玄武巖纖維摻雜混凝土材料特性的研究

陳 歆，鄭秀華，韓 凱

1)蘇交科集團(tuán)股份有限公司在役長大橋梁安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗室，江蘇南京 211112；2)哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院, 黑龍江哈爾濱，150090；3)中設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司道橋新技術(shù)研究中心，江蘇南京，210014

混凝土具有抗壓強(qiáng)度高、易成型和價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今世界應(yīng)用最廣泛的建筑材料，但同時具有抗拉強(qiáng)度低、脆性大和韌性差等缺點(diǎn).復(fù)合化是水泥基材料高性能化的主要途徑，纖維增強(qiáng)是其核心[1].玄武巖纖維是以天然玄武巖為原料的無機(jī)纖維，在1 450～1 500 ℃熔融后，由鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成，具有抗拉強(qiáng)度高、彈性模量大、溫度與化學(xué)穩(wěn)定性好、密度與混凝土相近、經(jīng)濟(jì)及生產(chǎn)過程對環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn).合理地在混凝土中摻入短切玄武巖纖維，能提高混凝土的抗拉強(qiáng)度和變形能力，約束混凝土的收縮和開裂，有效提高混凝土的性能[2-6].

在力學(xué)性能上，業(yè)界普遍認(rèn)為混凝土的抗折強(qiáng)度和動力學(xué)性能會隨纖維摻量增加而提高[2-6]，但針對玄武巖纖維對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，尚無廣泛認(rèn)可的結(jié)論.文獻(xiàn)[2-3, 5-6]研究表明，玄武巖纖維對混凝土抗壓強(qiáng)度的提高作用有限，但有文獻(xiàn)[7]認(rèn)為玄武巖纖維對混凝土抗壓強(qiáng)度有顯著的提高作用.在耐久性方面，文獻(xiàn)[8-10]認(rèn)為玄武巖纖維能明顯提高混凝土的抗氯離子滲透性能，但文獻(xiàn)[11]持反對意見.另外，玄武巖纖維的阻裂性能已有文獻(xiàn)研究[12-13]，但關(guān)于混凝土早期收縮約束的研究反而較少.

本研究以抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度作為力學(xué)指標(biāo)、以抗氯離子滲透性能和早期收縮應(yīng)變作為耐久性指標(biāo)，探究不同玄武巖纖維摻量和規(guī)格對混凝土強(qiáng)度與耐久性的影響規(guī)律，評價玄武巖纖維摻雜混凝土材料的各項性能，為玄武巖纖維在混凝土工程中的推廣應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與理論支持.

1 材料與方法

1.1 原材料

試驗選用哈爾濱水泥廠生產(chǎn)的天鵝牌P·O 42.5水泥、級配合格的中砂、5～20 mm表面比較粗糙且質(zhì)地堅硬的連續(xù)級配玄武巖碎石和自來水等，應(yīng)用天津雍陽化工廠生產(chǎn)的UNF-5高效減水劑和上海楓楊實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的SJ-2型引氣劑.

試驗選用四川航天拓鑫玄武巖實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的水泥混凝土用短切玄武巖纖維，由玄武巖高溫熔融拉絲制成，其主要性能指標(biāo)見表1，所涉及的纖維規(guī)格見表2.

表1 玄武巖纖維主要性能指標(biāo)Table 1 Main properties of basalt fiber

表2 試驗用玄武巖纖維尺寸Table 2 Sizes of basalt fiber in tests

1.2 基準(zhǔn)配合比

對照組混凝土的配合比見表3，強(qiáng)度等級為C40.試驗以此配合比為基礎(chǔ)，摻入玄武巖纖維，對混凝土進(jìn)行改性，并對玄武巖纖維摻雜混凝土材料特性進(jìn)行試驗研究.

表3 對照組配合比Table 3 Mix proportion for reference

1.3 試驗方法

研究玄武巖纖維對混凝土強(qiáng)度的影響時參照GB/T50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用7 d和28 d齡期的抗折、抗壓強(qiáng)度作為評價指標(biāo). 研究玄武巖纖維對混凝土耐久性的影響時，參照GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用抗氯離子滲透性能(6 h電通量)與早期收縮應(yīng)變(28 d)作為評價指標(biāo).其中，抗氯離子滲透性試驗采用電通量法，早期收縮試驗采用接觸法(立式收縮儀).

