程中，普通混凝土試塊表面出現(xiàn)碎片剝落現(xiàn)象，破壞迅速，玄武巖纖維混凝土試塊裂縫較少，破壞緩慢，玄武巖纖維的摻加改變了混凝土受壓狀態(tài)下的破壞形態(tài)。

當玄武巖纖維摻加0.2%時，養(yǎng)護28d后混凝土的抗壓強度達到最大值，為40.47MPa，相比于普通混凝土增加了11%。

（2）玄武巖纖維混凝土隨纖維摻量增加，孔隙率呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢，當摻加0.2%時孔隙率最小，為2.61%；養(yǎng)護齡期從7d增加到28d時，玄武巖纖維混凝土孔隙率降低了3.94%。

（3）玄武巖纖維混凝土的抗壓強度與孔隙率呈較好的負相關(guān)關(guān)系。

（4）玄武巖纖維的摻入使混凝土的抗?jié)B性有效增強，其滲水高度相對于普通混凝土下降了33%。