摻玄武巖纖維自密實(shí)混凝土強(qiáng)度及抗凍性能試驗(yàn)研究

張誼平，許家文

（1.河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院，河南 平頂山 467000；2.山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

自密實(shí)混凝土是指拌合物具有較好的流動(dòng)性、間隙通過性、抗離析性能的混凝土，自密實(shí)混凝土在施工過程中不需要振搗即可密實(shí)成型，同時(shí)混凝土硬化后與傳統(tǒng)振搗混凝土的力學(xué)性能、耐久性能相差無幾[1-2]。自密實(shí)混凝土的應(yīng)用克服諸多傳統(tǒng)混凝土施工中存在的問題，如混凝土振搗不密實(shí)、鋼筋密集部位混凝土澆筑困難等，同時(shí)可以降低施工現(xiàn)場(chǎng)的噪聲，節(jié)約能源，提高施工效率[3-5]。然而，自密實(shí)混凝土也存在一些缺陷，如化學(xué)收縮、干燥收縮致使混凝土出現(xiàn)開裂、韌性較差等[6-7]。針對(duì)這些問題，通常的做法是在混凝土摻入適量的纖維，如鋼纖維、聚丙烯纖維、碳纖維等，均可有效提高混凝土的抗裂性能及韌性。

玄武巖纖維是一種無機(jī)纖維材料，具有較高的抗裂強(qiáng)度，較好的耐腐蝕、耐高溫等性能，同時(shí)性價(jià)比較高，成為現(xiàn)行較多纖維的替代產(chǎn)品[8-9]。但是，摻入纖維后混凝土的粘聚性會(huì)顯著增加，混凝土工作性能急劇下降，如何把自密實(shí)和纖維有效結(jié)合，這成為纖維自密實(shí)混凝土研究的難點(diǎn)問題。基于上述問題，本文研究了玄武巖纖維對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能、強(qiáng)度及抗凍性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：河南大地P·C32.5水泥，體積安定性合格，28 d抗壓強(qiáng)度37.6 MPa；河砂：中砂，細(xì)度模數(shù)2.8；碎石：粒徑5～20 mm，密度2624 kg/m3；硅灰：SiO2含量超過90%，鄭州某公司提供；粉煤灰：Ⅱ級(jí)，燒失量6.2%；聚羧酸減水劑：山西運(yùn)城某公司提供，減水率30%；玄武巖纖維：直徑15 μm，抗拉強(qiáng)度4200 MPa，河北靈壽某公司生產(chǎn)；自來水。

1.2 試驗(yàn)配合比

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度等級(jí)分為C30、C40、C50三種，研究玄武巖纖維摻量分別為0、1、2、4 kg/m3時(shí)對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)自密實(shí)混凝土工作性能、強(qiáng)度及耐久性能的影響，試驗(yàn)具體配合比如表1所示，表1中，BFC30-2代表混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30、玄武巖摻量為2 kg/m3，其余編號(hào)含義以此類推。

表1 試驗(yàn)配合比 kg/m3

1.3 性能測(cè)試方法

混凝土的工作性能包含坍落度、擴(kuò)展度、J環(huán)擴(kuò)展度、坍落擴(kuò)展時(shí)間，參照J(rèn)GJ/T 283—2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行測(cè)試。

立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，齡期為 28 d。

抗凍性能試驗(yàn)參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，針對(duì)抗凍性能相對(duì)較好的C40、C50自密實(shí)混凝土進(jìn)行，試塊尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，將混凝土試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24 d后取出，隨后在室溫下水中繼續(xù)浸泡4 d，其后開始凍融循環(huán)試驗(yàn)，凍融循環(huán)1次耗時(shí)4 h，試件中心最低溫度（-18±2）℃，試件中心最高溫度（5±2）℃。試驗(yàn)過程中每間隔一定次數(shù)分別稱量混凝土質(zhì)量及測(cè)試試件的橫向基頻，計(jì)算得出混凝土的質(zhì)量損失率及相對(duì)動(dòng)彈性模量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 玄武巖纖維對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響

