復(fù)摻玄武巖纖維和硅灰對(duì)白色硅酸鹽水泥混凝土力學(xué)性能研究

李濤，呂獎(jiǎng)國(guó)，阿布都熱依木江·庫(kù)爾班

（1.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230031；2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 引言

混凝土開(kāi)裂可以說(shuō)是常見(jiàn)病和多發(fā)病，有關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫而影響工程質(zhì)量的問(wèn)題較為突出。纖維混凝土以其優(yōu)良的抗裂性能，彌補(bǔ)了普通混凝土易開(kāi)裂、抗拉強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，成為當(dāng)今工程界推崇的復(fù)合材料。工程所用纖維混凝土種類繁多如碳纖維、鋼纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維、尼龍纖維等，各國(guó)對(duì)這些纖維混凝土的力學(xué)性能作了相關(guān)研究。而玄武巖纖維(Basalt Fiber)作為一種新型無(wú)機(jī)纖維材料，因其具有良好的力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，并且兼具高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)，已成為國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)，并對(duì)玄武巖纖維混凝土的力學(xué)性能作了相關(guān)研究。目前的研究成果主要側(cè)重于玄武巖纖維摻量對(duì)混凝土基本力學(xué)性能等方面影響，而關(guān)于其對(duì)復(fù)摻玄武巖纖維長(zhǎng)度、摻量和硅灰摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的研究成果研究比較少。同時(shí)建筑結(jié)構(gòu)和橋梁作為景觀標(biāo)志建筑，傳統(tǒng)灰色混凝土結(jié)構(gòu)美觀性不足，影響結(jié)構(gòu)與自然、社會(huì)環(huán)境相協(xié)調(diào)，增加美化成本。

針對(duì)索支撐橋梁超高混凝土塔柱表面容易產(chǎn)生裂縫和需要二次防護(hù)和裝飾等問(wèn)題，本文基于C50普通混凝土，以白色硅酸鹽水泥作為基礎(chǔ)膠凝材料，礦粉和粉煤灰作為輔助膠凝材料，以“提高混凝土抗拉強(qiáng)度”為原則，玄武巖纖維和硅灰超細(xì)粉體作為混凝土力學(xué)性能改性材料，研究不同長(zhǎng)度和體積摻量玄武巖纖維以及不同摻量硅灰對(duì)混凝土的工作性能和力學(xué)強(qiáng)度的影響。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2.1 材料設(shè)計(jì)

混凝土原材料使用阿爾博牌P·W 52.5白水泥，馬鞍山萬(wàn)能達(dá)發(fā)電公司生產(chǎn)的1級(jí)粉煤灰，馬鞍山中天新材料有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)礦粉和上海天凱建材有限公司的900D型硅灰作為膠凝材料。細(xì)集料選用了石英砂，粗集料來(lái)自彭澤宏浩麻山礦業(yè)有限公司，直徑為5mm～25 mm連續(xù)級(jí)配。玄武巖纖維作為增強(qiáng)材料，聚羧酸高性能減水劑用于改善新拌漿體工作性，固含量為40%。

2.2 實(shí)驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

為了得到最佳的工作性能和力學(xué)性能，本文基于C50普通混凝土，以白色硅酸鹽水泥作為基礎(chǔ)膠凝材料，礦粉和粉煤灰作為輔助膠凝材料，研究了不同長(zhǎng)度和體積摻量玄武巖纖維，不同摻量硅灰對(duì)混凝土的工作性能和力學(xué)強(qiáng)度的影響，所用配合比如下表所示。

復(fù)摻玄武巖纖維和硅灰混凝土配合比

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

混凝土的流動(dòng)度測(cè)試參照標(biāo)準(zhǔn)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E30-2005），通過(guò)坍落度筒測(cè)定新拌混凝土的坍落度和擴(kuò)展度?；炷恋目箟簭?qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試參照標(biāo)準(zhǔn)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E30-2005），試件尺寸150mm×150mm×150mm。試件澆筑24 h后拆模，并在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至測(cè)試齡期。每組配合比選取3個(gè)試件進(jìn)行測(cè)試，并取平均值作為最終強(qiáng)度值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 纖維尺寸和摻量對(duì)混凝土的影響

混凝土的流動(dòng)度測(cè)試參照標(biāo)準(zhǔn)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E30-2005），通過(guò)坍落度筒測(cè)定新拌混凝土的坍落度和擴(kuò)展度，如圖1所示。

圖1 混凝土工作性能檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：混凝土坍落度為210mm～230mm、擴(kuò)展度為 630mm～560mm，具有較好的工作性和可泵送性，滿足橋梁塔柱超高度的泵送要求。不同玄武巖纖維長(zhǎng)度和纖維摻量條件下，新拌混凝土坍落度和擴(kuò)展度的變化如圖2所示。施工中為了滿足超過(guò)200 m高度的泵送要求，根據(jù)《混凝土泵送技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 10-2011），新拌混凝土工作性要滿足坍落度=210 mm±10 mm，擴(kuò)展度≥400 mm。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，玄武巖纖維的長(zhǎng)度和摻量對(duì)坍落度和擴(kuò)展度的影響較小，所有樣品都可保持坍落度=220 mm±10 mm，擴(kuò)展度=600 mm±40 mm，具有較好的工作性和可泵送性。

