玄武巖纖維輕質陶粒水泥混凝土性能研究

2025-08-24 00:00:00李文凱劉向杰李俊濤邵景干楊淼

河南科技 2025年13期

關鍵詞：陶粒力學性能

關鍵詞：玄武巖纖維；陶粒；輕質混凝土；力學性能；耐久性能

中圖分類號：TU528.572 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2025）13-0077-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.13.015

ResearchontheProperitesofBasaltFiberLightweightCeramic AggregateConcrete

LI Wenkai1，3 LIU Xiangjie2 LI Juntao1，3 SHAO Jinggan1.3 YANG Miao1，3

（1.Henan Jiaoyuan Engineering Technology Group Co.，Ltd.，Zhengzhou 450046， China; 2.Henan College of

Transportation Highway Institute，Zhengzhou 45O046， China;3.Ramp; DCenter of Green High Performance Material Application Technology Transportation Industry，Zhengzhou 45OO46， China）

Abstract：[Purposes] Lightweight ceramic aggregates are adopted as coarse aggregates to reduce the selfweight of conventional cement concrete structures.Basalt fibers are incorporated into ceramic aggregate concrete to improve its mechanical and durability properties，thereby extending theservice life of concrete structures.[Methods] Based on basalt fiber volume factions of 0% ， 1% ， 2% ， 3% ，and 4 4% ，mix design， mechanical and durability performance research were carried out on ceramic aggregate cement concrete. [Findings] From the perspective of mechanics and durability，when the volume fraction of basalt fibers reaches 3% ，the concrete structure demonstrates optimal overall performance in compressive strength， flexural strength，and sulfate attack resistance.[Conclusions] A appropriate volume fraction of basalt fibers can improve both the mechanical and durability properties of ceramic aggregate concrete.

Keywords： basalt fiber; ceramic aggregate concrete; lightweight concrete; mechanical property; durabilityperformance

0 引言

陶粒是在高溫窯池中經發泡工藝生產出來的一種輕骨料，具有表面光滑、結構內部多孔、質地堅硬、強度高及密度小等特點。將陶粒作為骨料應用到水泥混凝土當中，能夠很大程度上降低結構自身的重量，從而增強結構基礎的承載能力，延長工程結構的使用年限。但陶粒表面光滑，骨料之間的嵌擠效果較差，需摻入增強性材料來改善輕質混凝土的力學及耐久性能。相關學者針對輕質混凝土的性能開展了大量研究。耿春雷等從陶粒泡沫混凝土成型方式角度開展研究，分析陶粒及水的摻入時機對混凝土和易性及抗壓強度的影響，研究表明，拌和用水分次摻入能夠有效改善混凝土和易性及抗壓強度。高峰等將不同摻量的聚丙烯纖維摻人陶粒混凝土，開展相關力學性能變化規律的研究發現，隨著纖維摻量的增加，混凝土抗壓及劈裂強度呈現先升高后降低的趨勢。陳振等3選用硅酸鹽-硫鋁酸鹽水泥復合膠凝體系、發泡劑、增稠劑及聚丙烯纖維對陶粒式混凝土進行復合改性，研究發現，復合改性后的陶粒混凝土的相關性能指標得到顯著改善。

本研究選用玄武巖纖維來改善陶粒水泥混凝土的相關性能，玄武巖屬于礦物纖維，與混凝土具有良好的相容性，能夠解決鋼纖維在混凝土結構中受潮后銹脹的難題。通過對不同玄武巖纖維摻量下陶粒水泥混凝土力學及耐久性能進行研究，優選出玄武巖纖維的最佳體積摻量，為玄武巖纖維在陶粒水泥混凝土中的應用提供參考。

1原材料及配合比設計

表2粉煤灰主要技術指標試驗結果

1.2 粗骨料

本研究選用陶粒作為粗骨料，陶粒外觀如圖1所示，其主要技術指標試驗結果見表4。

圖1陶粒外觀表4陶粒主要技術指標試驗結果

1.1 膠凝材料

本研究分別選用P·042.5普通硅酸鹽水泥、Ⅱ級粉煤灰及Ⅱ級硅灰等膠凝材料開展陶粒水泥混凝土性能研究，3種膠凝材料主要技術指標試驗結果分別見表1、表2和表3。

表1水泥主要技術指標試驗結果

1.3玄武巖纖維

傳統施工工藝多選用鋼纖維來改善混凝土結構的力學性能，但鋼纖維在混凝土結構內部會因受潮而發生銹脹現象，當銹脹應力大于結構內部允許拉應力時，混凝土結構就會開裂，嚴重影響工程的使用安全及運營壽命。玄武巖纖維屬于礦物纖維，由天然玄武巖碎石通過高溫熔融拉絲后制成，生產過程中未發生化學反應，是玄武巖碎石物理狀態存在的另外一種形式，具有良好的物理力學性能，與水泥漿體具有良好的相容性，能夠均勻分散在骨料之間起到加筋、增韌的效果。本研究選用的玄武巖纖維規格型號為 3F9mm-17μm ，其外觀如圖2所示，主要技術指標試驗結果見表5。