各配合比混凝土坍落度、坍落擴(kuò)展度、J環(huán)坍落擴(kuò)展度和擴(kuò)展時(shí)間測(cè)試結(jié)果見表2。其中PA為坍落擴(kuò)展度與J環(huán)擴(kuò)展度差值，該指標(biāo)用于評(píng)價(jià)混凝土的間隙通過性，當(dāng)0≤PA≤25時(shí)，適用鋼筋間距為60～80 mm；當(dāng)25＜PA≤50時(shí)，適用鋼筋間距為80～100 mm。

表2 混凝土工作性能試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，各組配合比PA值均不超過25 mm，表明混凝土間隙通過性總體良好。隨著玄武巖纖維摻量的增加，混凝土的坍落度、坍落擴(kuò)展度及J環(huán)坍落擴(kuò)展度均持續(xù)下降，坍落擴(kuò)展時(shí)間延長，這表明混凝土的流動(dòng)性下降，填充性能變差，通過鋼筋間隙的能力逐漸減弱。玄武巖纖維的摻入吸附了混凝土內(nèi)部分水分，使得混凝土漿體變得更加粘稠，導(dǎo)致混凝土工作性能降低。

2.2 玄武巖纖維對(duì)自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)過程中，對(duì)不同玄武巖纖維摻量的試件的破壞形態(tài)進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)未摻加纖維時(shí)，試件破壞時(shí)試塊中部及兩側(cè)各存在1條裂縫，試件的棱角多處碎裂，試件破壞表現(xiàn)出典型的脆性破壞特征，且強(qiáng)度等級(jí)越高的試件，這一特征越明顯。隨著玄武巖纖維的摻入，試件破壞時(shí)裂縫寬度有所減小，破壞時(shí)試件完整度更好，試件較少破碎，脆性得到改善。玄武巖纖維摻入后散亂分布于混凝土內(nèi)，形成散亂分布的空間布局，在混凝土受荷破壞時(shí)，玄武巖纖維能夠承受一定的拉力，提高混凝土的延性，降低混凝土脆性破壞的特征。玄武巖纖維自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 玄武巖纖維自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度

由圖1可見，隨著玄武巖纖維摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度先提高后降低。玄武巖纖維摻量為2 kg/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度最高，此時(shí)BFC30-2的抗壓強(qiáng)度分別為BFC30-0、BFC30-1的1.09、1.05倍，BFC40-2的抗壓強(qiáng)度分別為 BFC40-0、BFC40-1的 1.11、1.05倍，BFC50-2的抗壓強(qiáng)度分別為 BFC50-0、BFC50-1的1.06、1.03倍。這主要是由于纖維在混凝土內(nèi)部形成類似箍筋的效果，纖維束形成的網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)在混凝中構(gòu)成橫向約束，進(jìn)而提高了混凝土的承壓應(yīng)力[10]。

玄武巖纖維摻量為4 kg/m3時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度迅速降低，此時(shí)BFC30-4、BFC40-4、BFC50-4的抗壓強(qiáng)度分別較BFC30-2、BFC40-2、BFC50-2降低了9.7%、14.3%、11.9%。這主要是由于玄武巖纖維摻量較大時(shí)，在混凝土中留存初始缺陷，混凝土中產(chǎn)生了部分微裂縫，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度迅速降低，甚至低于未摻加纖維時(shí)的抗壓強(qiáng)度。

2.3 玄武巖纖維對(duì)自密實(shí)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響（見圖2）

圖2 玄武巖纖維自密實(shí)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度

由圖2可知，隨著玄武巖纖維摻量的增加，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度先逐漸提高隨后迅速降低。當(dāng)玄武巖纖維摻量為2 kg/m3時(shí)，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度最高，此時(shí)BFC30-2的劈裂抗拉強(qiáng)度分別為BFC30-0、BFC30-1的1.18、1.04倍，BFC40-2劈裂抗拉強(qiáng)度分別為BFC40-0、BFC40-1的 1.23、1.06倍，BFC50-2劈裂抗拉強(qiáng)度分別為BFC50-0、BFC50-1的1.17、1.04倍。這主要是由于玄武巖纖維摻入后，在混凝土中相互搭接，有效提高了混凝土的抗裂性能，抑制混凝土內(nèi)部裂縫的開展，同時(shí)纖維的存在也可以承擔(dān)部分拉應(yīng)力，提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。

