玄武巖纖維長度對(duì)噴射混凝土抗碳化和抗?jié)B性能影響的試驗(yàn)研究

王先剛，楊 柳

(四川炬原玄武巖纖維科技有限公司，四川達(dá)州 635000)

噴射混凝土材料常用于隧道及巷道工程的初期和永久支護(hù)，但由于其施作方法特殊會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生更多的微裂隙，降低結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能[1-3]。玄武巖纖維作為一種新型材料[4],正被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。

有大量學(xué)者[5-7]對(duì)酸堿環(huán)境對(duì)玄武巖耐久性的影響進(jìn)行了研究；蘇青青[8]針對(duì)玄武巖纖維和聚丙烯纖維抗?jié)B性進(jìn)行了研究，確定了二者抗?jié)B性皆優(yōu)于普通混凝土，但聚丙烯纖維效果稍強(qiáng)；尹玉龍[9]研究玄武巖纖維單摻以及與礦物摻合料混摻對(duì)混凝土的力學(xué)性能、耐久性能的影響，并通過微觀檢測技術(shù)，從微觀角度結(jié)合宏觀性能進(jìn)行相關(guān)機(jī)理分析；陳峰等[10]通過滲透性試驗(yàn)、抗氯離子滲透性試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)進(jìn)行研究玄武巖纖維對(duì)水泥土抗?jié)B性的影響，摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、0.5%、1.0%和1.5%的玄武巖纖維，得到玄武巖纖維水泥土的滲透系數(shù)和電通量值，獲得了最優(yōu)的摻量值；張克純[11]通過配合比方法設(shè)計(jì)10組混凝土試塊,進(jìn)行抗?jié)B、抗裂和抗壓性能測試，研究了聚丙烯纖維和玄武巖纖維對(duì)混凝土耐久性性能的影響。王海良等[12]及曹磊[13]對(duì)凍融循環(huán)作用下的玄武巖纖維混凝土耐久性影響進(jìn)行了研究；郭瑞晉[14]對(duì)不同高溫環(huán)境作用后的玄武巖纖維混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了研究；胡婧[15]采用快速氯離子遷移系數(shù)法、快凍法對(duì)玄武巖纖維混凝土的抗氯離子滲透性能及抗凍性能進(jìn)行研究，得到纖維高強(qiáng)混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)與纖維體積率的關(guān)系式及凍融損傷模型。

綜上所述，目前對(duì)玄武巖混凝土耐久性的研究多局限于對(duì)其抗?jié)B性能、抗凍性能的研究以及酸堿性狀態(tài)下玄武巖混凝土的耐久影響，對(duì)玄武巖纖維長度對(duì)其耐久性影響的研究較少。本文通過設(shè)計(jì)不同長度玄武巖纖維下的混凝土工況，從抗水滲透性能，抗碳化性能2個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行測試分析，得到對(duì)不同長度玄武巖纖維對(duì)玄武巖混凝土耐久性的影響程度，并從微觀層面對(duì)其成因進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)所使用的3種規(guī)格的玄武巖纖維均是由連續(xù)玄武巖原絲短切而成的，纖維如圖1所示。具體指標(biāo)詳見表1，配合比、材料用量及部分材料參數(shù)詳見表2。

圖1 玄武巖纖維

表1 玄武巖纖維性能指標(biāo)

將摻入不同長度(6 mm、16 mm、50 mm)玄武巖纖維的噴射混凝土、素噴射混凝土共分為4組工況，詳見表3。并對(duì)不同工況噴射混凝土展開力學(xué)和耐久性試驗(yàn)探究，試驗(yàn)內(nèi)容見表4。

2 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)中所使用的試件拌和、噴射、切割及養(yǎng)護(hù)均按照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和CECS13：2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定執(zhí)行。拌和玄武巖纖維混凝土?xí)r為防止纖維“團(tuán)聚”，采用“二次攪拌法”，先將纖維與骨料、水泥干拌均勻后，再添加水、外加劑進(jìn)行濕拌。噴射試件在養(yǎng)護(hù)28天，切割成型之后，按表4中規(guī)范要求進(jìn)行試驗(yàn)。耐久性試驗(yàn)中抗水滲透試驗(yàn)選擇規(guī)范中的“逐級(jí)加壓法”，抗凍試驗(yàn)選擇“快凍法”(圖2、圖3)。

表2 配合比及材料用量

表4 試驗(yàn)內(nèi)容 單位:mm

圖2 纖維噴射混凝土板制備

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 抗水滲透試驗(yàn)分析

抗?jié)B試驗(yàn)部分試件如圖4所示，依照試驗(yàn)規(guī)范中“逐級(jí)加壓法”進(jìn)行試驗(yàn)后，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

