玄武巖纖維長度對噴射混凝土抗碳化和抗?jié)B性能影響的試驗研究

王先剛，楊 柳

(四川炬原玄武巖纖維科技有限公司，四川達州 635000)

噴射混凝土材料常用于隧道及巷道工程的初期和永久支護，但由于其施作方法特殊會在結構內部產生更多的微裂隙，降低結構的力學性能[1-3]。玄武巖纖維作為一種新型材料[4],正被廣泛應用于工程領域。

有大量學者[5-7]對酸堿環(huán)境對玄武巖耐久性的影響進行了研究；蘇青青[8]針對玄武巖纖維和聚丙烯纖維抗?jié)B性進行了研究，確定了二者抗?jié)B性皆優(yōu)于普通混凝土，但聚丙烯纖維效果稍強；尹玉龍[9]研究玄武巖纖維單摻以及與礦物摻合料混摻對混凝土的力學性能、耐久性能的影響，并通過微觀檢測技術，從微觀角度結合宏觀性能進行相關機理分析；陳峰等[10]通過滲透性試驗、抗氯離子滲透性試驗和掃描電鏡試驗進行研究玄武巖纖維對水泥土抗?jié)B性的影響，摻入質量分數分別為0、0.5%、1.0%和1.5%的玄武巖纖維，得到玄武巖纖維水泥土的滲透系數和電通量值，獲得了最優(yōu)的摻量值；張克純[11]通過配合比方法設計10組混凝土試塊,進行抗?jié)B、抗裂和抗壓性能測試，研究了聚丙烯纖維和玄武巖纖維對混凝土耐久性性能的影響。王海良等[12]及曹磊[13]對凍融循環(huán)作用下的玄武巖纖維混凝土耐久性影響進行了研究；郭瑞晉[14]對不同高溫環(huán)境作用后的玄武巖纖維混凝土的力學性能進行了研究；胡婧[15]采用快速氯離子遷移系數法、快凍法對玄武巖纖維混凝土的抗氯離子滲透性能及抗凍性能進行研究，得到纖維高強混凝土的氯離子擴散系數與纖維體積率的關系式及凍融損傷模型。

綜上所述，目前對玄武巖混凝土耐久性的研究多局限于對其抗?jié)B性能、抗凍性能的研究以及酸堿性狀態(tài)下玄武巖混凝土的耐久影響，對玄武巖纖維長度對其耐久性影響的研究較少。本文通過設計不同長度玄武巖纖維下的混凝土工況，從抗水滲透性能，抗碳化性能2個方面對其進行測試分析，得到對不同長度玄武巖纖維對玄武巖混凝土耐久性的影響程度，并從微觀層面對其成因進行分析。

1 試驗設計

本次試驗所使用的3種規(guī)格的玄武巖纖維均是由連續(xù)玄武巖原絲短切而成的，纖維如圖1所示。具體指標詳見表1，配合比、材料用量及部分材料參數詳見表2。

圖1 玄武巖纖維

表1 玄武巖纖維性能指標

將摻入不同長度(6 mm、16 mm、50 mm)玄武巖纖維的噴射混凝土、素噴射混凝土共分為4組工況，詳見表3。并對不同工況噴射混凝土展開力學和耐久性試驗探究，試驗內容見表4。

2 試驗流程

試驗中所使用的試件拌和、噴射、切割及養(yǎng)護均按照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》和CECS13：2009《纖維混凝土試驗方法標準》中規(guī)定執(zhí)行。拌和玄武巖纖維混凝土時為防止纖維“團聚”，采用“二次攪拌法”，先將纖維與骨料、水泥干拌均勻后，再添加水、外加劑進行濕拌。噴射試件在養(yǎng)護28天，切割成型之后，按表4中規(guī)范要求進行試驗。耐久性試驗中抗水滲透試驗選擇規(guī)范中的“逐級加壓法”，抗凍試驗選擇“快凍法”(圖2、圖3)。

