玄武巖纖維混凝土力學性能及抗?jié)B性研究

余彥鋒

(廣東省交通規(guī)劃設計研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510507)

水泥混凝土因其具有強度高、剛度大、使用壽命長、經(jīng)濟效益好等特點，被廣泛應用于基礎設施建設中。隨著現(xiàn)代化建設水平的提高，這對混凝土性能也提出了更高的要求，盡管混凝土具有優(yōu)良的工程特性，但普通水泥混凝土自身也存在的抗拉、抗折強度低，韌性差，脆性大等缺點，這限制了水泥混凝土在工程中更廣泛的應用。通過國內(nèi)外研究進展發(fā)現(xiàn)將纖維材料摻入混凝土中能夠有效提高混凝土強度和韌性。

目前水泥混凝土中常用的纖維有玻璃纖維、碳纖維、鋼纖維和聚丙烯纖維等。玻璃纖維與水泥材料屬性差異較大、難以相容[1]；碳纖維價格昂貴且在混凝土內(nèi)部難以分散[2]；鋼纖維與聚丙烯纖維耐腐蝕性差，不利于其長期阻裂效應的發(fā)揮[3]；而玄武巖纖維是一種純天然礦物纖維，由天然玄武巖經(jīng)高溫熔融后拉絲制成，具有高強度、耐酸堿、吸濕性低、絕緣性好、化學性質(zhì)穩(wěn)定、性價比高等優(yōu)點，同時其與水泥基材料相容性好，線膨脹系數(shù)和彈性模量也與水泥基材料相近，將其摻入水泥混凝土中可以實現(xiàn)其與混凝土協(xié)同變形，提高混凝土的強度和韌性[4-6]。

但目前國內(nèi)外不同學者在玄武巖纖維對混凝土力學性能和抗?jié)B性的影響方面，尚未形成統(tǒng)一的結論，部分學者認為玄武巖纖維對混凝土抗壓強度增強作用不明顯，甚至會降低混凝土的抗壓強度[7]?；诖?，本文通過室內(nèi)試驗，研究了玄武巖纖維長度和摻量對混凝土的力學性能和抗?jié)B性的影響規(guī)律，旨在為玄武巖纖維在混凝土中的應用提供參考。

1 原材料

纖維采用浙江某公司生產(chǎn)的短切玄武巖纖維，其技術指標見表1；水泥采用P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，其技術指標見表2；粗集料采用質(zhì)地堅硬的軋制碎石，細集料采用河砂，細度模數(shù)為2.75，粗細集料的篩分結果見表3 和表4。外加劑采用聚羧酸系高效減水劑，最大減水率可達26%，減水劑用量為1.0%。

表1 玄武巖纖維技術指標

表2 水泥技術性質(zhì)

表3 粗集料篩分結果

表4 細集料篩分結果

2 配合比設計及試驗方案

配合比設計參照普通纖維混凝土配合比設計流程。參考相關研究，采用長度分別為6mm、12mm、18mm、24mm、30mm 的玄武巖纖維進行外摻，摻量為混凝土體積的0.1%，研究不同長度的玄武巖纖維對混凝土在不同齡期性能的影響。采用纖維長度為18mm，摻量分別為混凝土體積的0.05%、0.1%、0.15%的玄武巖纖維進行外摻，研究玄武巖纖維摻量對混凝土不同齡期性能的影響。并設置不摻加纖維的基準組作為空白對照，不同纖維長度和摻量下的玄武巖纖維配合比設計結果見表5。

表5 玄武巖纖維混凝土配合比

3 試驗結果與分析

3.1 抗彎拉強度

抗彎拉強度試驗按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG 3420-2020)進行，試件尺寸150mm×150mm×550mm，不同纖維長度及摻量的玄武巖纖維混凝土在不同齡期的抗彎拉強度試驗結果見圖1、圖2。

圖1 玄武巖纖維長度對抗彎拉強度的影響

圖2 玄武巖纖維摻量對抗彎拉強度的影響

由圖1 可知：摻入玄武巖纖維的混凝土7、28d 抗彎拉強度均高于基準組，這表明玄武巖纖維的摻入能夠提升混凝土的抗彎拉強度。隨著纖維長度的增加，玄武巖纖維混凝土的抗彎拉強度先增大后略有減小，當纖維長度為24mm 時達到峰值，24-0.1%組的7、28d 抗彎拉強度相較于基準組分別增大27.91%和16.07%，玄武巖纖維對混凝土早期抗彎拉強度的增長作用較后期顯著。

