玄武巖纖維和乳膠粉對混凝土力學性能影響的試驗研究

【摘 要】玄武巖纖維+乳膠粉混凝土是一種新型混凝土材料，通過抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉以及彈性模量試驗，得出玄武巖纖維最優摻量為0.3%；乳膠粉摻量為1.5%時，除彈性模量有所下降，其他力學性能指標均有所提高。玄武巖纖維+乳膠粉這種新型混凝土有利于提高了混凝土的抗裂能力，尤其對薄壁構件或對抗裂性能要求較高的結構有參考意義。

【關鍵詞】玄武巖纖維; 乳膠粉; 混凝土; 力學性能

【中圖分類號】TU528.572【文獻標志碼】A

0 引言

在建筑領域發展日新月異的今天，尤其是在道路、橋梁、建筑、港口、碼頭、大壩、機場，以及南極的考察站和海洋的鉆井平臺等領域，對混凝土適用性的要求越來越高，為了擴大混凝土的應用范圍以及提高混凝土的適用性，必須探索出對混凝土本身脆性大、韌性差等缺陷的改善方法。玄武巖纖維作為21世紀節能、環保、無污染的“綠色工業材料”，因其在強度、耐高低溫可在-260～700 ℃范圍內連續工作、耐腐蝕、隔熱、隔音等優異性能收到國內外各界學者的高度關注［1］。為了探究玄武巖纖維與乳膠粉摻入到混凝土中力學性能的變化，對玄武巖纖維混凝土和玄武巖纖維+乳膠粉混凝土進行抗壓、劈裂抗拉、抗折以及彈性模量等力學性能試驗，以期玄武巖纖維這種新材料可以彌補混凝土本身的一些缺陷。

1 試驗

1.1 實驗原材料

（1）水泥：采用P.O52.5普通硅酸鹽水泥。

（2）粗骨料：采用5～20 mm的連續級配碎石，含泥量低于0.5%。

（3）細骨料：天然中粗河砂，含泥量不大于1.5%。

（4）摻合料：成都采用神華四川能源有限公司江油發電廠I級粉煤灰和四川雙實建筑新材料有限公司S95礦渣粉。

（5）減水劑：聚羧酸系高性能減水劑，含固量25%，減水率29%。

（6）可再分散性乳膠粉：可再分散性乳膠粉主要技術指標見表1。

（7）短切玄武巖纖維：性能指標見表2。

（8）水：清潔自來水。

1.2 配合比

混凝土配合比具體見表3，玄武巖纖維體積分數共六種，分別是0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%，體積分數換算為對應的質量羅列在表3最后一列，考慮在玄武巖纖維最佳體積摻量中加入4種乳膠粉的質量分數的摻量0.05%、0.10%、0.15%、0.20%，乳膠粉的質量分數為乳膠粉占總膠凝材料質量的百分比。混凝土生產過程中確保其良好的和易性、流動性、粘聚性，初始坍落度控制在80～120 mm。

2 試驗結果及分析

2.1 玄武巖纖維混凝土力學性能試驗

采用GB/T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》相應試驗規程對玄武巖纖維混凝土開展試驗研究［2］，主要是抗壓、抗折、劈裂抗拉和彈性模量四種力學性能試驗，試驗結果見表4，不同纖維摻量下，混凝土拉壓比、折壓比見

圖1和圖2。

（1）試驗結果顯示，玄武巖纖維并未改善混凝土抗壓強度，反而在一定程度上降低了其抗壓強度，混凝土抗壓強度隨著纖維摻量的增加表現出先降低后提高，當纖維摻量增至0.3%后再次降低的現象，這表明，玄武巖纖維并不能改善混凝土抗壓強度，反而抑制了其早期強度發展［3］。

（2）試驗結果顯示，抗折和劈裂抗拉強度均隨纖維摻量的增加先增大后降低，且纖維體積摻量最佳摻量為0.3%。抗折強度和劈裂抗拉強度并沒有持續增大的原因主要是在超過當最優纖維摻量時，混凝土內部結構達到了最佳密實度，后續持續增加纖維反而會使得纖維不能被充分量的混凝土包裹，混凝土的密實度必然會降低，導致混凝土內部出現微裂紋和氣孔，導致混凝土強度降低［4］。