表2 配合比及材料用量

表4 試驗內容 單位:mm

圖2 纖維噴射混凝土板制備

3 試驗結果

3.1 抗水滲透試驗分析

抗?jié)B試驗部分試件如圖4所示，依照試驗規(guī)范中“逐級加壓法”進行試驗后，試驗結果見表5。

圖3 實驗流程

圖4 抗?jié)B試驗部分試件

從表5可知，所有工況試件的抗?jié)B等級均大于P12，都具有良好的抗?jié)B性能，為進一步比較抗?jié)B性能的優(yōu)劣，以滲水時的靜水壓力作為抗?jié)B能力的評價指標進行比較。可以看到玄武巖纖維摻入可以有效提高混凝土的抗?jié)B能力，纖維長度對混凝土抗?jié)B能力有影響，3種長度抗?jié)B能力：BF16>BF6>

表5 抗?jié)B試驗結果

圖5 靜水壓力增幅百分比

BF50(表6)。

為進一步分析不同纖維對噴射混凝土的抗?jié)B能力提升效果普通混凝土組作為基礎，計算不同工況的提升百分比，并作柱狀圖如圖5所示。

從圖5可以更加清晰的看出各個工況相較于普通噴射混凝土試件的抗?jié)B能力增幅情況，3種長度玄武巖纖維抗?jié)B能力增幅分別為30%、46%、16%，BF16增幅最大，BF50增幅最小僅為BF16的1/3。

表6 不同工況平均靜水壓力

在混凝土中摻入纖維后，由于其雜亂地分布在混凝土中，形成了空間網狀結構，減少了新拌混凝土的離析，提高了混凝土的保水性，減少了硬化后混凝土中的孔道與缺陷，從而提高了混凝土的抗?jié)B性；另一方面，由于保水性的改善使得水泥漿體在混凝土中的水化更加均勻、徹底，抗?jié)B性得到提高。此外，纖維可有效抑制混凝土早期裂縫的產生與發(fā)展，減少混凝土中的缺陷，從而改善混凝土的抗?jié)B性。不同長度的玄武巖纖維對抗?jié)B能力的作用效果不同，主要原因在于不通長度纖維在混凝土基體中的分散均勻性不同，長度越長，分散越不均勻，對性能提升效果越差，BF50纖維長度過長，分散不均勻，抗?jié)B能力最差；而一定長度的纖維在混凝土中起到橋接裂縫的作用，纖維長度越短，此效果越不明顯，所以BF16增大大于BF6。

3.2 抗碳化試驗分析

當碳化時間到達3天、7天、14天和28天時，分別取出試件，破型測定碳化深度，部分破型試塊照片見圖6。

圖6 玄武巖纖維混凝土碳化破型試塊

根據數據結果繪制各工況各測量面碳化深度曲線，如圖7所示。

圖7 不同工況不同檢測面碳化深度

從圖7中可以看到，由于噴射混凝土的不均勻性，同工況試件的不同檢測面的碳化深度存在不均勻性，但整體滿足，頂面碳化深度最深、碳化速度最快、底面次之，頂面碳化深度和速度最小的特點，此規(guī)律對于各種工況試件都適用，表明此規(guī)律是普遍適用于噴射混凝土試件的，與是否加入纖維無明顯聯(lián)系。分析原因為：考慮施工工藝的影響，施工工藝主要通過影響混凝土的密實性來影響其碳化性能，噴射混凝土成型過程中其拌合料以較高速度噴向受噴面，水泥與骨料受到連續(xù)沖擊得以壓實，提高了混凝土的密實性，因此碳化速度較慢；同時由于施工時回彈料的裹入、含水量人為控制等都可能造成其均質性降低，尤其沿垂直噴射方向(試件側面)易出現孔洞、未水化夾層等缺陷使得混凝土局部密實度降低，抗碳化性能下降，故試件側面的碳化深度較大。其次，噴射初期由于料束與巖壁(模底)發(fā)生碰撞，回彈較大，混凝土密實度較低，而噴層達一定厚度時便形成塑性墊層，料束粘結性能增強、回彈降低、密實度提高，因此試件頂面的碳化速度低于底面(圖8)。