圖2 不同玄武巖纖維長(zhǎng)度和摻量對(duì)應(yīng)的新拌混凝土坍落度和擴(kuò)展度

纖維對(duì)混凝土的強(qiáng)度具有較顯著的影響，通過(guò)對(duì)樣品的抗壓和抗拉試驗(yàn)測(cè)試，得到纖維長(zhǎng)度和摻量對(duì)混凝土抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響結(jié)果分別如圖3和圖4所示。就不同纖維長(zhǎng)度和摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如圖3所示，使用纖維增強(qiáng)以后，混凝土7 d的抗壓強(qiáng)度即能達(dá)到50 MPa以上。隨著纖維摻量從 0.8 kg/m增加到 2.0 kg/m，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加，后小幅下降的趨勢(shì)，并且隨著纖維長(zhǎng)度的增加，強(qiáng)度下降的幅度增加。由于纖維對(duì)裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展具有很好的控制作用，纖維摻量的增加，更好地阻礙了微裂縫形成貫穿主裂縫，因此強(qiáng)度有所提升。但過(guò)量、過(guò)長(zhǎng)的纖維，使其在漿體拌和過(guò)程中易形成團(tuán)聚，從而引入較多的初始缺陷。

圖3 不同纖維長(zhǎng)度和摻量對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度變化

圖4 不同纖維長(zhǎng)度和摻量對(duì)應(yīng)的劈裂抗拉強(qiáng)度變化

就不同纖維長(zhǎng)度和摻量對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響而言，如圖4所示，結(jié)果表明玄武巖纖維對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度的提升效果更為明顯，當(dāng)纖維長(zhǎng)度為12 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的28d抗拉強(qiáng)度達(dá)到最高的4.8 MPa，約為C50混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的2倍。并且隨著纖維摻量和纖維長(zhǎng)度的增加，抗拉強(qiáng)度均有小幅下降。

3.2 硅灰對(duì)混凝土性能的影響

圖5表示不同摻量的硅灰對(duì)新拌混凝土坍落度的影響。硅灰摻量分別為10kg/m、15kg/m和 20kg/m時(shí)，對(duì)應(yīng)的坍落度值分別為220mm、205mm和205 mm。隨著硅灰摻量的增加，新拌混凝土的坍落度顯著降低。

圖5 硅灰摻量對(duì)混凝土坍落度的變化

隨著硅灰摻量不同，混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果，如圖6所示?？梢钥闯龌炷量箟簭?qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，隨著硅灰摻量的增加而有所提升，硅灰摻量為20kg/m時(shí)，混凝土的28d抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到了 59.2MPa 和 5.4MPa，遠(yuǎn)超過(guò)了 C50混凝土的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值。

圖6 硅灰摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

硅灰由于顆粒尺寸很小，造成表面吸水率較高，因此在拌和過(guò)程中，會(huì)對(duì)漿體的坍落度造成顯著的下降。同時(shí)，硅灰顆粒在基體中能夠有效填充水泥顆粒之間的孔隙，可以提高基體密實(shí)程度，因此對(duì)混凝土的強(qiáng)度具有很好地提升。上述強(qiáng)度測(cè)試的結(jié)果表明，摻加硅灰以后的抗壓強(qiáng)度以及抗拉強(qiáng)度，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)C50混凝土的理論設(shè)計(jì)值。結(jié)合施工過(guò)程中的可操作性，硅灰摻量為10kg/m的效果最好。

4 結(jié)論

針對(duì)索支撐橋梁混凝土超高塔柱混凝土存在施工過(guò)程中出現(xiàn)裂縫、開(kāi)裂等現(xiàn)象，本文通過(guò)使用白色硅酸鹽水泥、玄武巖纖維增強(qiáng)和硅灰復(fù)摻的方式，設(shè)計(jì)出了抗拉強(qiáng)度高、美觀性好、可泵送的白色纖維高性能混凝土。本文具體有以下幾點(diǎn)結(jié)論：

①?gòu)?fù)摻玄武巖纖維和硅灰能夠提升混凝土的抗拉性能，纖維和硅灰增強(qiáng)后的混凝土抗拉強(qiáng)度可達(dá)到5.4MPa，超過(guò)C50混凝土標(biāo)準(zhǔn)值的2倍以上；

②玄武巖纖維長(zhǎng)度在12mm～20mm，摻量在 0.8kg/m～2.0kg/m變化時(shí)，對(duì)新拌混凝土的坍落度影響較小，但混凝土抗壓強(qiáng)度隨摻量增加先上升后下降，隨纖維長(zhǎng)度增加小幅下降，混凝土抗拉強(qiáng)度隨纖維摻量和長(zhǎng)度的增加都小幅下降，這是由于纖維摻量過(guò)多或長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，容易在攪拌時(shí)發(fā)生團(tuán)聚，增加了基體中的初始缺陷，因此，玄武巖纖維長(zhǎng)度為 12mm、摻量為 1kg/m～1.5kg/m時(shí)最優(yōu)；

③白色纖維混凝土復(fù)摻硅灰能夠顯著提升基體強(qiáng)度，且隨著硅灰摻量的增加，抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度都逐漸增高。但由于硅灰摻量的增加會(huì)顯著降低新拌混凝土工作性能，因此，硅灰摻量為10kg/m時(shí)最優(yōu)。