高溫條件下玄武巖纖維混凝土性能研究

徐冬梅

（遼寧理工職業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121007）

玄武巖纖維具有優(yōu)異的力學(xué)性能，耐腐蝕、耐高溫且造價低廉[1]。在混凝土中摻入適量的玄武巖纖維可顯著提高混凝土的抗壓強度，且玄武巖纖維的長度對混凝土的抗壓強度也有一定影響[2]。玄武巖纖維混凝土以其優(yōu)異的耐高溫性能，越來越受到研究者的重視[3]。與普通混凝土相比，具有更高的強度、韌性和耐久性。然而，在高溫環(huán)境下，玄武巖纖維混凝土的性能會發(fā)生不同程度的變化，其中主要表現(xiàn)為韌性的下降[4]。這對其在高溫環(huán)境下的應(yīng)用帶來了一定的挑戰(zhàn)。研究發(fā)現(xiàn)，火災(zāi)是建筑結(jié)構(gòu)的主要風(fēng)險之一[5]。因此，研究高溫條件下玄武巖纖維混凝土的斷裂韌性具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。近年來，對于高溫條件下玄武巖纖維混凝土性能的研究方興未艾。學(xué)者們在不斷探索不同因素對這種混凝土在高溫下的性能影響，并得到了階段性的成果。例如，設(shè)置不同溫度條件進(jìn)行玄武巖纖維混凝土的抗彎強度、抗壓強度和變形特性等力學(xué)性能指標(biāo)變化觀察，發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，混凝土抗彎強度和抗壓強度下降，變形能力下降，而孔隙度和表觀孔徑增加[6]。在不同纖維摻量條件下，玄武巖纖維混凝土的強度和撓曲性能并不會產(chǎn)生顯著的影響，但隨著溫度的提高，該混凝土的晶粒尺寸、結(jié)晶度發(fā)生逐漸減小，孔隙度在不斷增加，其微觀結(jié)構(gòu)也在發(fā)生不同程度的變化，且長時間的高溫處理對該混凝土的性能的影響顯著強于短時間高溫處理[7]。隨著工程建設(shè)技術(shù)不斷提高及對建筑防火安全性需求的不斷增加，玄武巖纖維混凝土作為一種防火性能良好的新型材料，應(yīng)用范圍也越來越廣泛[8]。然而，在其實際應(yīng)用中，往往會遇到各種高溫環(huán)境，如火災(zāi)、地震等，抑或者是高溫工藝生產(chǎn)等需求，因此，研究玄武巖纖維混凝土在高溫環(huán)境下的力學(xué)性能，對于促進(jìn)其應(yīng)用和推廣具有十分重要的意義。

1 試驗研究

1.1 試驗材料

本研究選取強度等級為P·O 42.5 的普通硅酸鹽水泥，粗骨料選取玄武巖骨料，粒徑大小為5～20 mm，吸水率為1.24%，相對密度為2.88 g/cm3，細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為2.6的M40 級機制沙，玄武巖纖維采用18mm 長的玄武巖纖維，含量為1%，纖維抗拉強度為1 000 MPa，纖維拉伸模量為45 GPa?；炷僚浜媳葹樗啵荷埃汗橇?= 1:2.84:4.07，水灰比為0.5，具體配合比見表1。由此研究不同纖維摻量（0.5%、1.0%、1.5%、2.0%）長度為16 mm，直徑為12 mm 的玄武巖纖維。

表1 混凝土配合比

玄武巖纖維的摻量根據(jù)所選的百分比進(jìn)行計算。例如，0.5%的摻量為1 000 g×0.5%=5 g。水泥、砂、骨料的具體用量則根據(jù)配合比計算。例如，水泥：砂：骨料=1:2.84:4.07 表示在1 000 g混凝土中，水泥用量為143.18 g，砂用量為406.59 g，骨料用量為584.33 g。水的用量則需要根據(jù)水灰比計算，水泥用量為143.18 g，則水的用量為143.18×0.5=71.59 g。

