玄武巖纖維摻量對硅酸鹽混凝土力學(xué)性能影響

符 德，符 曜，郭春梅

(1.南召縣農(nóng)村公路管理所，河南 南召 474650； 2.南召縣交通運(yùn)輸局，河南 南召 474650； 3.南召縣人社局，河南 南召 474650)

由于瀝青路面具有行車舒適性好、建設(shè)周期短等特點(diǎn)，目前高等級公路及城市道路基本都采用瀝青路面，但由于瀝青混凝土是一種彈塑性材料，在高溫天氣容易產(chǎn)生車轍等病害，因此對于供重載車輛通行或物流運(yùn)輸路線的道路仍然多采用水泥混凝土路面，水泥混凝土路面具有抗壓強(qiáng)度高、板體性好、經(jīng)濟(jì)耐久的優(yōu)點(diǎn)，但由于普通水泥混凝土作為一種剛性材料，具有脆性大、抗拉強(qiáng)度低和易產(chǎn)生裂縫的缺陷[1-5]。大量研究表明，玄武巖纖維在改善水泥混凝土抗拉強(qiáng)度和延緩開裂方面具有很好的效果[6-7]。

玄武巖纖維是利用玄武巖石料經(jīng)過1 400 ℃以上高溫熔融并拉絲而成的無機(jī)環(huán)保材料，它具有化學(xué)性能穩(wěn)定、耐受高溫和力學(xué)性能好的特點(diǎn)。有學(xué)者研究了玄武巖纖維在改善混凝土密實(shí)性和提高混凝土抗裂性能方面具有良好的效果[8]；通過分析玄武巖纖維對于混凝土抗壓強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度的影響，并建立了玄武巖纖維用量與混凝土力學(xué)性能的關(guān)系式[9]；通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了玄武巖纖維不同長度和不同摻量對于抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗凍性的影響，并采用核磁共振和掃描電鏡微觀手段分析了玄武巖纖維在混凝土中的作用機(jī)理[10]。為進(jìn)一步確定玄武巖纖維的最優(yōu)摻量，為工程實(shí)踐提供理論支撐，本文以不同摻量的玄武巖纖維對于水泥混凝土各方面力學(xué)性能的影響為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)一步研究確定玄武巖纖維的最優(yōu)用量。

1 原材料與配合比

1.1 原材料性能

水泥作為混凝土的主要結(jié)合料，其性質(zhì)直接影響著水泥混凝土的強(qiáng)度，試驗(yàn)用水泥選擇安徽海螺牌42.5R普通硅酸鹽水泥，其主要指標(biāo)性質(zhì)見表1。纖維材料選用浙江某纖維科技有限公司生產(chǎn)的直徑為13 μm、長度為6 mm的玄武巖纖維(簡稱BF)，其密度為2.63 g/cm3，斷裂伸長率為3.2%，彈性模量為90～110 GPa。根據(jù)文獻(xiàn)[11]～文獻(xiàn)[13]的研究，水泥混凝土中摻入粉煤灰可節(jié)省水泥用量，降低細(xì)骨料比例，一定程度地改善混凝土的和易性，并能降低水化熱，選擇江西某電力公司提供的II級粉煤灰，粉煤灰活性指數(shù)為83.6%，細(xì)度為15.3%，需水量比為101.6%，燒失量為4.2%。粗骨料選擇粒徑為5～20 mm的天然碎石，細(xì)骨料選擇細(xì)度模數(shù)為2.7的潔凈河沙。減水劑采用聚羧酸鹽高性能減水劑，其用量占膠凝材料的1%。

表1 42.5R普通硅酸鹽水泥指標(biāo)性質(zhì)Tab.1 Index properties of 42.5R ordinary silicate cement

1.2 配合比設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級為C30，實(shí)驗(yàn)室基準(zhǔn)配合比采用每立方米混凝土所需原料進(jìn)行設(shè)計(jì)，其水膠比為0.40，砂率為0.32，具體原料用量見表2。玄武巖纖維是在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上采用外摻方式加入到混凝土中，其體積摻量分別為0.1%、0.2%、0.3%和0.4%。

表2 混凝土實(shí)驗(yàn)室基準(zhǔn)配合比Tab.2 Concrete lab reference mix ratio kg/m3

1.3 試件制備

按實(shí)驗(yàn)室基準(zhǔn)配合比稱取原材料，將碎石、砂和水泥、粉煤灰分別加入攪拌鍋拌和60 s并在干拌過程中逐漸加入玄武巖纖維，使纖維均勻分散在混合料中；然后加入稱量好的潔凈自來水和減水劑再次攪拌180 s，將拌和好的混凝土加入表面涂有脫模劑的干凈模具中，固定好模具后放于振動(dòng)臺上振搗至混凝土體積穩(wěn)定后，采用刀片將試件表面抹平后將試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h后方可拆模，拆模后繼續(xù)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期即可開始試驗(yàn)。

