玄武巖纖維對(duì)火山渣輕集料混凝土強(qiáng)度的影響

摘要：輕集料混凝土因其輕質(zhì)、高強(qiáng)、保溫和耐腐蝕等特性，在高層建筑和大跨度結(jié)構(gòu)等土木工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，它也存在易開(kāi)裂、脆性較高和韌性不足的問(wèn)題。本研究采用纖維改性方法，探討了玄武巖纖維對(duì)火山渣輕集料混凝土力學(xué)性能的影響，并分析了其增韌機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著玄武巖纖維摻量的增加，火山渣輕集料混凝土的韌性顯著提高。特別是當(dāng)玄武巖纖維摻量達(dá)到3‰時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度提升了2%，而抗折強(qiáng)度顯著提高了33.4%，達(dá)到最佳摻量點(diǎn)。此外，通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維與水泥石界面的黏結(jié)性能得到增強(qiáng)，孔隙率降低，從而提高了混凝土的密實(shí)性和穩(wěn)定性。本研究不僅為玄武巖纖維在混凝土工程中的應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)，也為優(yōu)化混凝土材料的性能提供了理論支持。

關(guān)鍵詞：火山渣輕集料混凝土；纖維增強(qiáng)混凝土；玄武巖纖維；力學(xué)性能；韌性

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528.041"""""""""" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"""" """""""""""" 文章編號(hào)：

Effect of Basalt Fiber on the Strength of Volcanic Slag Lightweight Aggregate Concrete

LIU Qingshun

（Jilin Research and Design Institute of Building Science，Changchun Jilin 130011，China）

Abstract： Lightweight aggregate concrete has been widely utilized in civil engineering fields such as high-rise buildings and large-span structures due to its characteristics of lightweight， high strength， thermal insulation， and corrosion resistance. However， it also exhibits issues such as susceptibility to cracking， high brittleness， and insufficient toughness. This study explores the influence of basalt fibers on the mechanical properties of volcanic scoria lightweight aggregate concrete was studied by fiber modification methods and analyzes its toughening mechanism. Experimental results indicate that the toughness of volcanic scoria lightweight aggregate concrete significantly improves with the increase of basalt fiber content. Notably， when the basalt fiber content reaches 3‰， the compressive strength of the concrete increases by 2%， while the flexural strength improves significantly by 33.4%， achieving the optimal fiber content point. Furthermore， observations through scanning electron microscopy （SEM） reveal enhanced bonding performance between basalt fibers and the cement paste interface， along with reduced porosity， thereby improving the density and stability of the concrete. This study not only provides scientific evidence for the application of basalt fibers in concrete engineering but also offers theoretical support for optimizing the performance of concrete materials.

Keywords： volcanic slag lightweight aggregate concrete; fiber reinforced concrete; basalt fiber; mechanical properties; toughness

