玄武巖纖維-沙漠砂噴射混凝土基材力學(xué)性能研究

管 裕，安巧霞，王 寧，王 柯，吳 斌

（1.塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.塔里木大學(xué)南疆巖土工程研究中心，新疆 阿拉爾 843300；3.山東天健信達(dá)工程咨詢有限公司，山東 臨沂 276000）

新疆阿拉爾位于塔克拉瑪干沙漠邊緣，擁有豐富的沙漠砂資源，但由于沙漠砂獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)未能廣泛應(yīng)用于建筑工程中。本團(tuán)隊(duì)前期結(jié)合該地區(qū)豐富的沙漠砂資源，將沙漠砂替換噴射混凝土中的普通山砂，研究0%、10%、20%、30%、40%、50%沙漠砂替換率下噴射混凝土物理力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，隨著沙漠砂替換率的增加混凝土依然保持良好的抗壓強(qiáng)度，但抗劈裂強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨著沙漠砂替換率的增加而降低，最后確定沙漠砂在噴射混凝土中的最佳替換率為10%。為進(jìn)一步提高沙漠砂利用率，本研究通過研究在50%替換率下添加玄武巖纖維改善沙漠磨砂噴射混凝土物理力學(xué)性能，進(jìn)一步提高沙漠砂利用率的可行性。

玄武巖纖維（Basalt Fiber，簡(jiǎn)稱BF）是由天然的玄武巖石料，經(jīng)過1 450～1 500 ℃融化后，采用鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續(xù)纖維。因其與混凝土具有天然的相容性，有著優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的耐久性能，被認(rèn)為是“21 世紀(jì)的純天然高性能纖維”[1]。近年來大量學(xué)者對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行了大量的研究。徐路等人[2]研究發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維在混凝土中具有良好的分散性能，玄武巖纖維摻入到噴射混凝土中可有效提高混凝土的延性。SⅠM 等人[3]進(jìn)行了CBF 加固梁等混凝土構(gòu)件的適應(yīng)性研究，結(jié)果表明在在耐高溫和改善梁的屈服性能上要優(yōu)于玻璃纖維和碳纖維；國(guó)內(nèi)的廉杰、鄧宗才、吳釗賢等人[4-6]也對(duì)不同纖維摻量的BFRC力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：CBF 在骨料結(jié)合界面具有良好的聯(lián)結(jié)性能，提高了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，降低了孔隙率，從而提高了混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能，特別在早期抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果尤為顯著。CBF 的體積摻量和長(zhǎng)徑比對(duì)混凝土的強(qiáng)度也有一定影響，其中，CBF 摻量對(duì)混凝土的影響較為顯著。因此，可以通過最優(yōu)的體積摻量和長(zhǎng)徑比的確定來提高混凝土性能。

本試驗(yàn)圍繞進(jìn)一步提高沙漠砂利用率這一主旨，通過研究在50%替換率下添加玄武巖纖維改善沙漠砂噴射混凝土物理力學(xué)性能，使之達(dá)到更好的力學(xué)性能，為玄武巖纖維-沙漠砂噴射混凝土應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

采用新疆青松化工集團(tuán)股份有限公司的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，具體性能見表1。采用塔克拉瑪干沙漠邊緣沙漠砂，按50%替代阿克蘇地區(qū)生產(chǎn)的細(xì)度模數(shù)為2.57 的水洗中砂，配置細(xì)集料。采用阿克蘇地區(qū)生產(chǎn)的粒徑為5～10 mm 的水洗石。采用湖南中巖建材科技有限公司聚羧酸高效減水劑。拌和水和養(yǎng)護(hù)水均采用自來水。采用上海臣啟化工科技有限公司生產(chǎn)的18 mm 短切玄武巖纖維，具體性能見表2。

表1 水泥各項(xiàng)性能指標(biāo)