圖3 實(shí)驗(yàn)流程

圖4 抗?jié)B試驗(yàn)部分試件

從表5可知，所有工況試件的抗?jié)B等級(jí)均大于P12，都具有良好的抗?jié)B性能，為進(jìn)一步比較抗?jié)B性能的優(yōu)劣，以滲水時(shí)的靜水壓力作為抗?jié)B能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行比較。可以看到玄武巖纖維摻入可以有效提高混凝土的抗?jié)B能力，纖維長度對(duì)混凝土抗?jié)B能力有影響，3種長度抗?jié)B能力：BF16>BF6>

表5 抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果

圖5 靜水壓力增幅百分比

BF50(表6)。

為進(jìn)一步分析不同纖維對(duì)噴射混凝土的抗?jié)B能力提升效果普通混凝土組作為基礎(chǔ)，計(jì)算不同工況的提升百分比，并作柱狀圖如圖5所示。

從圖5可以更加清晰的看出各個(gè)工況相較于普通噴射混凝土試件的抗?jié)B能力增幅情況，3種長度玄武巖纖維抗?jié)B能力增幅分別為30%、46%、16%，BF16增幅最大，BF50增幅最小僅為BF16的1/3。

表6 不同工況平均靜水壓力

在混凝土中摻入纖維后，由于其雜亂地分布在混凝土中，形成了空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，減少了新拌混凝土的離析，提高了混凝土的保水性，減少了硬化后混凝土中的孔道與缺陷，從而提高了混凝土的抗?jié)B性；另一方面，由于保水性的改善使得水泥漿體在混凝土中的水化更加均勻、徹底，抗?jié)B性得到提高。此外，纖維可有效抑制混凝土早期裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，減少混凝土中的缺陷，從而改善混凝土的抗?jié)B性。不同長度的玄武巖纖維對(duì)抗?jié)B能力的作用效果不同，主要原因在于不通長度纖維在混凝土基體中的分散均勻性不同，長度越長，分散越不均勻，對(duì)性能提升效果越差，BF50纖維長度過長，分散不均勻，抗?jié)B能力最差；而一定長度的纖維在混凝土中起到橋接裂縫的作用，纖維長度越短，此效果越不明顯，所以BF16增大大于BF6。

3.2 抗碳化試驗(yàn)分析

當(dāng)碳化時(shí)間到達(dá)3天、7天、14天和28天時(shí)，分別取出試件，破型測定碳化深度，部分破型試塊照片見圖6。

圖6 玄武巖纖維混凝土碳化破型試塊

根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果繪制各工況各測量面碳化深度曲線，如圖7所示。

圖7 不同工況不同檢測面碳化深度

從圖7中可以看到，由于噴射混凝土的不均勻性，同工況試件的不同檢測面的碳化深度存在不均勻性，但整體滿足，頂面碳化深度最深、碳化速度最快、底面次之，頂面碳化深度和速度最小的特點(diǎn)，此規(guī)律對(duì)于各種工況試件都適用，表明此規(guī)律是普遍適用于噴射混凝土試件的，與是否加入纖維無明顯聯(lián)系。分析原因?yàn)椋嚎紤]施工工藝的影響，施工工藝主要通過影響混凝土的密實(shí)性來影響其碳化性能，噴射混凝土成型過程中其拌合料以較高速度噴向受噴面，水泥與骨料受到連續(xù)沖擊得以壓實(shí)，提高了混凝土的密實(shí)性，因此碳化速度較慢；同時(shí)由于施工時(shí)回彈料的裹入、含水量人為控制等都可能造成其均質(zhì)性降低，尤其沿垂直噴射方向(試件側(cè)面)易出現(xiàn)孔洞、未水化夾層等缺陷使得混凝土局部密實(shí)度降低，抗碳化性能下降，故試件側(cè)面的碳化深度較大。其次，噴射初期由于料束與巖壁(模底)發(fā)生碰撞，回彈較大，混凝土密實(shí)度較低，而噴層達(dá)一定厚度時(shí)便形成塑性墊層，料束粘結(jié)性能增強(qiáng)、回彈降低、密實(shí)度提高，因此試件頂面的碳化速度低于底面(圖8)。

圖8 缺陷較明顯試件

從圖8可以看到，隨著碳化時(shí)間的增長，混凝土碳化深度變化情況滿足逐漸增大的趨勢，不同工況的變化趨勢存在些許差異。其中BF50摻入混凝土對(duì)混凝土抗碳化起負(fù)作用，14天齡期之前碳化深度增長較快，14天后幾乎無明顯增長，原因是BF50因尺寸較大，前期在混凝土基體中分散較其余工況更加不均勻，橫跨水泥基體和骨料，形成部分微裂縫，并且隨著碳化時(shí)間的增長，CO2較容易沿微裂縫侵入混凝土內(nèi)，在14天左右時(shí)間已經(jīng)完成大部分侵入，后續(xù)增加碳化時(shí)間，影響較小。