1 概述

玄武巖纖維是以天然玄武巖礦石為原料，經(jīng)高溫熔融后制成的連續(xù)纖維。與碳纖維、芳綸纖維、聚乙烯纖維等其他類(lèi)型的纖維相比，玄武巖纖維具有電絕緣、耐腐蝕、耐高溫等多種優(yōu)異性能，逐漸成為混凝土增強(qiáng)領(lǐng)域的新興材料。在工程實(shí)踐中，提高輕集料混凝土的韌性是研發(fā)高性能輕集料混凝土技術(shù)的關(guān)鍵所在。 彭飛等[1]研究了玄武巖纖維（BF）的形狀（短切、束狀）、制備方法（濕拌法、半干拌法和干拌法）對(duì)混凝土坍落度、抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明兩種BF的摻入均降低了混凝土的坍落度，且短切BF的降低效果更顯著；在不同的制備方法下，束狀BF的摻入均能提高混凝土的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度；短切BF混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度僅在采用半干拌法時(shí)與對(duì)照組持平，而在濕拌法和干拌法下，該混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均低于對(duì)照組。孟瑩瑩等[2]研究了玄武巖纖維束摻量和長(zhǎng)度對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能、抗凍性方面的影響。結(jié)果表明加入玄武巖纖維束后導(dǎo)致混凝土抗氯離子滲透性能降低，纖維束的摻量越大，氯離子擴(kuò)散系數(shù)越大；玄武巖纖維束摻量相同時(shí)，短纖維束混凝土抗氯離子的滲透性?xún)?yōu)于長(zhǎng)纖維束混凝土；摻入玄武巖纖維束有利于提高混凝土的抗凍性能，當(dāng)摻量達(dá)到7.96 kg/m3后，隨纖維摻量繼續(xù)增多，混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量的降幅差別不大，摻量為11.94 kg/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度損失率最低，為11.4%；玄武巖纖維束摻量相同時(shí)，不同長(zhǎng)度的玄武巖纖維束對(duì)混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量排序?yàn)?0 mmgt;20 mmgt;40 mm，抗壓強(qiáng)度損失率排序?yàn)?0 mmlt;20 mmlt;40 mm。呂少偉等[3]研究了采用鋼纖維和玄武巖纖維制備了一種混摻纖維自密實(shí)混凝土，并對(duì)力學(xué)性能和應(yīng)用效果進(jìn)行研究。結(jié)果表明，當(dāng)混摻0.8%鋼纖維和0.1%玄武巖纖維時(shí)，自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度為96.5 MPa，劈裂抗拉強(qiáng)度為5.0 MPa，單軸拉伸強(qiáng)度為3.23 MPa，彎拉強(qiáng)度為7.9 MPa，均優(yōu)于未摻纖維的自密實(shí)混凝土。張著明[4]研究了不同玄武巖纖維摻量對(duì)混凝土抗壓與抗折性能的影響進(jìn)行試驗(yàn)分析。結(jié)果表明，混凝土的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度隨玄武巖纖維摻量提升均表現(xiàn)出前期提升后期降低的發(fā)展趨勢(shì)，但試驗(yàn)涉及纖維摻量范圍內(nèi)纖維混凝土抗折性能和抗壓性能始終優(yōu)于普通混凝土試件，玄武巖纖維的摻入有利于改良混凝土抗折性能和抗壓性能；玄武巖纖維抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)最高值處分別是纖維摻量為1.35 kg/m3和4.05 kg/m3，在兩者達(dá)到最高值時(shí)分別相對(duì)普通混凝土性能提升12.9%和20.2%；建議制作玄武巖纖維混凝土?xí)r取1.35 kg/m3為纖維摻量，此時(shí)纖維混凝土性能達(dá)較高水平。本文系統(tǒng)地研究了玄武巖纖維對(duì)火山渣輕集料混凝土力學(xué)性能的影響。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 原料及其性質(zhì)

1） 水泥：吉林亞泰水泥有限公司生產(chǎn)的鼎鹿牌P.O42.5 普通硅酸鹽水泥；

2） 粉煤灰：符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的Ⅱ級(jí)灰；

3） 減水劑：LCX-9聚羧酸高效減水劑，產(chǎn)品勻質(zhì)性指標(biāo)符合GB 8076；

4） 玄武巖纖維：吉林省玖鑫玄武巖產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)，直徑13 ？m，長(zhǎng)度18 mm。主要性能見(jiàn)表1，試驗(yàn)用玄武巖纖維表觀見(jiàn)圖1；

5） 火山渣：火山渣表面呈蜂窩狀，是一種泡沫狀的玻璃質(zhì)巖石，表觀密度小，是一種天然的輕集料。采用吉林省國(guó)涵建材開(kāi)發(fā)有限公司提供的火山渣，主要性能見(jiàn)表2，微觀結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2。

6） 水：自來(lái)水。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50081—2019實(shí)施，并測(cè)試火山渣輕集料混凝土抗壓、抗折的強(qiáng)度。具體試驗(yàn)過(guò)程如下：

1） 抗壓、抗折強(qiáng)度測(cè)試是評(píng)估火山渣輕集料混凝土性能的核心環(huán)節(jié)。為確保測(cè)試準(zhǔn)確性，首先需精確稱(chēng)量水泥、火山渣輕集料、水及添加劑等原料，按找既定配方混合再加入玄武巖纖維。攪拌3 min，以確保成分均勻分散，并避免過(guò)度攪拌導(dǎo)致分離。將拌好的火山渣輕集料混凝土裝入100 mm×100 mm×100 mm的立方體模具，振搗25次以排除氣泡，提高密實(shí)度。成型后48 h內(nèi)拆模，混凝土試件需濕養(yǎng)護(hù)28 d。再使用水泥砂漿抗折抗壓一體機(jī)（JR-KZ300DS）進(jìn)行精確測(cè)試，計(jì)算壓折比以評(píng)估混凝土韌性。