表2 玄武巖纖維物理力學(xué)性能

1.2 配合比設(shè)計(jì)及試件制作

結(jié)合實(shí)際工程及以往研究經(jīng)驗(yàn)，為研究通過添加玄武巖纖維改善沙漠砂噴射混凝土物理力學(xué)性能的可行性。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范[7]，以50%沙漠砂替換率下沙漠砂噴射混凝土配合比為基準(zhǔn)，分別設(shè)置了玄武巖纖維摻量為0 kg/m3、1 kg/m3、2 kg/m3、3 kg/m3、4 kg/m3、5 kg/m3的6 組玄武巖纖維-沙漠砂噴射混凝土配合比。嚴(yán)格按照規(guī)范要求加工、制作及養(yǎng)護(hù)試塊。本試驗(yàn)所有試塊均進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。其中抗壓試塊、抗劈裂試塊采用5 組、每組3 塊、每塊為100 mm×100 mm×100 mm（長(zhǎng)×寬×高）規(guī)格的立方體試塊，采用YA-2000 電液伺服壓力機(jī)測(cè)試其3 d、7 d、28 d 強(qiáng)度。抗折采用100 mm×100 mm×100 mm（長(zhǎng)×寬×高）的長(zhǎng)方體試塊，測(cè)試其3 d、7 d、28 d 抗折強(qiáng)度，具體配合比見表3。

表3 玄武巖纖維-沙漠砂噴射混凝土基材配合比

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 BF 摻量對(duì)BF-DSSC 抗壓強(qiáng)度的影響

BF 摻量對(duì)DSSC 立方體抗壓強(qiáng)度的影響如圖1 所示，從圖1 可以發(fā)現(xiàn)，隨著玄武巖纖維摻量的增加，噴射混凝土抗壓強(qiáng)度都經(jīng)歷了一個(gè)先上升后下降的過程，玄武巖纖維摻量在2 kg/m3時(shí)抗壓強(qiáng)度到最高，3 d、7 d、28 d 抗壓強(qiáng)度分別達(dá)30.86 MPa、34.89 MPa、41.15 MPa，而后隨著玄武巖纖維摻量的提高，立方體試塊抗壓強(qiáng)度逐步降低并在4 kg/m3時(shí)最低，3 d、7 d、28 d 抗壓強(qiáng)度分別為26.93 MPa、30.64 MPa、37.62 MPa。分析原因主要是分散良好的玄武巖纖維能與混凝土機(jī)體一起發(fā)揮良好的協(xié)同作用，在一定程度上增加了混凝土的抗壓強(qiáng)度[8-9]，但隨著摻量的提高，不可避免地出現(xiàn)纖維結(jié)團(tuán)效應(yīng)，同時(shí)過量的玄武巖纖維也會(huì)造成混凝土工作性能下降，極易造成振搗不夠密實(shí)，孔隙率增加的情況，降低了試塊抗壓強(qiáng)度。BF 摻量對(duì)試塊抗壓破壞形態(tài)的影響如圖2 所示，觀察圖2 發(fā)現(xiàn)，隨著纖維摻量的提高，試塊細(xì)小裂縫開始減少，貫通裂縫增多，這是由于玄武巖纖維在混凝土內(nèi)部起到了加筋效應(yīng)，試塊完整性提高，試塊表現(xiàn)出良好的整體性。

圖1 BF 摻量對(duì)DSSC 立方體抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 BF 摻量對(duì)試塊抗壓破壞形態(tài)的影響