由圖2 可知：隨著纖維摻量的增加，玄武巖纖維混凝土的抗彎拉強度均增大，纖維體積摻量在0%～0.1%范圍內(nèi)時，混凝土的抗彎拉強度幾乎呈線性增長；摻量大于1.0%時增長趨勢逐漸平緩。18-0.05%、18-0.1%及18-0.15%的7d 抗彎拉強度相較于基準組分別增大13.95%、25.58%及27.91%，28d 抗彎拉強度相較于基準組分別增大7.14%、12.5%及12.5%。

由于玄武巖纖維與混凝土具有相似的化學性質(zhì)和相近的容重，摻入玄武巖纖維后，玄武巖纖維與混凝土良好的相容性使其能在混凝土內(nèi)部均勻分布，填充混凝土的內(nèi)部孔洞，并優(yōu)化混凝土內(nèi)部結構，使得混凝土內(nèi)部結構更密實、整體性更好。當混凝土承受外荷載產(chǎn)生裂紋時，混凝土內(nèi)部均勻分布的玄武巖纖維能夠憑借其良好的抗拉強度承受一部分荷載，實現(xiàn)與混凝土的協(xié)同受力，從而提升混凝土的抗彎拉強度。但當玄武巖纖維長度過長時，纖維在混凝土拌和時不易分散，易產(chǎn)生纖維聚團現(xiàn)象；同時當纖維摻量過大時，過量的纖維難以在混凝土內(nèi)部均勻分散，使得混凝土整體性變差，這導致?lián)搅康脑黾訉炷量箯澙瓘姸雀纳撇幻黠@，甚至使得混凝土抗彎拉強度有所下降。

3.2 劈裂抗拉強度

劈裂抗拉強度試驗參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG 3420-2020) 中T0560 2005 進行，試件尺寸為150mm×150mm×150mm，不同纖維長度及摻量的玄武巖纖維混凝土在不同齡期的立方體劈裂抗拉強度試驗結果見圖3、圖4。

圖3 玄武巖纖維長度對劈裂抗拉強度的影響

圖4 玄武巖纖維摻量對劈裂抗拉強度的影響

由圖3 可知：摻入玄武巖纖維的混凝土7、28d 劈裂抗拉強度均高于基準組，這表明玄武巖纖維的摻入能夠提升混凝土的劈裂抗拉強度。隨著纖維長度的增加，玄武巖纖維混凝土的劈裂抗拉強度先增大后略有減小，24-0.1%組的7d 劈裂抗拉強度最高，較基準組增長了25%，18-0.1%組和24-0.1%組的28d 劈裂抗拉強度均為最高，較基準組增長了12.77%。當纖維長度超過24mm 時，混凝土的劈裂抗拉強度開始略有降低，30-0.1%組的7、28d 劈裂抗拉強度相較于24-0.1%組分別降低了2.22%和1.89%，但相較于基準組仍增加了22.22%和10.64%。

由圖4 可知：隨著纖維摻量的增加，玄武巖纖維混凝土的劈裂抗拉強度同樣先增大后減小，在體積摻量0.1%時達到峰值，18-0.1%組7、28d 劈裂抗拉強度較18-0.05%和18-0.15%分別增加了7.32%、3.92%和2.33%、3.92%。

當纖維長度在6～24mm 范圍內(nèi)時，纖維越長，在混凝土中被拔出越困難，對混凝土劈裂抗拉強度的提升效果越明顯。而當纖維過長時，易導致纖維聚團，使混凝土內(nèi)部結構存在缺陷，對混凝土劈裂抗拉強度的提升效果反而不明顯。纖維體積摻量在0.1%以內(nèi)時，隨著摻量增大，混凝土受壓破壞界面的纖維增加，能夠起到阻止裂縫擴展的作用，使得混凝土劈裂抗拉強度提升；當摻量大于0.10%時，纖維在混凝土內(nèi)部難以均勻分散，混凝土內(nèi)部結構缺陷區(qū)增多，使得混凝土劈裂抗拉強度下降。

3.3 立方體抗壓強度

立方體抗壓強度試驗按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG 3420-2020)進行，試件尺寸為150mm×150mm×150mm，不同纖維長度及摻量的玄武巖纖維混凝土不同齡期的立方體抗壓強度試驗結果見圖5、圖6。