2） 掃描電子顯微鏡試驗(yàn)：從試件中隨機(jī)選取部分樣本，進(jìn)行精細(xì)的切片和打磨處理，確保樣本表面的平整度。使用稀鹽酸對(duì)樣本進(jìn)行處理，以去除表面雜質(zhì)和未反應(yīng)的成分。處理完畢后，再利用無(wú)水乙醇對(duì)樣本進(jìn)行徹底的清洗，確保表面清潔無(wú)殘留。清洗完成后，將樣本置于干燥環(huán)境中烘干，以備后續(xù)使用。測(cè)試前將樣本置于真空條件下，對(duì)樣品表面進(jìn)行鍍金處理，以增強(qiáng)其在電子顯微鏡下的觀察效果。利用TM3030掃描電子顯微鏡對(duì)處理后的樣本進(jìn)行細(xì)致觀察，以獲取其微觀結(jié)構(gòu)和性能特征。

3 結(jié)果與討論

3.1玄武巖纖維對(duì)輕集料混凝土強(qiáng)度的影響

玄武巖纖維對(duì)火山渣輕集料混凝土抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖3～圖4。

從圖3～圖4可以看出，當(dāng)玄武巖纖維混凝土的摻量為1‰時(shí)，輕集料混凝土的抗壓強(qiáng)度沒(méi)有明顯變化，而抗折強(qiáng)度有所提高；隨著摻量逐漸增大，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均呈上升趨勢(shì)。玄武巖纖維摻量為3‰時(shí)，抗折強(qiáng)度出現(xiàn)一個(gè)最佳點(diǎn)。原因是玄武巖纖維的比表面積較大和粗糙表面，因此摩擦系數(shù)高，從而增大了拌合物流動(dòng)時(shí)的相對(duì)摩擦力，阻礙輕集料上浮，并提高了混凝土的均質(zhì)性與和易性；同時(shí)，玄武巖纖維還具備良好的親水性。在混凝土拌合物中摻入玄武巖纖維后，這些纖維會(huì)迅速分散成極為細(xì)小的絮狀纖維絲，并需要更多水泥砂漿包裹它們，從而導(dǎo)致混合物流動(dòng)性能下降。然而，玄武巖纖維能夠均勻地分散于輕集料混凝土內(nèi)，并構(gòu)建起一定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。因此，在基體遭到破壞時(shí)，它們能夠承載由基體傳遞來(lái)的能量，進(jìn)而提升了抗壓和抗折的強(qiáng)度。

當(dāng)玄武巖纖維摻量超過(guò)3‰時(shí)，輕集料混凝土的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢(shì)。主要?dú)w因于玄武巖纖維本身具備較高的吸水性特質(zhì)。在混凝土拌合過(guò)程中，玄武巖纖維會(huì)吸收周邊水泥水化所需要的水分，導(dǎo)致在攪拌階段出現(xiàn)較為顯著的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。這種結(jié)團(tuán)現(xiàn)象使得纖維在混凝土基體中的分布變得不均勻，進(jìn)而在混凝土內(nèi)部形成了較多的孔隙。不僅削弱了纖維與水泥之間的黏結(jié)性能，而且在纖維與水泥相接的界面區(qū)域產(chǎn)生了大量的結(jié)構(gòu)缺陷，對(duì)纖維增強(qiáng)混凝土的整體性能產(chǎn)生了不利影響。

從圖5可以看出，隨著玄武巖纖維摻量的增加，折壓比相應(yīng)地提高，從圖3～圖4中得知，在不破壞混凝土的抗壓強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，其抗折強(qiáng)度有了大幅度的提高，既改善了輕集料混凝土的韌性。當(dāng)玄武巖纖維摻量為3‰時(shí)，其性能最佳，抗壓強(qiáng)度提高了2%，抗折強(qiáng)度提高了33.4%，不但提高了抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，而且明顯地改善了輕集料混凝土的韌性。