選擇纖維規(guī)格為d13-15的玄武巖纖維混凝土，進(jìn)行纖維摻量對混凝土強(qiáng)度與耐久性影響的試驗研究.試驗中設(shè)置不摻纖維的對照組，及纖維摻入體積分?jǐn)?shù)分別為0.04%、0.08%和0.12%的3個試驗組，研究在該范圍內(nèi)玄武巖纖維摻量對混凝土性能的影響.在對不同纖維摻量的玄武巖纖維混凝土的試驗中發(fā)現(xiàn)，纖維摻入體積分?jǐn)?shù)為0.08%時，混凝土的性能較好.故在探究纖維規(guī)格對混凝土性能的影響時，統(tǒng)一采用纖維摻入體積分?jǐn)?shù)為0.08%.

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

選取規(guī)格為d13-15的玄武巖纖維，對纖維摻入體積分?jǐn)?shù)分別為0、0.04%、0.08%和0.12%的混凝土進(jìn)行7 d與28 d齡期的抗壓強(qiáng)度試驗，結(jié)果見圖1.結(jié)果表明，0.04%體積分?jǐn)?shù)的玄武巖纖維對混凝土的抗壓能力有微弱的增強(qiáng)作用，該摻量下的玄武巖纖維混凝土較之對照組混凝土抗壓強(qiáng)度提高約3.5%.隨著纖維摻量增加，這種增強(qiáng)效果減弱.該趨勢與文獻(xiàn)[2-6]的結(jié)果大體一致.

圖1 纖維(d13-15)體積分?jǐn)?shù)對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1 Effects of fiber (d13-15) content on compressive strength

低摻量玄武巖纖維對混凝土抗壓的增強(qiáng)主要是因為玄武巖纖維有較高的彈性模量，在混凝土單軸受壓的裂縫穩(wěn)定發(fā)展階段(即應(yīng)力在彈性極限往峰值點(diǎn)發(fā)展的過程)，能在一定程度上約束混凝土的橫向變形，抑制微裂紋的擴(kuò)展[14].但由于低纖維摻量不足以改變材料脆性，彈性段后的裂縫穩(wěn)定發(fā)展段(應(yīng)變不可恢復(fù)段)較小，玄武巖纖維所能起的作用有限.此外，隨著纖維摻量的增加，纖維分布均勻性和混凝土密實(shí)性會有所下降，在增大混凝土的含氣量的同時引入了界面薄弱區(qū)，玄武巖纖維對混凝土抗壓的增強(qiáng)效果減弱.

對5種纖維規(guī)格(d13-15、 d13-20、 d18-15、 d18-25和d18-30)的玄武巖纖維混凝土(纖維摻入體積分?jǐn)?shù)為0.08%)進(jìn)行7 d與28 d齡期抗壓強(qiáng)度試驗，結(jié)果見圖2.從圖2可見，在試驗范圍內(nèi)纖維規(guī)格不同所帶來的混凝土強(qiáng)度差異有限.試驗結(jié)果驗證了文獻(xiàn)[3]中關(guān)于纖維長度對混凝土抗壓強(qiáng)度影響的分析.一方面玄武巖纖維對混凝土抗壓的增強(qiáng)效果有限，另一方面試驗結(jié)果受纖維在基體中的形態(tài)及纖維-基體界面性能等因素的干擾，故難以從統(tǒng)計學(xué)意義上做出各規(guī)格纖維之間的優(yōu)選比對.

