玄武巖纖維-沙漠砂噴射混凝土基材力學性能研究

管 裕，安巧霞，王 寧，王 柯，吳 斌

（1.塔里木大學水利與建筑工程學院，新疆 阿拉爾 843300；2.塔里木大學南疆巖土工程研究中心，新疆 阿拉爾 843300；3.山東天健信達工程咨詢有限公司，山東 臨沂 276000）

新疆阿拉爾位于塔克拉瑪干沙漠邊緣，擁有豐富的沙漠砂資源，但由于沙漠砂獨特的物理化學性質未能廣泛應用于建筑工程中。本團隊前期結合該地區豐富的沙漠砂資源，將沙漠砂替換噴射混凝土中的普通山砂，研究0%、10%、20%、30%、40%、50%沙漠砂替換率下噴射混凝土物理力學性能。研究發現，隨著沙漠砂替換率的增加混凝土依然保持良好的抗壓強度，但抗劈裂強度和抗折強度隨著沙漠砂替換率的增加而降低，最后確定沙漠砂在噴射混凝土中的最佳替換率為10%。為進一步提高沙漠砂利用率，本研究通過研究在50%替換率下添加玄武巖纖維改善沙漠磨砂噴射混凝土物理力學性能，進一步提高沙漠砂利用率的可行性。

玄武巖纖維（Basalt Fiber，簡稱BF）是由天然的玄武巖石料，經過1 450～1 500 ℃融化后，采用鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續纖維。因其與混凝土具有天然的相容性，有著優異的力學性能和良好的耐久性能，被認為是“21 世紀的純天然高性能纖維”[1]。近年來大量學者對玄武巖纖維進行了大量的研究。徐路等人[2]研究發現玄武巖纖維在混凝土中具有良好的分散性能，玄武巖纖維摻入到噴射混凝土中可有效提高混凝土的延性。SⅠM 等人[3]進行了CBF 加固梁等混凝土構件的適應性研究，結果表明在在耐高溫和改善梁的屈服性能上要優于玻璃纖維和碳纖維；國內的廉杰、鄧宗才、吳釗賢等人[4-6]也對不同纖維摻量的BFRC力學性能進行了試驗研究，結果表明：CBF 在骨料結合界面具有良好的聯結性能，提高了混凝土內部結構的密實度，降低了孔隙率，從而提高了混凝土的各項力學性能，特別在早期抗壓強度增強效果尤為顯著。CBF 的體積摻量和長徑比對混凝土的強度也有一定影響，其中，CBF 摻量對混凝土的影響較為顯著。因此，可以通過最優的體積摻量和長徑比的確定來提高混凝土性能。

本試驗圍繞進一步提高沙漠砂利用率這一主旨，通過研究在50%替換率下添加玄武巖纖維改善沙漠砂噴射混凝土物理力學性能，使之達到更好的力學性能，為玄武巖纖維-沙漠砂噴射混凝土應用提供理論依據。

1 試驗

1.1 試驗材料

采用新疆青松化工集團股份有限公司的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，具體性能見表1。采用塔克拉瑪干沙漠邊緣沙漠砂，按50%替代阿克蘇地區生產的細度模數為2.57 的水洗中砂，配置細集料。采用阿克蘇地區生產的粒徑為5～10 mm 的水洗石。采用湖南中巖建材科技有限公司聚羧酸高效減水劑。拌和水和養護水均采用自來水。采用上海臣啟化工科技有限公司生產的18 mm 短切玄武巖纖維，具體性能見表2。

表1 水泥各項性能指標

表2 玄武巖纖維物理力學性能

1.2 配合比設計及試件制作

結合實際工程及以往研究經驗，為研究通過添加玄武巖纖維改善沙漠砂噴射混凝土物理力學性能的可行性。根據試驗規范[7]，以50%沙漠砂替換率下沙漠砂噴射混凝土配合比為基準，分別設置了玄武巖纖維摻量為0 kg/m3、1 kg/m3、2 kg/m3、3 kg/m3、4 kg/m3、5 kg/m3的6 組玄武巖纖維-沙漠砂噴射混凝土配合比。嚴格按照規范要求加工、制作及養護試塊。本試驗所有試塊均進行標準養護。其中抗壓試塊、抗劈裂試塊采用5 組、每組3 塊、每塊為100 mm×100 mm×100 mm（長×寬×高）規格的立方體試塊，采用YA-2000 電液伺服壓力機測試其3 d、7 d、28 d 強度。抗折采用100 mm×100 mm×100 mm（長×寬×高）的長方體試塊，測試其3 d、7 d、28 d 抗折強度，具體配合比見表3。

