玄武巖纖維增強聚合物混凝土基本力學性能試驗研究

宋云祥，楊 靜，王建強

(河南省交通科學技術研究院有限公司，河南鄭州450006)

水泥混凝土是建筑工程中用量最大的人造復合建筑材料，但因其自身存在一些缺陷，如易收縮開裂、抗拉強度低、抗沖擊韌性差以及斷裂韌性低等，從而限制了其在工程中更廣泛的應用.玄武巖纖維增強聚合物混凝土是由普通混凝土加入聚合物乳液、玄武巖纖維復合而成的新型混凝土材料，它具有比普通混凝土更為優(yōu)良的抗拉、抗折、抗疲勞強度及沖擊韌性等［1－3］，適用于鋼筋混凝土橋面鋪裝工程，有著廣闊的應用前景.

筆者以C50橋面鋪裝混凝土為研究對象，對比分析了玄武巖纖維和聚合物乳液復摻對混凝土工作性能及抗壓強度、抗折強度等基本力學性能的影響.

1 試驗

1.1 原材料

水泥:采用湖北華新水泥股份有限公司生產的P·O42.5級水泥，其3 d和28 d抗壓強度分別為26.8 MPa和47.6 MPa;粉煤灰:信陽華豫電廠生產的I級粉煤灰，需水量比為88%，45 μm篩篩余4.2%，28 d膠砂活性指數(shù)為84%;細集料:采用商城王店砂場生產的河砂，細度模數(shù)為2.8，Ⅱ區(qū)中砂;粗集料:石灰?guī)r碎石，由5～10 mm與10～25 mm粒級按質量比3∶7混合而成，符合5～20 mm連續(xù)級配，表觀密度2.673 g/cm3，壓碎值9.4%，針片狀顆粒含量6.2%;減水劑:采用南陽市四通化建有限公司生產的ST－01型緩凝聚羧酸高性能減水劑(水劑，固含量為28%);玄武巖纖維:浙江石金玄武巖纖維有限公司生產的連續(xù)玄武巖短切纖維;聚合物:上海高橋BASF分散體有限公司生產的羧基丁苯乳液(固含量51%).

1.2 試驗方法

混凝土拌合物性能按《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2002)進行測試.硬化混凝土的抗壓強度、抗折強度按《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG E30—2005)進行試驗，抗壓強度試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，標準養(yǎng)護 7，28 d齡期;抗折強度試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，標準養(yǎng)護7，28 d齡期.

1.3 試驗參數(shù)的選擇

橋面鋪裝混凝土強度等級為C50;玄武巖纖維摻量為1.5，2.5，3.5 kg/m3;聚合物乳液摻量為混凝土中膠凝材料用量的3%，5%，10%，15%.

由于聚合物膠液中含有49%的水，為了保持水膠比不變，對添加聚合物乳液的混凝土，從基準混凝土配合比用水量中扣除聚合物乳液含有的水分，其他用量與基準混凝土相同.橋面鋪裝C50混凝土的基準配合比見表1.

表1 C50混凝土基準配合比 kg/m3

2 結果分析

2.1 玄武巖纖維增強聚合物混凝土工作性能影響因素分析

混凝土的工作性能直接影響其使用效果，筆者分別測試了在不同玄武巖纖維和聚合物摻量情況下的混凝土工作性能，玄武巖纖維增強聚合物混凝土的坍落度測試結果見表2.表2中P代表基準混凝土配合比，F(xiàn)代表玄武巖纖維，R代表丁苯聚合物乳液，后綴數(shù)字分別代表玄武巖纖維摻量和聚合物乳液摻量，如 F25R10代表玄武巖纖維摻量為2.5 kg/m3，聚合物乳液摻量為10%.其后表格中的編號所代表的意義同此處解釋.

表2 玄武巖纖維增強聚合物混凝土坍落度 mm

通過比較表2中數(shù)據(jù)可知:①在單摻玄武巖纖維時，隨著摻量的增加，混凝土拌合物的坍落度與基準混凝土相比存在逐漸減小的趨勢.主要的原因是:一方面，玄武巖纖維的比表面積較大，且表面粗糙，摩擦系數(shù)較高，從而增大了拌合物流動時的相對摩擦力［4］;另一方面，主要是由于玄武巖纖維與其他材料混合后，分散成細微的絮狀纖維絲，需要大量的水泥漿包裹這些絮狀纖維絲，使得新拌混凝土的黏度增加，降低了流動性.②在單摻聚合物乳液時，隨著摻量的增加，混凝土拌合物的坍落度與基準混凝土相比存在逐漸增大的趨勢，主要的原因是，其他組分條件一定時，乳膠比提高，混凝土有效水膠比提高，使得混凝土拌合物的流動性增大.③在玄武巖纖維與聚合物乳液復摻的情況下，玄武巖纖維或聚合物乳液摻量一定時，玄武巖纖維摻量或聚合物乳液摻量對復摻混凝土坍落度的影響規(guī)律基本等同于基準混凝土，聚合物乳液對混凝土坍落度的貢獻基本能夠抵消玄武巖纖維對混凝土坍落度的降低，二者復摻時能夠使混凝土具有良好的工作性能.