圖8 缺陷較明顯試件

從圖8可以看到，隨著碳化時間的增長，混凝土碳化深度變化情況滿足逐漸增大的趨勢，不同工況的變化趨勢存在些許差異。其中BF50摻入混凝土對混凝土抗碳化起負作用，14天齡期之前碳化深度增長較快，14天后幾乎無明顯增長，原因是BF50因尺寸較大，前期在混凝土基體中分散較其余工況更加不均勻，橫跨水泥基體和骨料，形成部分微裂縫，并且隨著碳化時間的增長，CO2較容易沿微裂縫侵入混凝土內，在14天左右時間已經完成大部分侵入，后續(xù)增加碳化時間，影響較小。

SF摻入混凝土中，對混凝土抗碳化性能增幅最大，SF工況碳化深度變化規(guī)律與BF50工況較為相似，滿足前期增幅大，后期增幅較小的效果。

BF6、BF16摻入混凝土后混凝土碳化深度隨齡期增長規(guī)律與普通混凝土組相近，整體增長幅度較為均勻，隨時間增長幅度逐漸減小。對比發(fā)現，3天時除BF50碳化深度較其他工況組深，其他各組碳化深度相差不大，早期鋼纖維體現較好的抗碳化性能，相較于普通混凝土，減少了72.3%，BF6和BF16組雖有降低，但幅度較小。

7天、14天及28天時，玄武巖纖維的碳化深度整體規(guī)律接近，說明BF對抗碳化能力的提高能力較為穩(wěn)定，14天時鋼纖維碳化深度與BF6和BF16較為接近，較7天時增幅較大，而28天時較14天增幅較小，說明SF對混凝土抗碳化能力的提升，早期較為明顯。

纖維增強混凝土抗碳化性能主要表現在空隙填充和減少裂隙2個方面。一方面，混凝土作為一種復合材料，本身存在很多相互連通的孔洞;一定量纖維的摻入，在其內部形成復雜的三維亂向體系，亂相分布的纖維能夠阻礙粗骨料的下沉，使混凝土內部更加均勻，減少混凝土中的固有孔洞，從而提高混凝土密實度。鋼纖維因為具有較高的基礎強度，在支撐粗骨料，防止其下沉方面具有更好的效果，而粗骨料下沉階段發(fā)生與混凝土早期，因此早期鋼纖維具有較好的作用效果，與試驗結果相符。

纖維的摻入還可以減小混凝土碳化速率。混凝土碳化后，碳化產物填充孔隙、改善顆粒界面結構，大孔隙相對減少，孔徑分布較為均勻，纖維的摻入降低了混凝土基體的總孔率，隔斷了部分水分溢出的通道，減少了內部水分的流失和蒸發(fā)速度，使混凝土內部水化更加充分，為混凝土碳化提供了更多的原料，生成更多的CaCO3來填充孔隙，減緩后期CO2的侵入，減小了混凝土的碳化速率。

大量分布在砂漿中的纖維會使砂漿中的毛細孔變小，毛細管細化甚至堵塞，另外，纖維的加入減少或阻止了混凝土中裂縫的形成、生長及擴展，并阻斷裂紋的連通，也就是說，在纖維混凝土中，纖維削弱了CO2的擴散途徑，抑制了CO2的擴散，故纖維混凝土的抗碳化能力高于基準混凝土。

4 結束語

本文對相同體積摻量(4 kg/m3)不同長度(6 mm、16 mm、50 mm)玄武巖纖維(BF)的噴射混凝土(BFRSC)和素噴射混凝土(PC)進行了抗水滲透實驗分析、抗碳化實驗分析以及抗凍實驗分析，分析使用不同長度玄武巖纖維對于噴射混凝土耐久性能的影響和其成因。結果表明：

(1)玄武巖纖維摻入可以有效提高混凝土的抗?jié)B能力，纖維長度對混凝土抗?jié)B能力有影響，3種長度抗?jié)B能力：BF16>BF6>BF50，其中BF16對抗?jié)B能力增幅達到46%。

(2)SF早期對混凝土抗碳化性能增幅最大，相較于普通混凝土，碳化深度減少了72.3%。

(3)BF對抗碳化能力的提高能力較為穩(wěn)定，7天、14天及28天時，不同長度玄武巖纖維混凝土的碳化深度整體規(guī)律接近。綜上所述，16 mm長度的玄武巖纖維對噴射混凝土抗?jié)B性能增幅最大，不同長度玄武巖纖維對噴射混凝土提升幅度相差不大。