2 力學(xué)性能

混凝土路面在鋪筑后其強(qiáng)度增長和硬化速率會受到外界溫度及濕度環(huán)境的影響，在外界環(huán)境的作用下會發(fā)生體積収縮并產(chǎn)生裂紋，外界侵蝕性物質(zhì)會順著早期裂紋進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)，使裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，從而影響混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性[14]。為提高混凝土路面的使用耐久性，需要保證混凝土具有足夠的力學(xué)強(qiáng)度和抗裂性能。本文分別從抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和早期開裂性能方面對摻玄武巖纖維的混凝土進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2.1 抗壓強(qiáng)度

室內(nèi)成型不同體積摻量0%、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%的規(guī)格均為100 mm×100 mm×100 mm試件，采用WHY-3000全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)分別測試其養(yǎng)護(hù)3、7和28 d的混凝土試件抗壓強(qiáng)度，并將試驗(yàn)結(jié)果乘尺寸換算系數(shù)0.95，其結(jié)果如圖1所示。

圖1 玄武巖纖維摻量對不同齡期混凝土 抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of basalt fiber mixing on the compressive strength of concrete of different ages

從圖1可以看出，混凝土抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期增加而逐漸增大，在養(yǎng)護(hù)齡期為3 d時(shí)，摻0.1%玄武巖纖維的混凝土相對于素混凝土抗壓強(qiáng)度提升幅度最大。另外，可以發(fā)現(xiàn)在任一養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，加入0.1%玄武巖纖維時(shí)的混凝土抗壓強(qiáng)度均最大，且當(dāng)玄武巖纖維摻量大于或等于0.2%后混凝土的抗壓強(qiáng)度均有不同程度的減小，對于摻量0.4%玄武巖纖維且養(yǎng)護(hù)28 d齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度相對于素混凝土降低了7.7%。說明少量的玄武巖纖維對于混凝土抗壓強(qiáng)度具有改善作用，但玄武巖纖維摻量較大時(shí)對于混凝土抗壓強(qiáng)度會產(chǎn)生不利影響。此外，在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)素混凝土在加壓過程中立即破壞，且具有明顯的脆性破壞特征；而摻入玄武巖纖維的混凝土破壞過程相對遲緩，且能明顯看到混凝土裂紋處存在斷裂的纖維，表現(xiàn)出一定的塑性特征。這可能是由于混凝土出現(xiàn)裂紋后，摻入的玄武巖纖維便開始起作用，以抑制裂紋的進(jìn)一步發(fā)展，并且在裂紋擴(kuò)展過程中纖維斷裂也會消耗一部分能量。

2.2 抗折強(qiáng)度

按不同摻量的玄武巖纖維制備成尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的混凝土試件，并采用MTS萬能材料試驗(yàn)機(jī)對養(yǎng)護(hù)3、7和28 d的混凝土試件進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果乘尺寸換算系數(shù)0.85，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 玄武巖纖維摻量對不同齡期混凝土 抗折強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of basalt fiber mixing on the bending strength of concrete at different ages

從圖2可以看出，由于水泥水化及凝結(jié)硬化，混凝土抗折強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期增加持續(xù)增長。在任一養(yǎng)護(hù)齡期，相對于素混凝土而言，摻玄武巖纖維的混凝土抗折強(qiáng)度明顯提高，且隨著玄武巖纖維摻量增加而呈增大趨勢，直到摻量為0.3%時(shí)其抗折強(qiáng)度達(dá)到了峰值，然而摻量不宜過大，當(dāng)摻量為0.4%時(shí)雖具有改善效果，但開始有所降低。說明摻玄武巖纖維可以一定程度地改善和增強(qiáng)混凝土的抗折強(qiáng)度，但摻量不宜高于0.3%。這可能是由于一定量的纖維可以改善混凝土的密實(shí)性，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)達(dá)到最佳狀態(tài)，而摻量過大時(shí)反倒會使這種最佳狀態(tài)受到破壞[15]，且由于纖維自身較大的比表面積需要更多的水泥漿體包裹；然而纖維摻量過多時(shí)會導(dǎo)致部分纖維無法被包裹，混凝土內(nèi)部致密性受到影響，在界面處就會容易出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致試件過早破壞。

2.3 劈裂抗拉強(qiáng)度

室內(nèi)成型規(guī)格為100 mm×100 mm×100 mm混凝土試件，采用伺服儀分別測試混凝土試件養(yǎng)護(hù)期為3、7和28 d的試件破壞時(shí)的最大荷載值，然后通過受壓面積換算為劈裂抗拉強(qiáng)度值，其結(jié)果如圖3如示。

圖3 玄武巖纖維摻量對不同齡期混凝土劈裂 抗拉強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of basalt fiber mixing on tensile strength of concrete at different ages