2.2 玄武巖纖維增強聚合物混凝土抗壓強度影響因素分析

混凝土的抗壓強度是評定混凝土強度等級的指標，筆者分別測試了不同玄武巖纖維和聚合物摻量情況下混凝土的抗壓強度，玄武巖纖維增強聚合物混凝土7 d和28 d抗壓強度測試結果見表3.

表3 玄武巖纖維增強聚合物混凝土抗壓強度 MPa

比較表3中數(shù)據(jù)可得:①單摻玄武巖纖維時，隨摻量的增加，玄武巖纖維混凝土7 d齡期的抗壓強度略有下降，28 d齡期的抗壓強度有較小增長.由此表明玄武巖纖維對混凝土28 d齡期抗壓強度的提高作用有限.②單摻聚合物乳液時，隨著摻量的增加，混凝土7 d抗壓強度呈現(xiàn)明顯的降低趨勢，但28 d齡期抗壓強度除R15外，其他強度均高于基準混凝土.究其原因，隨著丁苯聚合物乳液的摻入，乳液形成的薄膜填塞了混凝土中的開口孔隙，且形成的閉口孔隙隨著丁苯聚合物乳液摻量的增多而增多，這有助于保持混凝土內部的孔隙水，使得水泥的水化更充分.這樣，在早期乳液未充分失水的情況下，它就如同“軟弱夾層”而降低了混凝土早期強度，但在后期卻發(fā)揮了填塞開口孔隙、保持內部孔隙水使水泥充分水化的作用，從而提高了混凝土的后期抗壓強度［5］.③在玄武巖纖維與聚合物乳液復摻的情況下，玄武巖纖維或聚合物乳液摻量一定時，玄武巖纖維摻量或聚合物乳液摻量對復摻混凝土抗壓強度的影響規(guī)律基本等同于基準混凝土，玄武巖纖維與聚合物乳液復摻對混凝土抗壓強度提高不明顯，較基準混凝土略有提高.

2.3 玄武巖纖維增強聚合物混凝土抗折強度影響因素分析

混凝土的抗折強度在一定程度上反映混凝土的韌性，分別測試了不同玄武巖纖維摻量和聚合物摻量情況下混凝土的抗折強度，玄武巖纖維增強聚合物混凝土7，28 d齡期抗折強度測試結果見表4.

比較表4中數(shù)據(jù)可知:①單摻玄武巖纖維時，隨著摻量的增加，7 d和28 d齡期混凝土的抗折強度均呈現(xiàn)增大趨勢，玄武巖纖維摻量為2.5 kg/m3時7 d抗折強度比基準混凝土提高了約8%.玄武巖纖維的加入提高了混凝土的抗折強度，主要是由于纖維在混凝土粗骨料剪切作用下更易分散均勻，加上其比表面積大，且水泥水化產物會附著在纖維表面生長，使混凝土基體對纖維間的握裹力增加，同時玄武巖纖維的彈性模量較高，與混凝土復合增強作用較大，有利于混凝土抗折強度的提高［6］.②單摻聚合物乳液時，隨著聚合物乳液摻量的增加，混凝土7 d和28 d齡期抗折強度增大趨勢比較明顯.聚合物乳液摻量為10%時，28 d抗折強度較基準混凝土提高了約23%.由此可見聚合物乳液的加入顯著提高了混凝土的韌性［7］.③玄武巖纖維與聚合物乳液復摻的情況下，最明顯的兩個效果是:一方面提高了摻纖維混凝土抗折強度，特別是其28 d齡期的抗折強度要高于單摻纖維或丁苯乳液混凝土的抗折強度，較基準混凝土抗折強度提高20%左右;另一方面減小了單摻纖維混凝土早期抗壓強度下降的幅度.由此表明，丁苯聚合物乳液的摻入增強了纖維與基體的黏結，對纖維與水泥石基體之間的界面性狀起到了一定的改善作用.

表4 玄武巖纖維增強聚合物混凝土抗折強度 MPa

3 結語

1)玄武巖纖維的摻入使混凝土的早期抗壓強度略微降低，但很好地保持了28 d齡期混凝土的抗壓強度，提高了混凝土的抗折強度.

2)丁苯聚合物乳液的摻入雖然使混凝土早期的抗壓強度略有降低，但較大幅度地提高了混凝土抗折強度及后期的抗壓強度.

3)玄武巖纖維摻量和聚合物乳液摻量對混凝土韌性的改善作用均存在一個合理的摻量范圍，并非摻量越高對混凝土性能的改善作用越大.

4)在玄武巖纖維和聚合物乳液摻量一定時，玄武巖纖維增強聚合物混凝土具有良好的工作性能和優(yōu)異的力學性能，很好地提高了混凝土的抗折強度和韌性.

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