圖2 纖維規(guī)格對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 Effects of fiber size on compressive strength

2.2 抗折強(qiáng)度

選取規(guī)格為d13-15的玄武巖纖維，對其體積分?jǐn)?shù)分別為0、0.04%、0.08%和0.12%的混凝土進(jìn)行7 d與28 d齡期抗折強(qiáng)度試驗，結(jié)果見圖3.結(jié)果表明，摻入玄武巖纖維后，混凝土的抗折強(qiáng)度明顯提高，玄武巖纖維混凝土的抗折強(qiáng)度在試驗條件下隨纖維摻量增加而提高.該趨勢與文獻(xiàn)[2-5]的研究結(jié)果類似.當(dāng)纖維摻入體積分?jǐn)?shù)為0.12%時，混凝土抗折強(qiáng)度提高25.8%.這是由于玄武巖纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度與彈性模量，在混凝土受拉區(qū)承擔(dān)了部分拉應(yīng)力，提高了混凝土的抗折能力.

圖3 纖維(d13-15)體積分?jǐn)?shù)對混凝土抗折強(qiáng)度的影響Fig.3 Effects of fiber (d13-15) content on flexural strength

圖4 纖維規(guī)格對混凝土抗折強(qiáng)度的影響Fig.4 Effects of fiber size on flexural strength

對5種纖維規(guī)格(d13-15、d13-20、d18-15、d18-25和d18-30)的玄武巖纖維混凝土(纖維摻入體積分?jǐn)?shù)為0.08%)進(jìn)行7 d與28 d齡期抗折強(qiáng)度試驗，結(jié)果見圖4.由圖4可見，長度較長及長徑比較大的玄武巖纖維對混凝土有更好的增強(qiáng)效果，該規(guī)律與文獻(xiàn)[3]所述相似. 試驗中，摻入直徑18 μm纖維的混凝土比摻入直徑13 μm纖維的混凝土規(guī)律性更明顯.

考慮纖維拔斷(強(qiáng)化效果最佳)的情況，假設(shè)基體中僅有一根纖維，作用在纖維表面的剪應(yīng)力τ被其截面上的拉應(yīng)力σf平衡，隨著基體所受拉應(yīng)力σm的增加，剪應(yīng)力沿纖維全長達(dá)到界面的結(jié)合強(qiáng)度或基體的屈服強(qiáng)度τmy. 當(dāng)τmy引起的纖維截面拉應(yīng)力σf大于纖維的拉伸屈服應(yīng)力σfy時，纖維對基體才能充分強(qiáng)化，即

考慮纖維拔出的情況，若以纖維拔出所需的能量Gc來表示纖維的增強(qiáng)增韌作用， 由文獻(xiàn)[15]， 有

其中，Vf、Lf和df分別為纖維的體積、長度和直徑；g和τ為界面參數(shù).

由此可知，在纖維直徑相同、體積恒定、分布理想且界面性能優(yōu)良的前提下，纖維長度越長，其對混凝土的增強(qiáng)增韌效果越好.

2.3 抗氯離子滲透

選取規(guī)格為d13-15的玄武巖纖維，分別對其體積分?jǐn)?shù)分別為0、0.04%、0.08%和0.12%的混凝土進(jìn)行抗氯離子滲透性試驗，得到纖維摻量對混凝土抗氯離子滲透性能的影響規(guī)律，見圖5.由圖5可見，摻加玄武巖纖維后混凝土的6 h電通量有所上升，即抗氯離子滲透性降低，與文獻(xiàn)[11]中的試驗結(jié)果相似.本研究條件下，玄武巖纖維摻量越大，對混凝土的抗?jié)B透性越不利.造成混凝土抗?jié)B透性下降的原因是纖維在投料攪拌過程中引入了界面，同時附著于纖維上的微小氣泡使纖維與混凝土的界面存在相對薄弱的區(qū)域，為氯離子滲透提供了通道.隨著纖維摻量增加，更多的界面被引入，薄弱區(qū)域增多，同時纖維分布均勻性與混凝土密實(shí)性也有所下降[3]，故混凝土抗?jié)B性進(jìn)一步下降.