1.2 試驗方法

收集強度符合GBT 14684—2011 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的水泥、砂、骨料和玄武巖纖維材料按照試驗材料中設(shè)置的混凝土配合比進(jìn)行配制。然后制作尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 的立方體試樣和尺寸為150 mm×150 mm×300 mm 的棱柱體試樣，將混凝土試樣置于室溫（20±2）℃下澆筑，并在模具中放置24 h。脫模后進(jìn)行7 d 的干燥，然后在室溫下養(yǎng)護(hù)28 d。養(yǎng)護(hù)期結(jié)束后，將試樣置于高溫環(huán)境中進(jìn)行熱處理，每組試件均經(jīng)歷5 種溫度（25、100、200、300、400℃），恒溫時間為2 h。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 物理性能變化

為保證試驗結(jié)果的有效性，在試驗之前選取含量為1%的纖維摻量的混凝土樣品置于不同溫度下恒溫2 h，觀察混凝土的物理變化。當(dāng)溫度為25 ℃時，玄武巖混凝土無明顯的物理變化；當(dāng)溫度為100 ℃時，混凝土的質(zhì)地和顏色略有變化，但是強度基本沒有下降，質(zhì)量僅有輕微的損失；當(dāng)溫度為200 ℃時，混凝土的物理性能開始明顯下降，其強度、韌性和穩(wěn)定性都有所減弱，外觀顏色也可能出現(xiàn)變化；當(dāng)溫度為300 ℃時，混凝土物理性能持續(xù)下降，出現(xiàn)裂紋、變形和燒結(jié)等現(xiàn)象，顏色也可能發(fā)生深度改變；當(dāng)溫度為400 ℃時，混凝土的強度急劇下降，可見明顯破裂，局部甚至出現(xiàn)溶解或炭化的現(xiàn)象。

2.2 質(zhì)量損失率

質(zhì)量損失率是指在某一物理或化學(xué)作用下，物體的質(zhì)量減少的百分比。對于混凝土來說，質(zhì)量損失率反映了混凝土受到高溫作用后質(zhì)量的變化。在高溫環(huán)境下，混凝土中的水分和有機質(zhì)會失去，化學(xué)反應(yīng)會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致混凝土的質(zhì)量損失，其具體范圍標(biāo)準(zhǔn)為：溫度為25 ℃對應(yīng)的質(zhì)量損失率范圍為0%～1%；溫度為100 ℃對應(yīng)的質(zhì)量損失率為1%～3%；溫度為200 ℃對應(yīng)質(zhì)量損失率為4%～7%；溫度為300 ℃對應(yīng)的質(zhì)量損失率為9%～15%；溫度為400 ℃對應(yīng)的質(zhì)量損失率范圍為16%～25%。通過觀察記錄的不同溫度下玄武巖混凝土質(zhì)量損失率均在正常范圍之內(nèi)，具體結(jié)果如表2。

表2 不同溫度下玄武巖混凝土質(zhì)量損失率

2.3 抗壓強度和斷裂韌性

試驗結(jié)果表明，隨著溫度的升高，玄武巖混凝土的抗壓強度逐漸降低，其中纖維摻量的不同也會影響其表現(xiàn)。在溫度為400 ℃時，與室溫相比，不同纖維摻量的混凝土抗壓強度均有明顯的下降，且隨著纖維摻量的增加，其強度下降的程度稍有減緩。具體結(jié)果詳見表3。

表3 不同纖維摻量玄武巖混凝土的抗壓強度變化（ 單位：MPa）

斷裂韌性是混凝土的重要性能參數(shù)之一。試驗結(jié)果表明，隨著溫度的升高，纖維混凝土的斷裂韌性整體呈現(xiàn)下降趨勢。在溫度為400 ℃時，纖維摻量為1%時樣品的斷裂韌性與室溫相比降低約20%。具體結(jié)果詳見表4。