從圖3可以看出，較素混凝土相比，摻入玄武巖纖維的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度都有了一定幅度的提高，且在不同齡期每種纖維摻量對應(yīng)的抗拉強(qiáng)度增長幅度有所不同，在齡期為7 d時(shí)纖維摻量為0.2%的劈裂抗拉強(qiáng)度最大；在齡期3、28 d時(shí)纖維摻量為0.3%的劈裂抗拉強(qiáng)度最大，此時(shí)相對于素混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度分別增長了33.5%、21.7%?？梢园l(fā)現(xiàn)，劈裂抗拉強(qiáng)度并非隨著纖維摻量增加而持續(xù)增長，玄武巖纖維用量存在一個(gè)最佳值，超過了最佳用量值，這種改善作用效果會降低；說明玄武巖纖維對于混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度具有改善作用，其用量不宜超過0.3%。其原因可能是由于適量的纖維被水泥漿體包裹，填充了水泥水化作用后留下的孔隙，增加了混凝土的結(jié)構(gòu)致密性，在混凝土受到拉應(yīng)力荷載時(shí)由于纖維自身具有較大的抗拉強(qiáng)度，也會承擔(dān)一部分受力，起到了良好的阻裂效果。此外有研究表明[16-18]，玄武巖纖維微觀結(jié)構(gòu)顯示纖維在混凝土內(nèi)部成交錯(cuò)分布，它會與水泥水化產(chǎn)物形成相互交織的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由此可以看出，這種結(jié)構(gòu)形式不但提高了粘接料與骨料之間的附著力，而且在受到拉應(yīng)力時(shí)也會起到良好的抗裂效果，這也是混凝土抗拉強(qiáng)度提高的原因。

2.4 早期開裂性能

采用BEC-9型不銹鋼混凝土刀口約束早期開裂試驗(yàn)裝置對800 mm×600 mm×100 mm平面薄板混凝土試件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置內(nèi)裝有裂縫誘導(dǎo)發(fā)生器，試驗(yàn)養(yǎng)護(hù)周期為1、3 d，以平均開裂面積、單位面積的裂縫數(shù)和總開裂面積為評價(jià)指標(biāo)，具體結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 玄武巖纖維對混凝土早期平均開裂面積的影響Fig.4 Effect of basalt fiber on the early average-cracking area of concrete

圖5 玄武巖纖維對混凝土單位面積的裂縫數(shù)影響Fig.5 Effect of basalt fiber on the number of cracks per unit area of concrete

從圖4～圖6可以看出，無論養(yǎng)護(hù)齡期為1 d還是3 d，素混凝土對應(yīng)的平均開裂面積、單位面積的裂縫數(shù)和總開裂面積等指標(biāo)值最大，在玄武巖纖維用量為0.1%～0.2%時(shí)，混凝土對應(yīng)的各指標(biāo)值均有明顯的減小，且纖維用量為0.3%～0.4%時(shí)各指標(biāo)值均趨于0，即混凝土早期不再出現(xiàn)裂縫；說明玄武巖纖維對于抑制混凝土早期開裂具有顯著的改善作用。這是由于纖維的加入改善了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增加了密實(shí)度，提高了骨料與結(jié)合料的界面特征，一定程度也抵消了混凝土內(nèi)部應(yīng)力和限制了裂紋的增長。此外，也有研究表明[19-20]，玄武巖纖維加入后可以減緩水分的蒸發(fā)速度，加強(qiáng)了混凝土內(nèi)部的水化反應(yīng)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性特征，可能這也是導(dǎo)致混凝土早期抗裂性能較好的原因。

圖6 玄武巖纖維對混凝土單位面積的 總開裂面積影響Fig.6 Effect of basalt fiber on the total cracking area per unit area of concrete

3 結(jié)語

(1)低劑量0.1%玄武巖纖維可以提高混凝土抗壓強(qiáng)度；用量大于0.2%后抗壓強(qiáng)度就出現(xiàn)了不同程度的降低。整體上玄武巖纖維對于混凝土的抗壓強(qiáng)度作用不佳，但可改善混凝土的脆性特征，抑制裂紋發(fā)展；

(2)適量的玄武巖纖維可增強(qiáng)混凝土的抗折強(qiáng)度，當(dāng)纖維用量低于0.3%時(shí)混凝土抗折強(qiáng)度隨纖維用量增加而不斷提高；當(dāng)纖維用量在0.4%時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度的增幅開始變小，纖維用量不宜大于0.3%；

(3)不同齡期每種纖維摻量對應(yīng)的抗拉強(qiáng)度增長幅度有所不同，在齡期為7 d時(shí)纖維摻量為0.2%的劈裂抗拉強(qiáng)度最大；在齡期3 d和28 d時(shí)，纖維摻量為0.3%的劈裂抗拉強(qiáng)度相對于素混凝土分別增長了33.5%、21.7%，且在纖維用量0.4%時(shí)這種改善效果會降低，說明其用量不宜超過0.3%；

(4)在養(yǎng)護(hù)齡期為1、3 d時(shí)，相對于素混凝土，摻入玄武巖纖維的混凝土對應(yīng)的平均開裂面積、單位面積的裂縫數(shù)和總開裂面積等指標(biāo)值明顯減小，且纖維用量為0.3%～0.4%時(shí)混凝土無裂縫產(chǎn)生。