2.2 BF 摻量對(duì)BF-DSSC 劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

BF 摻量對(duì)DSSC 劈裂抗拉強(qiáng)度的影響如圖3 所示。從圖3 中發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維的摻入可有效提高沙漠砂噴射混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)。當(dāng)纖維摻量為1 kg/m3時(shí)劈裂拉伸強(qiáng)度最大，相對(duì)于基準(zhǔn)組3 d、7 d、28 d 強(qiáng)度分別提升100%、35.98%、14.29%，達(dá)2.32 MPa、2.57 MPa、2.88 MPa。當(dāng)BF 摻量超過1 kg/m3時(shí)強(qiáng)度呈現(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)，并在4 kg/m3時(shí)強(qiáng)度最低，分別為2.00 MPa、2.29 MPa、2.47 MPa。試件28 d 強(qiáng)度BF-1 拉壓比相比BF-0 提高1.07 倍，故發(fā)現(xiàn)BF 的摻入提高了混凝土的拉壓比，有效地限制了混凝土裂縫的發(fā)展，提高了混凝土的延性。BF 摻量對(duì)試塊劈裂抗拉破壞形態(tài)的影響如圖4 所示，觀察圖4 試塊破壞形態(tài)，試塊受力后隨著壓力的提高，當(dāng)混凝土中不含纖維時(shí)，裂縫一旦出現(xiàn)將迅速發(fā)展并貫通破壞，試塊破壞過程表現(xiàn)出明顯的脆性特征。當(dāng)混凝土中摻入玄武巖纖維時(shí)，隨著壓力的提高，試塊表面開始出現(xiàn)裂縫，隨著裂縫的產(chǎn)生，試件裂縫處發(fā)生應(yīng)力重分布，裂縫處拉應(yīng)力由混凝土向纖維轉(zhuǎn)移，保證了試塊應(yīng)力均勻，有效限制了裂縫的發(fā)展，試塊破壞過程表現(xiàn)出明顯的塑性特征[10]。隨著纖維的摻入試塊完整性得到提高。

圖3 BF 摻量對(duì)DSSC 劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

圖4 BF 摻量對(duì)試塊劈裂抗拉破壞形態(tài)的影響

2.3 BF 摻量對(duì)BF-DSSC 抗折強(qiáng)度的影響

BF 摻量對(duì)DSSC 抗折強(qiáng)度的影響如圖5 所示，從圖5 中可知玄武巖纖維的摻入可有效提高沙漠砂噴射混凝土的抗折強(qiáng)度，發(fā)展趨勢(shì)基本呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，并且在摻量為4 kg/m3時(shí)表現(xiàn)最好，3 d、7 d、28 d 抗折強(qiáng)度分別達(dá)到2.975 MPa、3.656 MPa、4.225 MPa，相較于基準(zhǔn)組BF-0 抗折強(qiáng)度分別提高了28%、37%、35%，當(dāng)玄武巖纖維摻量超過4 kg/m3時(shí)強(qiáng)度開始表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。試塊破壞過程中未添加玄武巖纖維的試塊破壞發(fā)生突然，表現(xiàn)出明顯的脆性特征；當(dāng)混凝土中摻入玄武巖纖維后，在力的作用下試塊開始出現(xiàn)裂縫，由于纖維的存在，裂縫處發(fā)生了應(yīng)力重分布，拉應(yīng)力開始由纖維承擔(dān)，因此破壞過程相對(duì)較為緩慢，破壞時(shí)試塊撓度大表現(xiàn)出明顯塑性特征。

圖5 BF 摻量對(duì)DSSC 抗折強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

玄武巖纖維與混凝土具有良好的相容性，摻入到混凝土中可改善混凝土的力學(xué)性能，是一種值得推廣的纖維增強(qiáng)材料，應(yīng)拓寬在混凝土材料中的應(yīng)用。試驗(yàn)表明，玄武巖纖維摻入可有效提高混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，當(dāng)纖維摻量在2 kg/m3時(shí)抗壓強(qiáng)度最高，當(dāng)纖維摻量在1 kg/m3時(shí)劈裂抗拉強(qiáng)度最高，當(dāng)纖維摻量在4 kg/m3時(shí)抗折強(qiáng)度最高。玄武巖纖維摻入可改善混凝土破壞形態(tài)，提高混凝土塑性。