（3）由于折壓比和拉壓比越大，說明混凝土抗裂性能越好，混凝土柔韌性越大。從圖1和圖2得出，折壓比和拉壓比隨纖維摻量的增加而增大，這表明玄武巖纖維能在一定程度上約束混凝土試件的開裂，一直裂縫的發展，改善其脆性特征。

（4）摻入的玄武巖纖維量越來越大使得混凝土的彈性模量先提高后降低，在纖維體積摻量為0.2%～0.3%取得最大值。彈性模量先提高后降低主要因開始加入玄武巖纖維，與骨料共同承受能量，減少了混凝土內外的應力梯度，增強了混凝土抵抗變形的能力，但是過多的的纖維會拉動更多的水泥砂漿，降低混凝土的流動性以及和易性，增加混凝土內部孔隙率，導致混凝土內部出現多個薄弱點，從而降低了混凝土抵抗變形的能力，使得彈性模量下降［5］。

2.2 玄武巖纖維+乳膠粉混凝土力學性能試驗

上述試驗表明，玄武巖纖維最佳體積摻量為0.3%時混凝土綜合力學性能最優，因此探究玄武巖纖維和乳膠粉復合對混凝土力學性能的作用時在纖維體積摻量為0.3%的基礎上復合四種乳膠粉，乳膠粉質量分數0.05%、0.10%、0.15%、0.20%，外摻乳膠粉的質量分數為乳膠粉占總膠凝材料質量的百分比，試驗結果見表5。

試驗結果表明，在摻入玄武巖纖維的混凝土中摻入乳膠粉，能提高混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度，且在乳膠粉摻量為0.15%時達到最優，當乳膠粉超過0.15%后強度開始下降，說明乳膠粉的摻入可以提高混凝土的強度；同時彈性模量隨著乳膠粉的摻入呈下降趨勢，表明乳膠粉可以增加混凝土的柔性，提高混凝土抗裂性。

3 結論

（1）玄武巖纖維并未改善混凝土抗壓強度，但是對混凝土抗折和劈裂抗拉強度有促進和提高作用，且在纖維體積摻量為0.3%時力學性能最優；折壓比、拉壓比均隨纖維摻量的增加而增大，說明玄武巖纖維降低了混凝土的脆性的同時提高了其韌性和抗裂性；隨著玄武巖纖維的摻入，混凝土彈性模量呈現先升高后降低的趨勢，且在纖維體積摻量為0.2%～0.3%出現峰值。

（2）玄武巖纖維+乳膠粉復合摻入混凝土中提高了混凝土的抗壓、抗折、劈裂抗拉強度，降低了彈性模量，這說明乳膠粉的摻入對混凝土強度提高有一定的作用，同時增加了混凝土的柔性，提高了混凝土的抗裂能力。

（3）玄武巖纖維摻入混凝土中可以明顯改善混凝土的力學性能，值得推廣和應用，研究學者以及工程人士應協力拓寬其在工程中的研究和應用。

參考文獻

［1］ 趙亮.玄武巖纖維對水泥基材料力學性能的影響［J］.混凝土與水泥制品，2012（9）：46.

［2］ 普通混凝土力學性能試驗方法標準： GB/T50081-2002［S］.

［3］ 張蘭芳，尹玉龍，劉晶偉，等.玄武巖纖維增強混凝土力學性能的研究［J］.硅酸鹽通報，2014，33（11）：2834-2837.

［4］ 趙鵬飛，畢巧巍，楊兆鵬.混雜粗纖維輕骨料混凝土的力學性能及耐久性的試驗研究［J］.硅酸鹽通報，2008，27（2）：852-856.

［5］ 廉杰，楊勇新，楊萌，等.短且玄武巖纖維增強混凝土力學性能的試驗研究［J］.工業建筑，2007，37（6）：8-10.

［基金項目］玄武巖纖維混凝土軌道板開發技術研究（項目編號：2018-03-01A）

［作者簡介］李曉靜（1988—），女，碩士，工程師，主要從事軌道交通科技管理工作。