改性玄武巖纖維混凝土的力學與變形性能及微觀機理研究

馬鳳華

改性玄武巖纖維混凝土的力學與變形性能及微觀機理研究

馬鳳華

河南財政金融學院, 河南 鄭州 451464

為了改善玄武巖纖維混凝土材料的強度和收縮性能，本文采用了玄武巖纖維、芒硝、粉煤灰、脫硫石膏作為外摻料進行混凝土的配制，并按照正交實驗的方法確定不同材料的最佳配合比例，最后開展XRD半定量分析與SEM掃描電鏡實驗對改性混凝土的微觀結構進行了探測。結果表明：改性外摻料的等質量替代水泥的最佳配合比為：粉煤灰摻量10%、脫硫石膏摻量8%、芒硝摻量0.5%以及玄武巖纖維摻1.5%；經過復合材料改性后混凝土的抗折強度和抗壓強度分別提高了0.48和2.1倍；干縮率減小了0.56倍；從SEM圖像中觀察到材料中有大量水化凝膠產物包裹玄武巖纖維，粉煤灰和石膏顆粒填充在孔隙中，礦物水化程度和微觀結構的變化是改性玄武巖纖維混凝土材料收縮性和強度增強的根本原因。

玄武巖; 纖維混凝土; 變形; 微觀機理

混凝土的摻雜改性技術中已經在實際的建筑材料研制中取得了廣泛應用[1]。利用玄武巖纖維對混凝土進行改性可以獲得新型改性混凝土材料，玄武巖纖維與其它外物料的綜合反應可以顯著提高混凝土材料的工作性能[2]。通過在普通水泥砂漿添加玄武巖纖維等外加材料，能促進物料之間的物理和化學反應，有效提高混凝土材料在實際工程中的適用性和耐久性[3]。普通混凝土材料在實際工程中可能存在強度不足和變形性能較差的缺點，不利于建筑工程的穩定性。近年來，科技工作者利用外摻料對混凝土的強度和變形性能改進已經取得了顯著成就。例如：董偉等[4]研究了玄武巖纖維的摻量對風積沙混凝土承壓和變形性能的影響，認為合理的配比可以有效提高玄武巖纖維混凝土的關鍵工作性能。劉雨姍等[5]對普通混凝土材料開展改性研究，發現不同玄武巖纖維配比下的混凝土材料抵抗變形破壞的能力有顯著差異。于英華等[6]利用不同含量的玄武巖纖維和述職對水泥砂漿進行摻雜改性，發現一定比例纖維和樹脂可以明顯提高材料抗彎折強度和變形性能。因此，在玄武巖纖維改性混凝土的性能與物料類別及其摻量有重要聯系，需要根據具體外摻料的情況開展實驗研究。

在混凝土綜合性能的改善研究方面，不同種類、含量的外摻料對混凝土的改善效果存在明顯差異。外摻料的種類眾多，功效相互影響，采用常規的人工經驗判斷方法難以滿足復合混凝土材料配合比設計的要求，需要對混凝土改性效果進行量化。因此，在具體改性實驗過程中引入正交實驗的方法，能夠高效、快速和經濟對實驗組別進行設計[7,8]。本文采用正交試驗方法，在混凝土材料基本配比的條件下，利用芒硝、粉煤灰、脫硫石膏和玄武巖纖維對水泥砂漿進行改性，為增強玄武巖纖維改性混凝土綜合工作性能提高合理的參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

配制混凝土樣品采用的基本物料包括：粗、細集料、水泥、水和減水劑。其中，細骨料取自江蘇省徐州市某金屬礦礦場的尾礦砂，粗骨料為篩分后的碎石，粒徑范圍為4.5~20.5 mm，凝膠材料常州鐘鳴水泥有限公司生產的硅酸鹽水泥，標號為PC32.5平均密度為3.32 g/cm3，比表面積為325 m2/kg尾礦砂顆粒屬于連續級配，其細度模數為2.45，主要礦物成分為石英?黃鐵礦和鐵錳角閃石等。適合作為綠色環保的混凝土材料的細骨料[9]。

玄武巖纖維混凝土的改性外摻材料采用粉煤灰?芒硝?無水脫硫石膏?粉煤灰選用徐州某發電廠的II級粉煤灰廢料，其密度為2.08 g/cm3，比表面積為195 kg/m3；芒硝選用工業芒硝，其硫酸鈉含量為99%以上，平均粒度為95 μm；石膏選用發電廠生產的無水脫硫石膏，平均含水率10%~15%，呈白色粉末狀；玄武巖纖維由蘇州維科化工纖維材料公司提供，主要物理性質指標如表2所示?從表2可以看出用于研制改性混凝土材料的纖維密度較小、強度高?延性好、工作溫度范圍大，是進行力學改性的良好外摻料[10,11]?