圖5 玄武巖纖維長度對抗壓強度的影響

圖6 玄武巖纖維摻量對抗壓強度的影響

由圖5 可知：當體積摻量為0.1%時，隨著所摻入玄武巖纖維長度的增加，混凝土立方體抗壓強度整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，玄武巖纖維長度為18mm 時，混凝土7d 和28d 的立方體抗壓強度均達到峰值，較基準組分別增長7.69%和5.02%。當纖維長度為6～18mm 時，混凝土抗壓強度增長平緩，而當纖維長度超過18mm 時，混凝土7、28d 抗壓強度均呈現(xiàn)明顯下降趨勢，甚至低于不摻加纖維的基準組，30-0.1%組的7、28d 立方體抗壓強度較基準組分別降低了4.47%和7.32%。

由圖6 可知：隨著纖維摻量的增加，玄武巖纖維混凝土的抗壓強度先增加而后略有降低，但體積摻量在0.05%～0.15%范圍內(nèi)均能夠提升混凝土的抗壓強度，其中18-0.1%組的7、28d 立方體抗壓強度均為最大，較18-0.05%組在以上兩個齡期分別增加2.07%和1.99%，較18-0.15%組在以上兩個齡期分別增加0.69%和1.00%，理論上存在最佳摻量。

合適長度范圍的玄武巖纖維的摻入使得混凝土更加密實，整體性更好，提高混凝土的抗壓強度。但當纖維長度和摻量過大時，纖維的交錯搭接增加了混凝土內(nèi)部的孔隙，降低了混凝土的密實度，從而使混凝土的抗壓強度降低。

3.4 抗?jié)B性

抗?jié)B性試驗參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG 3420-2020)進行，采用滲水高度法。試件為上下直徑與高度均為150mm 的圓柱體，不同纖維長度及摻量的玄武巖纖維混凝土的滲水高度試驗結果見圖7、圖8。

圖7 玄武巖纖維長度對滲水高度的影響

圖8 玄武巖纖維摻量對滲水高度的影響

由圖7、圖8 可知：纖維體積摻量為0.1%時，隨著所摻入玄武巖纖維長度增大，滲水高度先減小后增大，玄武巖纖維長度為6mm、12mm、18mm、24mm 時的滲水高度相較不摻加纖維的基準組分別下降17.88%、31.39%、21.17%、2.19%；玄武巖纖維長度為30mm 時的滲水高度相較不摻加纖維的基準組增加9.12%。隨著玄武巖纖維摻量的增加，滲水高度先減小后增大，當體積摻量為0.1%時滲水高度最小。

結果表明長度為6～18mm 的玄武巖纖維對混凝土抗?jié)B性具有良好的改善作用，這是由于玄武巖纖維的摻入能夠減少水泥混凝土中的連通孔隙和泌水通道，在混凝土內(nèi)部形成空間網(wǎng)狀結構，從而提高混凝土的密實度。但過長的纖維難以在混凝土內(nèi)部均勻分布并保持筆直狀態(tài)，從而導致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)更多的薄弱區(qū)域，致使混凝土抗?jié)B性下降。同時過量的纖維在混凝土拌和過程中不易分散，且易引入過量的氣泡，導致混凝土密實性降低，對混凝土抗?jié)B性不利。

4 結論

通過玄武巖纖維混凝土力學性能和抗?jié)B性試驗研究，得到以下結論：

4.1 玄武巖纖維的摻入能夠提高混凝土的抗彎拉強度，纖維長度為24mm、摻量為0.1%的混凝土抗彎拉強度最大，7d 強度較不摻加纖維的基準組增加了27.91%，當纖維長度繼續(xù)增加時，抗彎拉強度開始降低。

4.2 玄武巖纖維的摻入能夠提高混凝土的劈裂抗拉強度，隨著纖維長度和摻量和增加，混凝土的劈裂抗拉強度均先增大后減小。當纖維長度為24mm，摻量為0.1%的混凝土的7、28d 劈裂抗拉強度均最大，較不摻加纖維的基準組分別增長了25%、12.77%。

4.3 長度小于18mm 的玄武巖纖維的摻入能夠提高混凝土的抗壓強度，但提升效果并不顯著，當玄武巖纖維長度為18mm、摻量為0.1%時，混凝土7d 和28d 的立方體抗壓強度均達到峰值，較基準組分別增長7.69%和5.02%。當纖維長度超過18mm，隨著纖維長度增加，混凝土抗壓強度開始降低。

4.4 隨著玄武巖纖維長度和摻量的增加，混凝土的滲水高度均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，玄武巖纖維長度為12mm，纖維體積摻量為0.1%時，混凝土的滲水高度相較不摻加纖維的基準組降低了31.39%。而當纖維長度過長、摻量過大時，混凝土的滲水高度開始增大，甚至高于基準組，這表明過長及過量的玄武巖纖維對混凝土密實性不利，使得混凝土抗?jié)B性下降。