表3 玄武巖纖維-沙漠砂噴射混凝土基材配合比

2 試驗結果及分析

2.1 BF 摻量對BF-DSSC 抗壓強度的影響

BF 摻量對DSSC 立方體抗壓強度的影響如圖1 所示，從圖1 可以發現，隨著玄武巖纖維摻量的增加，噴射混凝土抗壓強度都經歷了一個先上升后下降的過程，玄武巖纖維摻量在2 kg/m3時抗壓強度到最高，3 d、7 d、28 d 抗壓強度分別達30.86 MPa、34.89 MPa、41.15 MPa，而后隨著玄武巖纖維摻量的提高，立方體試塊抗壓強度逐步降低并在4 kg/m3時最低，3 d、7 d、28 d 抗壓強度分別為26.93 MPa、30.64 MPa、37.62 MPa。分析原因主要是分散良好的玄武巖纖維能與混凝土機體一起發揮良好的協同作用，在一定程度上增加了混凝土的抗壓強度[8-9]，但隨著摻量的提高，不可避免地出現纖維結團效應，同時過量的玄武巖纖維也會造成混凝土工作性能下降，極易造成振搗不夠密實，孔隙率增加的情況，降低了試塊抗壓強度。BF 摻量對試塊抗壓破壞形態的影響如圖2 所示，觀察圖2 發現，隨著纖維摻量的提高，試塊細小裂縫開始減少，貫通裂縫增多，這是由于玄武巖纖維在混凝土內部起到了加筋效應，試塊完整性提高，試塊表現出良好的整體性。

圖1 BF 摻量對DSSC 立方體抗壓強度的影響

圖2 BF 摻量對試塊抗壓破壞形態的影響

2.2 BF 摻量對BF-DSSC 劈裂抗拉強度的影響

BF 摻量對DSSC 劈裂抗拉強度的影響如圖3 所示。從圖3 中發現玄武巖纖維的摻入可有效提高沙漠砂噴射混凝土的劈裂抗拉強度，發展趨勢呈現先增長后降低的趨勢。當纖維摻量為1 kg/m3時劈裂拉伸強度最大，相對于基準組3 d、7 d、28 d 強度分別提升100%、35.98%、14.29%，達2.32 MPa、2.57 MPa、2.88 MPa。當BF 摻量超過1 kg/m3時強度呈現逐步降低的趨勢，并在4 kg/m3時強度最低，分別為2.00 MPa、2.29 MPa、2.47 MPa。試件28 d 強度BF-1 拉壓比相比BF-0 提高1.07 倍，故發現BF 的摻入提高了混凝土的拉壓比，有效地限制了混凝土裂縫的發展，提高了混凝土的延性。BF 摻量對試塊劈裂抗拉破壞形態的影響如圖4 所示，觀察圖4 試塊破壞形態，試塊受力后隨著壓力的提高，當混凝土中不含纖維時，裂縫一旦出現將迅速發展并貫通破壞，試塊破壞過程表現出明顯的脆性特征。當混凝土中摻入玄武巖纖維時，隨著壓力的提高，試塊表面開始出現裂縫，隨著裂縫的產生，試件裂縫處發生應力重分布，裂縫處拉應力由混凝土向纖維轉移，保證了試塊應力均勻，有效限制了裂縫的發展，試塊破壞過程表現出明顯的塑性特征[10]。隨著纖維的摻入試塊完整性得到提高。

圖3 BF 摻量對DSSC 劈裂抗拉強度的影響

圖4 BF 摻量對試塊劈裂抗拉破壞形態的影響

2.3 BF 摻量對BF-DSSC 抗折強度的影響

BF 摻量對DSSC 抗折強度的影響如圖5 所示，從圖5 中可知玄武巖纖維的摻入可有效提高沙漠砂噴射混凝土的抗折強度，發展趨勢基本呈現先增長后降低的趨勢，并且在摻量為4 kg/m3時表現最好，3 d、7 d、28 d 抗折強度分別達到2.975 MPa、3.656 MPa、4.225 MPa，相較于基準組BF-0 抗折強度分別提高了28%、37%、35%，當玄武巖纖維摻量超過4 kg/m3時強度開始表現出下降的趨勢。試塊破壞過程中未添加玄武巖纖維的試塊破壞發生突然，表現出明顯的脆性特征；當混凝土中摻入玄武巖纖維后，在力的作用下試塊開始出現裂縫，由于纖維的存在，裂縫處發生了應力重分布，拉應力開始由纖維承擔，因此破壞過程相對較為緩慢，破壞時試塊撓度大表現出明顯塑性特征。

圖5 BF 摻量對DSSC 抗折強度的影響

3 結論

玄武巖纖維與混凝土具有良好的相容性，摻入到混凝土中可改善混凝土的力學性能，是一種值得推廣的纖維增強材料，應拓寬在混凝土材料中的應用。試驗表明，玄武巖纖維摻入可有效提高混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度，當纖維摻量在2 kg/m3時抗壓強度最高，當纖維摻量在1 kg/m3時劈裂抗拉強度最高，當纖維摻量在4 kg/m3時抗折強度最高。玄武巖纖維摻入可改善混凝土破壞形態，提高混凝土塑性。