表4 不同纖維摻量玄武巖混凝土的斷裂韌性變化（單位：MPa·m1/2）

從試驗結(jié)果來看，在不同纖維摻量下，隨著溫度的升高，玄武巖纖維混凝土的抗壓強度有所降低，溫度超過300 ℃時降幅尤為明顯。這是由于纖維和混凝土的熱膨脹系數(shù)不同，溫度升高引起了內(nèi)部應(yīng)力的集中，從而導(dǎo)致了玄武巖纖維混凝土的強度下降。同時，在高溫下，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)大量微裂紋和裂縫，基本上覆蓋了整個混凝土。這也是導(dǎo)致混凝土斷裂韌性下降的主要原因。在纖維摻量一定的情況下，纖維的加入可以提高混凝土的斷裂韌性，但是在高溫條件下，不同纖維摻量的影響出現(xiàn)差異。當(dāng)纖維摻量為1.5%時，斷裂韌性達(dá)到最高值，隨后有所下降。當(dāng)溫度超過300 ℃時，不同摻量的纖維的斷裂韌性均有所下降。這表明，在高溫下，纖維的加入可以部分抵消混凝土強度和斷裂韌性的降低，但是高溫還是會對其性能產(chǎn)生影響，而纖維摻量的選擇也需要根據(jù)具體情況進(jìn)行考慮。

2.4 顯微結(jié)構(gòu)特征

SEM（Structural Equation Modeling） 和XRD（X-ray diffraction）分析顯示，在高溫條件下，混凝土出現(xiàn)大量微裂紋和裂縫，表面出現(xiàn)異常明顯的高溫腐蝕現(xiàn)象，纖維表面形貌和晶體結(jié)構(gòu)也發(fā)生明顯的變化。SEM 觀察結(jié)果表明，在高溫處理后，混凝土表面的部分晶體出現(xiàn)熔融和燒蝕現(xiàn)象，微裂紋和裂縫的數(shù)量也增加許多。而且隨著溫度的升高，微觀破壞程度也逐漸加劇，樣品表面光滑度下降，纖維之間的連接錨固效果減弱，加劇了混凝土的劣化程度。總體來講，高溫下，混凝土?xí)?jīng)歷一系列的物理和化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。此外，在高溫下，纖維在混凝土中也會發(fā)生形貌和結(jié)構(gòu)變化，纖維表面出現(xiàn)熔融或損傷，連接和固結(jié)效果減弱，失去對混凝土的加強作用。

3 結(jié)語

試驗結(jié)果顯示，高溫環(huán)境下，玄武巖纖維混凝土的斷裂韌性隨溫度的升高而降低，但仍然具有一定的可用性。因此，在實際工程中，可以根據(jù)具體需求考慮將其運用于高溫環(huán)境下的建筑和結(jié)構(gòu)工程中，但在使用過程中也需要考慮其高溫性能的影響，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

玄武巖纖維混凝土在工程建設(shè)中具有非常好的應(yīng)用前景，尤其是在大型工程、節(jié)能環(huán)保建設(shè)等方面。但在高溫環(huán)境作業(yè)環(huán)境下，需要把握以下幾點。第一，纖維摻量。過多的纖維會影響混凝土的流動性和強度，因此，需要根據(jù)具體情況調(diào)整纖維摻量。第二，纖維種類。不同種類的纖維具有不同的耐高溫性能，需要根據(jù)高溫環(huán)境的溫度和時間選擇性能合適的纖維種類。第三，混凝土配合比。在高溫環(huán)境下，混凝土的強度和穩(wěn)定性會受到影響，需要調(diào)整配合比，增加水泥摻量和減少水灰比，以增強混凝土的力學(xué)性能和抗高溫性能。第四，預(yù)防裂縫。高溫環(huán)境下，混凝土容易裂開，需要預(yù)先做好裂縫的預(yù)防措施。第五，合理施工。高溫下混凝土反應(yīng)速度較快，操作時間相對較短，需要調(diào)整施工工藝，加強工期管理，避免出現(xiàn)時間過長導(dǎo)致混凝土性能變劣的情況。