玄武巖纖維水泥膠砂力學性能試驗研究

2024-02-26 02:00:22姜國新郭俊利羅茂盛彭章雅王筱紅

水力發電 2024年2期

姜國新，趙川，郭俊利，易蓉，羅茂盛，彭章雅，王筱紅

(四川省水利科學研究院，四川成都 610072)

0 引言

水泥砂漿是水工建筑物重要的建筑材料，傳統水泥基材屬于脆性材料，其抗拉和抗彎性能較差，對建筑物的耐久性影響較大，導致在高寒、高海拔、強紫外線等地區的水工混凝土結構的破壞問題十分嚴重[1-3]。通過在水泥基材中加入玄武巖纖維(Basalt fiber，BF)等高性能纖維材料有助于改善其脆性問題，抑制基體收縮裂縫的產生和擴展[4-5]。

Wang等[6]通過試驗研究了玄武巖纖維在低溫下對瀝青結合料和膠泥的影響，發現武巖纖維不僅可以抑制材料的軸向應變，增加膠泥試樣的剛度，還能提高試件的疲勞壽命；Ludovico等[7]將玄武巖纖維與水泥基體進行結合，并用于約束鋼筋混凝土構件的加固材料，可以克服環氧基FRP層壓板承載力不足的缺陷；高真等[8]采用現場試驗和數值模擬方法研究了玄武巖纖維對混凝土抗壓強度的影響機制，發現玄武巖纖維的摻入能夠改善混凝土的抗壓性能，纖維-界面之間的薄弱層不利于混凝土抗壓強度的提升；朱春琪等[9]等研究了玄武巖纖維在普通硅酸鹽水泥(OPC)和高貝利特硫鋁酸鹽水泥(HB-CSA)環境下的長期增強效果，驗證了玄武巖纖維對水泥材料具有較好的增強效應和抗裂性能。

玄武巖纖維是新型無污染的綠色工業原材料，與鋼纖維和碳纖維等相比其具有優異的力學性能和化學性能[10-14]。已有的相關研究主要集中在玄武巖纖維對改善混凝土等復合材料的力學性能，而開展玄武巖纖維對水泥砂漿力學指標影響的定量研究還不多。本文通過室內試驗對長度12 mm玄武巖纖維不同摻量的水泥膠砂標準試件進行3、28 d的抗折強度和抗壓強度測試，從微觀角度開展破壞機理研究。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

(1)水泥。試驗采用普通硅酸鹽水泥，強度等級為42.5R級，砂為中國ISO標準砂，試驗用水采用蒸餾水。

(2)玄武巖纖維。試驗采用的玄武巖纖維束長12 mm，寬1.5 mm，厚0.1 mm，密度為2 700 kg/m3，彈性模量150 GPa，抗拉強度3 000 MPa，斷裂伸長率為3.2%，玄武巖纖維束樣品如圖1所示。

圖1 試驗選用玄武巖纖維束樣品

1.2 試驗設計

本試驗按不同纖維摻量分為9組，纖維用量分別為0(空白對照組)、4.5、9.0、13.5、18.0、22.5、2.2、1.4、0.7 g，玄武巖纖維摻量質量占比分別為0、1%、2%、3%、4%、5%、0.49%、0.31%、0.16%，相應的試件編號分別為KB、XWY-1、XWY-2、XWY-3、XWY-4、XWY-5、XWY-6、XWY-7、XWY-8。每組均重復3次試驗，取平均值作為測試結果。

1.3 試驗方法

試驗時按照GB/T17671—2021《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》[15]采用40 mm×40 mm×160 mm棱柱體的水泥膠砂試模，按0.5的水灰比拌制塑性膠砂并經振實臺振搗成型，脫模標準養護后按3 d和28 d齡期分別在電動抗折強度試驗機和全自動抗折抗壓恒應力試驗機上進行抗折強度和抗壓強度測試，本次試驗采用的儀器設備見圖2。

圖2 電動抗折強度試驗機和全自動抗折抗壓恒應力試驗機

根據GB/T17671—2021《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》第10條試驗程序規定，首先用電動抗折試驗機測定膠砂試件的抗折強度，加載速率(50±10)N/s，之后取出兩個半截試體，進行抗壓強度試驗，加載速率(2 400±200)N/s。應注意在進行抗壓強度測試時保持兩個半截棱柱體處于潮濕狀態。

抗折強度計算公式為

Rf=1.5FfL/b3

(1)

式中，Rf為抗折強度，MPa；Ff為折斷時施加于棱柱體中部的荷載，N；L為支撐圓柱之間的距離，mm；b為棱柱體正方形截面的邊長，mm。

抗壓強度計算公式為

RC=Fc/A

(2)

式中，RC為抗壓強度，MPa；Fc為破壞時的最大荷載，N；A為受壓面積，mm2。

2 試驗結果分析

2.1 試件制備和外觀分析

按規范要求，采用行星式水泥膠砂自動攪拌機對水泥膠砂和不同摻量的玄武巖纖維進行攪拌(見圖3)，之后倒入放置于水泥膠砂振實臺上的標準模具中并進行振實，取下試模刮去高出試模的膠砂并抹平，最終成型的試件如圖4所示。