SF摻入混凝土中，對(duì)混凝土抗碳化性能增幅最大，SF工況碳化深度變化規(guī)律與BF50工況較為相似，滿足前期增幅大，后期增幅較小的效果。

BF6、BF16摻入混凝土后混凝土碳化深度隨齡期增長規(guī)律與普通混凝土組相近，整體增長幅度較為均勻，隨時(shí)間增長幅度逐漸減小。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，3天時(shí)除BF50碳化深度較其他工況組深，其他各組碳化深度相差不大，早期鋼纖維體現(xiàn)較好的抗碳化性能，相較于普通混凝土，減少了72.3%，BF6和BF16組雖有降低，但幅度較小。

7天、14天及28天時(shí)，玄武巖纖維的碳化深度整體規(guī)律接近，說明BF對(duì)抗碳化能力的提高能力較為穩(wěn)定，14天時(shí)鋼纖維碳化深度與BF6和BF16較為接近，較7天時(shí)增幅較大，而28天時(shí)較14天增幅較小，說明SF對(duì)混凝土抗碳化能力的提升，早期較為明顯。

纖維增強(qiáng)混凝土抗碳化性能主要表現(xiàn)在空隙填充和減少裂隙2個(gè)方面。一方面，混凝土作為一種復(fù)合材料，本身存在很多相互連通的孔洞;一定量纖維的摻入，在其內(nèi)部形成復(fù)雜的三維亂向體系，亂相分布的纖維能夠阻礙粗骨料的下沉，使混凝土內(nèi)部更加均勻，減少混凝土中的固有孔洞，從而提高混凝土密實(shí)度。鋼纖維因?yàn)榫哂休^高的基礎(chǔ)強(qiáng)度，在支撐粗骨料，防止其下沉方面具有更好的效果，而粗骨料下沉階段發(fā)生與混凝土早期，因此早期鋼纖維具有較好的作用效果，與試驗(yàn)結(jié)果相符。

纖維的摻入還可以減小混凝土碳化速率?；炷撂蓟螅蓟a(chǎn)物填充孔隙、改善顆粒界面結(jié)構(gòu)，大孔隙相對(duì)減少，孔徑分布較為均勻，纖維的摻入降低了混凝土基體的總孔率，隔斷了部分水分溢出的通道，減少了內(nèi)部水分的流失和蒸發(fā)速度，使混凝土內(nèi)部水化更加充分，為混凝土碳化提供了更多的原料，生成更多的CaCO3來填充孔隙，減緩后期CO2的侵入，減小了混凝土的碳化速率。

大量分布在砂漿中的纖維會(huì)使砂漿中的毛細(xì)孔變小，毛細(xì)管細(xì)化甚至堵塞，另外，纖維的加入減少或阻止了混凝土中裂縫的形成、生長及擴(kuò)展，并阻斷裂紋的連通，也就是說，在纖維混凝土中，纖維削弱了CO2的擴(kuò)散途徑，抑制了CO2的擴(kuò)散，故纖維混凝土的抗碳化能力高于基準(zhǔn)混凝土。

4 結(jié)束語

本文對(duì)相同體積摻量(4 kg/m3)不同長度(6 mm、16 mm、50 mm)玄武巖纖維(BF)的噴射混凝土(BFRSC)和素噴射混凝土(PC)進(jìn)行了抗水滲透實(shí)驗(yàn)分析、抗碳化實(shí)驗(yàn)分析以及抗凍實(shí)驗(yàn)分析，分析使用不同長度玄武巖纖維對(duì)于噴射混凝土耐久性能的影響和其成因。結(jié)果表明：

(1)玄武巖纖維摻入可以有效提高混凝土的抗?jié)B能力，纖維長度對(duì)混凝土抗?jié)B能力有影響，3種長度抗?jié)B能力：BF16>BF6>BF50，其中BF16對(duì)抗?jié)B能力增幅達(dá)到46%。

(2)SF早期對(duì)混凝土抗碳化性能增幅最大，相較于普通混凝土，碳化深度減少了72.3%。

(3)BF對(duì)抗碳化能力的提高能力較為穩(wěn)定，7天、14天及28天時(shí)，不同長度玄武巖纖維混凝土的碳化深度整體規(guī)律接近。綜上所述，16 mm長度的玄武巖纖維對(duì)噴射混凝土抗?jié)B性能增幅最大，不同長度玄武巖纖維對(duì)噴射混凝土提升幅度相差不大。