圖5 纖維(d13-15)摻量對混凝土氯離子電通量的影響Fig.5 Effects of fiber (d13-15) content on Cl- electric flux

玄武巖纖維對混凝土抗?jié)B性的影響體現(xiàn)在兩方面.一方面，內(nèi)摻的玄武巖纖維能約束混凝土微裂紋的擴(kuò)展[14]，減緩混凝土在服役過程中的抗?jié)B性能下降；另一方面，摻入的纖維會在混凝土中增加界面，降低混凝土材料本身的密實(shí)性，對抗?jié)B透性不利.因此，在玄武巖纖維混凝土配合比設(shè)計時，可考慮提高混凝土的抗氯離子滲透性，如摻入礦物摻合料等[16].

對5種纖維規(guī)格(d13-15、 d13-20、 d18-15、 d18-25和d18-30)的玄武巖纖維混凝土(纖維摻入體積分?jǐn)?shù)為0.08%)進(jìn)行抗氯離子滲透性試驗，得到纖維規(guī)格對混凝土抗氯離子滲透性能的影響規(guī)律，見圖6.試驗發(fā)現(xiàn)，纖維越長，混凝土的電通量越大.纖維長度大于25 mm時，混凝土6 h電通量大于4 000 C.這是由于隨著纖維長度增加，界面處薄弱區(qū)的氯離子滲透通道得以延長，貫通度有所提高.另外，長度較長的玄武巖纖維更難在混凝土中均勻分布并保持筆直形態(tài)，從而形成更多的薄弱區(qū)域，造成抗氯離子滲透性下降.因此，在選用玄武巖纖維規(guī)格時，纖維長度不宜過長.

圖6 纖維規(guī)格對混凝土氯離子電通量的影響Fig.6 Effects of fiber size on Cl- electric flux

圖7 纖維(d13-15)摻入體積分?jǐn)?shù)對混凝土早期收縮的影響Fig.7 Effects of fiber (d13-15) content on early-age shrinkage

2.4 早期收縮

選取規(guī)格為d13-15的玄武巖纖維，分別對其體積分?jǐn)?shù)分別為0、0.04%、0.08%和0.12%的混凝土進(jìn)行早期收縮(28 d)試驗，結(jié)果見圖7.由圖7可見，玄武巖纖維對混凝土的早期收縮有較好的約束作用.這主要是因為玄武巖纖維分擔(dān)了混凝土的收縮應(yīng)力，約束了混凝土的收縮變形.摻加玄武巖纖維后，28 d收縮應(yīng)變減少約15%.收縮應(yīng)變的減少值與纖維摻量并未呈明顯線性關(guān)系，纖維摻入體積分?jǐn)?shù)為0.08%的玄武巖纖維混凝土收縮應(yīng)變最小，但優(yōu)勢較其他試驗組的玄武巖纖維混凝土不明顯.

在氯離子滲透性實(shí)驗中發(fā)現(xiàn)，d18-25與d18-30兩種規(guī)格的玄武巖纖維會降低混凝土的抗氯離子滲透性，故在早期收縮試驗里舍棄，只研究d13-15、d13-20和d18-15三種規(guī)格的纖維(體積分?jǐn)?shù)為0.08%)對混凝土早期收縮的影響，試驗結(jié)果見圖8.由圖8可見，這3種規(guī)格的玄武巖纖維在相同摻量下，對混凝土早期收縮的約束能力大體一致.

圖8 纖維規(guī)格對混凝土早期收縮的影響Fig.8 Effects of fiber size on early-age shrinkage

3 結(jié) 論

綜上研究可見：

1) 玄武巖纖維對混凝土抗壓強(qiáng)度的提高不明顯，但能顯著提高混凝土的抗折能力.纖維摻入體積分?jǐn)?shù)為0.12%時，混凝土抗折強(qiáng)度約提高25%.本試驗條件下，長度較長和長徑比較大的玄武巖纖維對混凝土抗折強(qiáng)度有更好的增強(qiáng)效果.

2) 玄武巖纖維會降低混凝土的抗?jié)B性，電通量隨纖維摻量增加而提高.本試驗條件下，纖維越長，混凝土電通量越大.

3) 玄武巖纖維能有效減少混凝土的早期收縮.摻入玄武巖纖維后，混凝土28 d收縮應(yīng)變減少約15%.本試驗條件下，纖維規(guī)格對混凝土早期收縮影響不大.