圖3 水泥膠砂自動攪拌機和水泥膠砂振實臺

圖4 不同玄武巖纖維摻量水泥膠砂試件成型樣品

由圖4可知，隨著玄武巖纖維摻量的增加，試件的稠度也隨之增加，表面越來越粗糙和干燥。當纖維摻量不超過2%時，拌和物的和易性和泌水性較好，試件收面更加容易；而當纖維摻量超過2%時，試件表面更加干燥和松軟，并且難以收面，拌和物的和易性和泌水性相對較差。

表1給出了不同玄武巖纖維摻量水泥膠砂試件成型樣品脫模后的重量和密度統計結果。分析可知：隨著玄武巖纖維摻量的增加，試件重量和密度整體呈現先增大后減小的趨勢，當纖維摻量增加到0.31%時，試件質量平均值達到最大值為598.5 g(密度為2 337.9 kg/m3)，之后逐漸降低(摻量為3%突變至593.1 g)，最小質量為摻量5%對應的576.3 g，密度僅為2 251.2 kg/m3。初步分析原因，是由于玄武巖纖維與水泥膠砂基體間存在一定的間隙，并未緊密聯結，纖維摻量越多，間隙越大，導致試件質量和密度越小，表明玄武巖纖維與水泥膠砂并未發生化學反應。

表1 不同玄武巖纖維摻量水泥膠砂試件拆模后質量和密度

2.2 抗折強度試驗結果分析

進行不同玄武巖纖維摻量水泥膠砂試件抗折強度測試時，每個玄武巖纖維摻量水泥膠砂共6個試件，3個用于3d抗折強度測試，3個用于28 d抗折強度測試。試驗結果如表2和圖5所示。

表2 不同玄武巖纖維摻量水泥膠砂試件3、28 d抗折強度測試結果

圖5 不同玄武巖纖維摻量水泥膠砂試件3、28 d抗折強度測試結果擬合曲線

由表2、圖5可知，各玄武巖纖維摻量的水泥膠砂試件抗折強度均隨著期齡的增加而出現不同程度的提高。其中，期齡為3 d時，對照組(不摻玄武巖纖維)試件的平均抗折強度為5.97 MPa，摻了0.16%的玄武巖纖維后，平均抗折強度未發生變化仍為5.97 MPa，當纖維摻量提高到0.31%后，平均抗折強度提高到6.03 MPa，提高幅度為1%左右，提高幅度不大，之后隨著纖維摻量的進一步增加，平均抗折強度則呈現逐漸降低的趨勢(圖5a)，當纖維摻量為5%時，平均抗折強度僅為4.33 MPa，僅為空白組的72.5%；期齡為28 d時，對照組(不摻玄武巖纖維)試件的平均抗折強度為8.63 MPa，隨著玄武巖摻量的逐步增加，平均抗折強度開始逐漸降低，僅在纖維摻量為0.49%的時候出現了一定回升，但總體呈現逐漸降低的趨勢(圖5b)，最終當纖維摻量為5%時，平均抗折強度為7.00 MPa，僅為空白組的81.1%。結合圖5不同玄武巖纖維摻量水泥膠砂試件抗折強度趨勢線，說明摻少量的玄武巖纖維在一定程度上有助于提高水泥膠砂試件的早期抗折強度，但過多的纖維摻量不利于早期和后期的抗折強度。

2.3 抗壓強度試驗結果分析

進行抗折強度測試后，將得到的6個抗壓試件進行抗壓強度試驗，鑒于篇幅限制，本文僅統計出期齡3 d和28 d的抗壓強度平均值(根據規范要求，剔除超過平均值±10%的結果再取平均值)，結果如圖6所示。由圖6可知，當不摻玄武巖纖維時，試件的3 d和28 d抗壓強度分別為30.6 MPa和53.0 MPa，隨著玄武巖纖維摻量的增加，水泥膠砂試件的早期和后期抗壓強度均逐漸降低，僅在纖維摻量為0.49%～1%時出現一定回升，之后進一步降低，直到纖維摻量為5%時，3 d和28 d抗壓強度分別為19.1 MPa和34.6 MPa，僅為空白對照組的62.4%和65.3%，這說明玄武巖纖維的摻入不利于水泥膠砂的抗壓強度。

圖6 不同玄武巖纖維摻量水泥膠砂試件3、28 d抗壓強度

3 破壞試件微觀結構分析討論

結合上述玄武巖纖維水泥膠砂試件的制備過程和力學性能測試結果，可以看出：少量的玄武巖纖維摻量可以改善水泥膠砂拌和物的和易性和泌水性，且試件收面更加容易，水泥膠砂試件的早期抗折強度有一定提高，但過多的纖維摻量不利于水泥膠砂試件早期和后期的抗折強度和抗壓強度。分析原因：可能是由于本次試驗選用的玄武巖纖維長度為12 mm，纖維在水泥膠砂中的分散性較差，過多的纖維容易聚成一團，且由于纖維的憎水性，水泥膠砂和纖維之間存在間隙，使得兩者的界面區結構較為松散，從而降低水泥膠砂的整體結構強度。

圖7為3 d期齡抗折強度測試后的9組試件，部分試件經抗折強度測試后，出現了“藕斷絲連”的現象，并未完全斷開，這是由于摻入的玄武巖纖維抗拉強度很高，在斷裂區膠砂握裹力作用下，不至于完全斷裂。圖8為強度測試后試件通過顯微鏡觀察到的纖維束與砂漿基材微觀結構，可以明顯看到聚集在一起的玄武巖纖維以及與水泥膠砂的間隙及氣泡。