圖2玄武巖纖維外觀

表5玄武巖纖維主要技術指標試驗結果

1.4配合比設計

本研究選用的膠凝材料為水泥、粉煤灰、硅灰等3種，細骨料為河砂，細度模數為2.8，粗骨料為陶粒，減水劑為聚羧酸高效減水劑。玄武巖纖維陶粒式水泥混凝土的設計強度為LC50，玄武巖纖維摻量以體積率V計算，分別為 0%1%2%3%4% ，不同玄武巖纖維摻量的配合比設計結果見表6。

2 力學性能

玄武巖纖維陶粒式水泥混凝土具有輕質、環保等優點，不僅能夠緩解傳統碎石緊缺的難題，同時能夠降低工程實體的自重，增強結構基礎的承載能力。在混凝土諸多強度指標中，抗壓強度是最基本的力學性能指標，其不僅是確定混凝土結構強度等級的依據，還是確定其他力學特性的基礎；抗拉強度是評價混凝土在外界荷載作用下抵抗開裂變形的重要指標4。本研究選用抗壓強度試驗評價玄武巖纖維陶粒水泥混凝土的承載能力，試件標準尺寸為 150mm×150mm×150mm ；選用抗折強度試驗評價玄武巖纖維陶粒水泥混凝土抗開裂能力，試件標準尺寸為 100mm×100mm×400mm 。混凝土試件標準養生齡期為 ^7d，28d 時，抗壓及抗折強度試驗結果分別如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可知，養生齡期相同時，隨著玄武巖纖維摻量的增加，混凝土試件抗壓及抗折強度均呈現先升高后降低的趨勢，當玄武巖纖維體積率為3% 時，抗壓及抗折強度均達到峰值；當玄武巖纖維摻量相同時，隨著混凝土試驗養生齡期的延長，抗壓及抗折強度均大幅度升高。究其原因，混凝土抗壓及抗折強度取決于水泥標號、骨料強度、骨料之間的嵌擠黏結強度及玄武巖纖維在結構中的搭接狀態；玄武巖纖維在與骨料拌和過程中能夠分散成微米級的單絲狀，在結構內部呈現三維亂相分布，吸附水泥漿之后在骨料之間起到橋接、阻裂的效果，有利于加強混凝土結構的整體穩定性，增強其在外力荷載作用下的承載能力及抗開裂能力；當體積率超過 3% 時，玄武巖纖維在混凝土中就會存在冗余，吸附過多的水泥漿體，導致骨料表面的水泥漿體不足，從而降低結構的強度。

3耐久性能

沿海地區硫酸鹽侵蝕作用是造成混凝土結構耐久性能差的主要形式，在硫酸鹽侵蝕作用下混凝土結構內部會因長期處在鹽脹環境下而發生開裂，嚴重影響工程結構的承載能力及使用壽命[5-6]。本研究將尺寸為 150mm×150mm×150mm 的28d齡期試件分別在 5% 濃度的硫酸鹽溶液中浸泡60d與在清水中浸泡60d后，對不同玄武巖纖維體積率的混凝土試件開展抗壓強度及質量損失試驗，其中試件浸泡 4h ，然后拿出放置在 25^°C 環境下靜置4h為一個干濕循環周期，抗壓強度及質量損失試驗結果分別如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可知，相同玄武巖纖維摻量時，硫酸鹽侵蝕作用后混凝土試件抗壓強度顯著降低，質量損失顯著升高；硫酸鹽侵蝕作用后，隨著玄武巖纖維摻量的增加，抗壓強度呈現先增高后降低的趨勢，但強度均大于 50MPa ，質量損失逐漸降低，表明玄武巖纖維的摻入能夠顯著改善陶粒水泥混凝土結構的抗硫酸鹽侵蝕作用，其中玄武巖纖維體積率為 3% ，改善效果整體最優。究其原因，玄武巖纖維的摻入能夠吸附穩定水泥漿體，且在骨料之間起到加筋、阻裂的作用，使混凝土結構更加密實穩固，抗硫酸鹽侵蝕能力得到增強。

表6配合比設計結果

單位：：kg/m³