玄武巖纖維對混凝土性能的影響研究

引言

纖維混凝土是指在混凝土中摻入纖維來滿足混凝土多樣化性能要求[1-3]。隨著近年來建筑行業(yè)的迅速發(fā)展，對特殊性能混凝土的要求及需求不斷提高，摻加纖維作為一種技術(shù)手段，逐步應(yīng)用于橋梁、水利、市政等行業(yè)的工程建設(shè)中，改善或強(qiáng)化混凝土性能[4-5]，解決工程設(shè)計(jì)與施工的難題?，F(xiàn)在市場上纖維的種類很多，相比于傳統(tǒng)的鋼纖維、聚丙烯粗纖維等，玄武巖纖維憑借其自身材料特性的優(yōu)勢，與混凝土具有良好的適應(yīng)性，并且在混凝土高溫穩(wěn)定性、耐久性、彈性模量、抗拉性能等方面具有顯著優(yōu)勢[6-7]。目前，在不同的工程中，基于不同的原材料，對纖維混凝土的力學(xué)性能、耐久性能等均有較多研究，賀正波等[8]對玄武巖纖維單軸受壓破壞過程進(jìn)行有限元模擬，分析了纖維摻量對抗壓強(qiáng)度的提高效果，并從裂紋擴(kuò)展機(jī)理證明了纖維對混凝土韌性的改善。但現(xiàn)研究中對使用同種原材料不同種纖維的混凝土性能對比研究卻較少。本文通過改變玄武巖纖維摻量，了解玄武巖纖維摻量的變化對混凝土性能的影響；在此基礎(chǔ)上，對同一組混凝土配合比，分別摻加玄武巖纖維、鋼纖維、聚丙烯纖維，對不同種纖維的使用效果進(jìn)行力學(xué)性能、耐久性能對比，分析不同種類纖維對混凝土性能的影響，為不同工程中纖維的選擇與使用提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

纖維混凝土的組成材料包括膠凝材料、骨料、水、外加劑和纖維。膠凝材料使用水泥和粉煤灰，其中水泥使用河南省太陽石集團(tuán)水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5水泥，其密度為3.11g/cm3；粉煤灰使用平頂山姚孟電力有限公司生產(chǎn)的F類II級(jí)粉煤灰，其密度為2.24kg/m3；骨料包含粗、細(xì)骨料，其中細(xì)骨料使用濟(jì)源五星砂廠生產(chǎn)的人工砂和天然砂，其表觀密度為2.69g/cm3，以質(zhì)量比8∶2進(jìn)行混合；粗骨料使用洛陽市生產(chǎn)的5~20mm的人工碎石，其表觀密度2.69g/cm3，由粒徑為5~10mm和10~20mm人工碎石以質(zhì)量比5∶5混合而成；減水劑使用中國水電十一局有限公司混凝土外加劑廠生產(chǎn)的SN-JG緩凝型高性能減水劑；拌合用水使用自來水，其密度取1.00g/cm3。分別選擇玄武巖纖維、鋼纖維、聚丙烯粗纖維作為研究對象，進(jìn)行試驗(yàn)。

本次研究使用的玄武巖纖維（編號(hào)X）為片狀，長度約29mm，寬度約3.0mm，密度為2.62g/cm3，在混凝土攪拌過程中，可分解為直徑為0.16mm的細(xì)絲，均勻分布于混凝土中，試驗(yàn)摻量選擇3kg/m3和6kg/m3。由于鋼纖維種類較多且使用廣泛，本次選擇端鉤型鋼纖維（編號(hào)G1）和波浪形鋼纖維（編號(hào)G2）進(jìn)行試驗(yàn)，密度為7.80g/cm3，其中G1長度約31mm，直徑約0.80mm，G2長度約40mm，寬度約2.2mm，厚度約0.60mm，試驗(yàn)中鋼纖維摻量均為50kg/m3。聚丙烯粗纖維（編號(hào)J）密度為0.91g/cm3，其長度約29mm，直徑約0.68mm，試驗(yàn)摻量為3kg/m3。使用的4種纖維形態(tài)如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