3.2 玄武巖纖維混凝土微觀結(jié)構(gòu)分析及增韌機(jī)理

為了進(jìn)一步驗(yàn)證玄武巖纖維顯著提高輕集料混凝土的韌性，采用SEM進(jìn)行觀察。如圖6所示，經(jīng)過(guò)水泥凈漿的包裹處理后，玄武巖纖維表面被大量水泥漿體覆蓋，這顯著提升了纖維與水泥石界面之間的黏結(jié)性能?；w內(nèi)的孔隙數(shù)量顯著減少，孔隙率較低，進(jìn)一步增強(qiáng)了整體結(jié)構(gòu)的密實(shí)性和穩(wěn)定性。由于玄武巖纖維屬于硅酸鹽系列，使得其與水泥結(jié)合相當(dāng)牢固。在沖擊荷載作用下，混凝土內(nèi)部裂紋擴(kuò)展。纖維從開(kāi)裂的水泥基體中拔出，拔出過(guò)程中克服纖維與水泥基體界面間的摩擦力，消耗較大的功。同時(shí)當(dāng)基體中的應(yīng)力傳遞到纖維上時(shí)，纖維通過(guò)變形來(lái)吸收能量。加入玄武巖纖維后，在裂縫尖端形成了一個(gè)逆向的應(yīng)力場(chǎng)，這有助于減輕裂縫尖端的應(yīng)力集中。纖維的存在對(duì)裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展起到了抑制作用，因此顯著提升了混凝土的整體力學(xué)性能。因此，再次驗(yàn)證了玄武巖纖維摻量為3‰時(shí)，性能最佳，即提高了抗壓強(qiáng)度又明顯地改善了輕集料混凝土的韌性。

4 結(jié)論

本研究采用了玄武巖纖維增強(qiáng)技術(shù)，對(duì)火山渣混凝土的力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究與定量分析。研究結(jié)果表明。

1） 輕集料混凝土在摻入玄武巖纖維后，其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)出不同程度的提升。其中，抗折強(qiáng)度的提升百分比顯著高于抗壓強(qiáng)度，從而顯著優(yōu)化了輕集料混凝土的折壓比，并有效提升了輕集料混凝土材料的韌性。韌性的增強(qiáng)意味著材料在受到?jīng)_擊或拉伸負(fù)荷時(shí)的延性變形能力得到改善，這對(duì)于提高結(jié)構(gòu)的耐久性和可靠性具有重要意義。

2） 隨著玄武巖纖維摻量的逐漸增大，當(dāng)玄武巖纖維的摻量為3‰時(shí)，輕集料混凝土的抗壓強(qiáng)度提升了2%，而抗折強(qiáng)度則顯著提高了33.4%。這一摻量是實(shí)現(xiàn)最佳力學(xué)性能的臨界點(diǎn)。該結(jié)論是基于對(duì)不同摻量下輕集料混凝土試件的力學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出的，反映了玄武巖纖維在增強(qiáng)混凝土性能方面的最優(yōu)摻量比例。

此外，本研究還對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)火山渣輕集料混凝土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，探討了纖維與混凝土基體之間的相互作用及其對(duì)材料性能的影響。研究結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了玄武巖纖維在提高混凝土耐久性、抗裂性和整體承載能力方面的潛力。

綜上所述，本研究不僅為玄武巖纖維在混凝土工程中的應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)，也為進(jìn)一步優(yōu)化混凝土材料的性能提供了理論支持。

參考文獻(xiàn)

[1]彭飛，萬(wàn)磊，錢(qián)朝軍，等.玄武巖纖維混凝土的制備方法及其性能研究[J/OL].混凝土與水泥制品，1-5[2024-08-30].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1173.TU.20240606.0903.002.html.

[2]孟瑩瑩，邵景干，張普，等.新型玄武巖纖維束混凝土耐久性能試驗(yàn)[J].河南科學(xué)，2024，42（06）：881-886.

[3]呂少偉，方欣欣.大承載力橋梁用纖維混摻自密實(shí)混凝土制備及性能測(cè)試[J].粘接，2024，51（5）：65-67，71.

[4]張著明.不同摻量玄武巖纖維對(duì)混凝土抗壓與抗折性能的影響[J].磚瓦，2024（5）：50-52.

編輯：劉 巖

收稿日期：2024-06-18

作者簡(jiǎn)介：劉清順（1989～），男，山東省濱州市人，工程師，從事建筑材料研究工作。