玄武巖纖維摻量為4 kg/m3時(shí)，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度迅速降低，BFC30-4、BFC40-4、BFC50-4的劈裂抗拉強(qiáng)度分別較BFC30-2、BFC40-2、BFC50-2降低了15.0%、13.8%、20.8%。這是由于纖維比表面積較大，表面光滑，纖維與水泥漿體間存在弱界面效應(yīng)，導(dǎo)致混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度下降。

2.4 玄武巖纖維對(duì)自密實(shí)混凝土抗凍性能的影響

2.4.1 對(duì)質(zhì)量損失率的影響（見表3）

表3 混凝土的質(zhì)量損失率

由表3可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，各配合比混凝土的質(zhì)量損失率均逐漸增大。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為50次時(shí)，對(duì)于相同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，玄武巖纖維摻量為4 kg/m3時(shí)，混凝土的質(zhì)量損失率最低。這主要是由于大量摻入玄武巖纖維的同時(shí)，也會(huì)在混凝土中留存更多的缺陷及微裂縫，在混凝土凍融循環(huán)過程中，微裂縫吸水飽和，在一定程度彌補(bǔ)了混凝土試件表面剝落出現(xiàn)的質(zhì)量損失。

當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到100次以后，C40強(qiáng)度等級(jí)混凝土質(zhì)量損失率順序?yàn)?BFC40-2＜BFC40-1＜BFC40-0＜BFC40-4，C50強(qiáng)度等級(jí)混凝土質(zhì)量損失率順序?yàn)锽FC50-2＜BFC50-1＜BFC50-0＜BFC50-4，可見，當(dāng)玄武巖纖維摻量為2 kg/m3時(shí)，混凝土的質(zhì)量損失最低，這表明適量玄武巖纖維的摻入一定程度改善了混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，提高了混凝土的抗凍性能。當(dāng)玄武巖纖維摻量為4 kg/m3時(shí)，混凝土的質(zhì)量損失最大，抗凍性能下降。

2.4.2 對(duì)相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響（見圖3、圖4）

圖3 C40自密實(shí)混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量

圖4 C50自密實(shí)混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量

從圖3、圖4可知，不同配合比的自密實(shí)混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大而降低。凍融循環(huán)進(jìn)行250 次后，BFC40-0、BFC40-1、BFC40-2、BFC40-4 的相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為 78.5%、79.1%、80.1%、77.4%，BFC50-0、BFC50-1、BFC50-2、BFC50-4的相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為79.3%、80.1%、80.9%、78.1%。

當(dāng)玄武巖纖維摻量為2 kg/m3時(shí)，混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量降幅最小，抗凍性能最好，對(duì)于惡劣環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)。這主要是由于摻入玄武巖纖維后，改善了自密實(shí)混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，混凝土內(nèi)的微裂縫得到填充，密實(shí)程度得到提高，抗凍性能得到加強(qiáng)。當(dāng)玄武巖纖維摻量為4 kg/m3時(shí)，混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量降幅最大，抗凍性能最差。

3 結(jié)語

（1）隨著玄武巖纖維摻量增加，自密實(shí)混凝土的坍落度、坍落擴(kuò)展度、J環(huán)坍落擴(kuò)展度均降低，流動(dòng)性下降，填充性能變差，通過鋼筋間隙的能力逐漸減弱。

（2）隨著玄武巖纖維摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度先提高后降低，當(dāng)玄武巖纖維摻量為2 kg/m3時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度最高，為未摻加玄武巖纖維自密實(shí)混凝土的1.06～1.11倍。

（3）隨著玄武巖纖維摻量的增加，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度均先提高后降低，當(dāng)玄武巖纖維摻量為2 kg/m3時(shí)，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度最高，為未摻加玄武巖纖維自密實(shí)混凝土的1.17～1.23倍。

（4）當(dāng)玄武巖纖維摻量為2 kg/m3時(shí)，自密實(shí)混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量降幅最小，混凝土抗凍性能最佳。適量的玄武巖纖維有利于改善混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)混凝土密實(shí)性，提高混凝土的抗凍性能。