首先設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，坍落度140~180mm，且具有一定抗凍、抗?jié)B性能的混凝土。并對混凝土的性能進(jìn)行檢測，混凝土性能主要依據(jù)公路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測，其中混凝土拌合物性能主要檢測坍落度、密度、含氣量，硬化混凝土性能主要檢測抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗凍性能、抗?jié)B性能等。

然后使用不同摻量的玄武巖纖維，對推薦得出的C30纖維混凝土配合比進(jìn)行拌合物性能、力學(xué)性能、耐久性能的檢測，并對比玄武巖纖維與鋼纖維、聚丙烯粗纖維及不摻加纖維的混凝土性能差異。由于不同種類纖維的使用，混凝土拌合物性能會(huì)產(chǎn)生較大的變化，通過調(diào)整外加劑摻量、砂率等指標(biāo)，使混凝土拌合物狀態(tài)保持一致，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行硬化混凝土性能的檢測。

1.3 玄武巖纖維混凝土配合比

C30混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差為5.0MPa，確定混凝土配制強(qiáng)度為38.2MPa；配合比采用體積法計(jì)算，為保證混凝土具有良好的抗凍性能，控制混凝土含氣量為（5.5±1.0）%，基準(zhǔn)混凝土水膠比經(jīng)計(jì)算選擇0.40，粉煤灰摻量為20%。經(jīng)試拌，砂率確定為44%，玄武巖纖維摻量3kg/m3，減水劑摻量2.3%，引氣劑摻量0.007%。

在混凝土基準(zhǔn)配合比參數(shù)的基礎(chǔ)上，將水膠比增減0.05、砂率相應(yīng)增減1%進(jìn)行混凝土配合比試拌，試拌混凝土配合比見表1。

為保證玄武巖纖維在混凝土中分布均勻，摻加玄武巖纖維的混合料干拌時(shí)間不應(yīng)少于2min，加水拌合時(shí)間不應(yīng)少于2min。經(jīng)試拌，混凝土拌合物坍落度分布在150~160mm，容重分布在2290~2310kg/m3，含氣量分布在5.0%~6.0%，符合拌合物的性能要求。對試拌配合比成型并檢測抗壓強(qiáng)度，得出28d抗壓強(qiáng)度與膠水比的回歸曲線如圖2所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維對混凝土配合比的影響

使用不同摻量的玄武巖纖維，對推薦得出的C30混凝土配合比進(jìn)行拌合物性能、力學(xué)性能、耐久性能的檢測，并對比玄武巖纖維與鋼纖維、聚丙烯粗纖維及不摻加纖維的混凝土性能差異。由于不同種類纖維的使用，混凝土拌合物性能會(huì)產(chǎn)生較大的變化，通過調(diào)整外加劑摻量、砂率等指標(biāo)，使混凝土拌合物狀態(tài)保持一致，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行硬化混凝土性能的檢測。

拌合使用的混凝土配合比見表3。

可以看出，纖維的加入，影響了混凝土配合比的參數(shù)，為達(dá)到基本一致的拌合物狀態(tài)，玄武巖纖維摻量從3kg/m3增長至6kg/m3時(shí)，所需砂率、減水劑增加，引氣劑減少；整體上看，玄武巖纖維的加入，增加了每立方米混凝土減水劑用量，提高了混凝土砂率，減少了引氣劑的用量。

2.2 纖維對混凝土拌合物性能的影響

按照表3混凝土配合比進(jìn)行拌合，并對混凝土進(jìn)行拌合物性能檢測，結(jié)果見表4。

由表4可以看出，纖維的加入，會(huì)在一定程度上提高混凝土的含氣量，降低引氣劑的摻量，玄武巖摻量的增加，混凝土含氣量有明顯增大的趨勢；混凝土的容重分布于2290~2350kg/m3，玄武巖纖維的加入，降低了混凝土的容重，而鋼纖維的加入，提高了混凝土的容重；坍落度分布在150~165mm，含氣量分布于5.0%~6.0%，通過混凝土配合比參數(shù)的調(diào)整，所得混凝土拌合物狀態(tài)基本相同。

2.3 纖維對混凝土力學(xué)性能的影響

混凝土力學(xué)性能選擇抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，抗壓強(qiáng)度采用7d、28d齡期，其余力學(xué)性能采用28d齡期?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)采用100mm×100mm×100mm的立方體試件，尺寸換算系數(shù)為0.95；抗折強(qiáng)度試驗(yàn)采用100mm×100mm×400mm的長方體試件，尺寸換算系數(shù)為0.85；劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用150mm×150mm×150mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試件；軸向拉伸試驗(yàn)采用GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的a型試件，試件中間截面尺寸為100mm×100mm。經(jīng)檢測，混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。

由圖3可以看出，纖維的加入不利于混凝土的早期抗壓強(qiáng)度，延緩了混凝土強(qiáng)度增長趨勢，表現(xiàn)為摻加纖維的混凝土7d抗壓強(qiáng)度均小于未摻加纖維的混凝土，摻加纖維的混凝土7d抗壓強(qiáng)度僅可達(dá)到28d抗壓強(qiáng)度的60%左右，而未摻加纖維的混凝土7d抗壓強(qiáng)度達(dá)到28d抗壓強(qiáng)度的79%。除使用6kg/m3的玄武巖纖維混凝土之外，其余摻加纖維的混凝土28d抗壓強(qiáng)度均大于未摻加纖維的混凝土，28d抗壓強(qiáng)度由高到低依次為G1＞G2＞J＞X1＞W＞X2，鋼纖維在提高混凝土抗壓強(qiáng)度過程中具有最優(yōu)效果，可將強(qiáng)度提高20%以上。

可以看出，混凝土抗彎拉強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度從高到低依次為G1＞G2＞J＞X1＞W＞X2，與抗壓強(qiáng)度規(guī)律保持一致，與未摻加纖維的混凝土相比，鋼纖維可使抗彎拉強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度提高15%左右；軸向拉伸強(qiáng)度從高到低依次為G2＞J＞G1＞X2＞X1＞W，摻加纖維的混凝土軸向拉伸強(qiáng)度均大于未摻加纖維的混凝土，較未摻加纖維的混凝土，鋼纖維可使軸向拉伸強(qiáng)度提高10%以上。

從上述結(jié)果分析可得，摻加3kg/m3玄武巖纖維的混凝土，較未摻加纖維的混凝土，抗壓強(qiáng)度提高9%，抗彎拉強(qiáng)度提高4%，劈裂抗拉強(qiáng)度提高2%，軸向抗拉強(qiáng)度提高7%；較端鉤型鋼纖維混凝土，抗壓強(qiáng)度降低11%，抗彎拉強(qiáng)度降低9%，劈裂抗拉強(qiáng)度降低13%，軸向拉伸強(qiáng)度降低5%；較波浪形鋼纖維混凝土，抗壓強(qiáng)度降低9%，抗彎拉強(qiáng)度降低6%，劈裂抗拉強(qiáng)度降低10%，軸向抗拉強(qiáng)度降低10%；較聚丙烯粗纖維混凝土，抗壓強(qiáng)度降低3%，抗彎拉強(qiáng)度降低4%，劈裂抗拉強(qiáng)度降低1%，軸向抗拉強(qiáng)度降低7%。玄武巖纖維摻量由3kg/m3增加至6kg/m3時(shí)，需相應(yīng)增加混凝土砂率，提高了混凝土的含氣量，除軸向抗拉強(qiáng)度增長4%外，其余混凝土強(qiáng)度均有所降低，其中28d抗壓強(qiáng)度降低12%，抗彎拉強(qiáng)度降低7%，劈裂抗拉強(qiáng)度降低11%。

2.4 纖維對混凝土耐久性能的影響

混凝土耐久性能選擇抗?jié)B性、抗凍性進(jìn)行檢測，抗?jié)B性能檢測采用上口直徑175mm、下口直徑185mm、高150mm的圓臺(tái)體試件，成型后在混凝土終凝前，需對試件上下表面進(jìn)行刷毛處理；抗凍性能檢測采用100mm×100mm×400mm的棱柱體試件，混凝土試件采用28d齡期?？?jié)B采用一次加壓法，對比在水壓為0.8MPa的條件下恒壓24h的混凝土滲水高度?？箖鲂阅懿捎每靸龇z測，抗凍等級(jí)以F200控制，對比分析混凝土凍融循環(huán)至200次時(shí)混凝土試件的相對動(dòng)彈性模量及質(zhì)量損失率?？梢钥闯?，玄武巖纖維混凝土表現(xiàn)出較為優(yōu)異的耐久性能。從滲水高度可以看出，抗?jié)B性能的優(yōu)劣從高到低依次為X1＞A＞X2＞G2＞G1＞J，纖維加入并不能顯著提高混凝土抗?jié)B性能，相反，較粗的鋼纖維及聚丙烯纖維的加入降低了混凝土的抗?jié)B性能。在抗?jié)B試驗(yàn)完成后，從劈開的混凝土試件上可以看出，未摻加纖維的和摻加玄武巖纖維的混凝土滲透高度比較均勻，近似于一條平行于底面的線，摻加3kg/m3玄武巖纖維的混凝土試件劈開后內(nèi)部滲水高度如圖5所示；摻加鋼纖維和聚丙烯粗纖維的混凝土內(nèi)部滲水高度有較大差異，有水順著纖維向混凝土內(nèi)部滲透的跡象。

混凝土凍融循環(huán)后動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率可以看出，抗凍性能均符合F200的技術(shù)要求，其優(yōu)劣從高到低依次為X2＞X1＞A＞G2＞G1＞J。較未摻加纖維的混凝土，玄武巖纖維可以有效提高混凝土的抗凍性能，動(dòng)彈性模量可提高5%左右，質(zhì)量損失率可降低40%以上；鋼纖維和聚丙烯粗纖維的使用降低了混凝土的抗凍融效果，動(dòng)彈性模量降低5%以上，質(zhì)量損失率增加50%以上。

玄武巖纖維摻量由3kg/m3增加至6kg/m3時(shí)，混凝土抗?jié)B性能略有降低，但抗凍效果略有提高。

結(jié)論

本文摻加玄武巖纖維進(jìn)行了C30混凝土配合比設(shè)計(jì)，推薦得出的C30玄武巖纖維混凝土配合比符合設(shè)計(jì)要求，具有良好的抗凍、抗?jié)B性能。以此配合比為基礎(chǔ)，對比分析了摻加玄武巖纖維與鋼纖維、聚丙烯粗纖維及不摻加纖維對混凝土性能的影響，得出以下結(jié)論：

（1）纖維的使用改變了混凝土的拌合物性能，為達(dá)到基本一致的拌合物狀態(tài)，混凝土中摻加纖維后，需增加每立方米混凝土的減水劑用量，提高混凝土砂率，減少引氣劑的用量。

（2）纖維的使用改變了混凝土的力學(xué)性能，同種條件下纖維的加入，延緩了混凝土強(qiáng)度增長規(guī)律，不利于混凝土早期強(qiáng)度的形成，但纖維混凝土的力學(xué)性能優(yōu)于普通混凝土，摻加玄武巖纖維的混凝土較鋼纖維、聚丙烯粗纖維的混凝土力學(xué)性能差。

（3）玄武巖纖維的使用可改善混凝土的耐久性能，且其使用效果明顯優(yōu)于鋼纖維和聚丙烯粗纖維。

（4）玄武巖纖維由3kg/m3增加至6kg/m3時(shí)，就拌合物而言，需增加混凝土的砂率，提高減水劑用量，減少引氣劑用量；就硬化混凝土性能而言，力學(xué)性能有所降低，抗凍性能有所提高。因此，需根據(jù)使用環(huán)境，合理選擇玄武巖纖維摻量。