表 1 玄武巖纖維指標

1.2 試驗方法

本試驗材料的基本物料配比為碎石集料：尾礦砂=5:3:2，以水灰比為0.4的比例加水拌和，其它外加物料按照一定質量比例稱量，在常溫下充分攪拌均勻后制成漿料。材料配制過程中將粉煤灰、芒硝、脫硫石膏、玄武巖纖維按照等質量替代水泥的方法進行改性配比的設計。將各種物料準備好后，將漿料進行充分拌合，然后倒入立方體和棱柱體模具中，并在標準養護環境中進行養護。本實驗采用的立方體混凝土樣品的數碼照片如圖1所示。

混凝土試件養護28 d后，對脫模的試件進行強度測試，對每組樣品先后開展棱柱體試件的抗折強度測試和立方體的抗壓強度測試，試驗儀器與樣品如圖2所示。同時，在混凝土棱柱體試樣養護成型后，測量試件的長度，并計算干燥收縮率。混凝土的干燥收縮率：

=(0-)/0×100% (1)

式中，為試樣標準長度，在本實驗中取為160mm，為養護后28 d的試件長度。

圖 1 混凝土立方體試樣

圖 2 力學測試中的儀器和混凝土樣品

2 試驗方案與結果

2.1 正交實驗設計

正交實驗設計要求根據試驗中的不同試驗條件、因素和水平制定試驗計劃，從而獲取正交實驗表，并按照表格進行試驗。正交試驗可以在有限試驗次數的情況下獲取最優的試驗結果。在研制改性材料的實驗中，采用正交試驗的方法可以大幅減少試驗的組數，從而有效地節約了材料研制所需要的人力和物力[12-14]。在改性玄武巖纖維混凝土材料研制中，根據材料的具體情況設計了4因素4水平的正交試驗方案，主要研究粉煤灰、脫硫石膏、芒硝和玄武巖纖維對復合混凝土材料綜合性能的影響規律，正交試驗表如表2所示。

表 2 改性混凝土的配合比

2.2 改性試驗結果

如表3所示，通過四水平、四因素的正交試驗表可以得到12組不同配合比，即配制了12組不同配合比的玄武巖纖維混凝土。對著12組試樣分別開展抗折強度、抗壓強度和干燥干縮率的測試。得到的試驗結果如表3所示。從表3得到以下結論：（1）各外摻量對混凝土的抗折強度影響的大小排序為：纖維＞粉煤灰＞石膏＞芒硝；（2）對抗壓強度影響的大小排序為：纖維＞粉煤灰＞石膏＞芒硝；（3）對收縮性能影響的大小排序為：芒硝＞石膏＞粉煤灰＞纖維。

在改性試驗中，各設計因素和水平與抗折強度、抗壓強度和收縮性能指標有關，選擇最有利于重點關注指標的水平才能達到最佳的改性目的。在本研究中重點研究了普通玄武巖纖維混凝土材料強度和變形性能不足的解決方法，從表4的正交試驗結果可知，抗折強度的最優配比為：玄武巖纖維摻量2.0%、芒硝摻量0.5%、石膏摻量8.0%、粉煤灰摻量15.0%。抗壓強度的最優配比為：玄武巖纖維摻量2.0%、芒硝摻量0.5%、石膏摻量12%、水泥摻量10%。收縮性能的最優配比為：即玄武巖纖維摻量1.0%、芒硝摻量0.5%、石膏摻量8%、粉煤灰摻量15%。

表 3 玄武巖纖維混凝土改性試驗結果

2.3 最優配合比試樣的性能

綜合考慮各因素以及實際工程的需要，確定最優配比為：玄武巖纖維摻量2.0%、芒硝摻量0.5%、石膏摻量8%、粉煤灰摻量15%。對最優配合比下的改性玄武巖纖維混凝土試樣進行強度和收縮試驗，改性前后的各性能指標如圖3的直方圖所示。可以看出經過外摻料最優配合改性的膏體充填，各項指標均有明顯提高。其中，抗折強度和抗壓強度分別提高了0.48和2.1倍；干縮率減小了0.56倍。說明經過最優配合比外摻量改良的混凝土材料，解決了普通玄武巖纖維混凝土材料在收縮變形較大的不足。

表 4 改性前后混凝土性能指標的直方圖

3 改性機理分析

通過對不同玄武巖纖維摻量和不同養護齡期試樣進行X射線衍射圖譜進行分析與SEM微觀形態觀察，結果如圖3和圖4所示

根據圖3所示的混凝土材料的X衍射圖譜，可以分析養護過程中的材料礦物成分變化。改性混凝土材料中富含水化硅酸鈣（C-S-H(I)）、石英、方解石、Ca(OH)2和鈣礬石等物質。隨著齡期增長，Ca(OH)2與石英含量明顯減少，而水化硅酸鈣和鈣礬石含量逐漸增加。此現象說明由于玄武巖纖維芒硝、石膏、粉煤灰等物質與水泥中的物質發生了化學反應，加速了混凝土的水化反應速率，并生成大量具有膨脹性質的鈣礬石，這是改性混凝土強度和收縮性改變的根本原因[15]。

圖 3 不同養護時間的混凝土XRD衍射圖譜

此外，從圖4(a)所示的微觀圖像，養護28 d后的復合混凝土材料內部形成的硬化物結構較為致密，水化物膠結程度較高，排列整齊。這一方面是由于水泥與水反應形成了硬化產物，另一方面是由于芒硝與脫硫石膏發生化學反應形成了大量鈣礬石。鈣礬石的形成有效提升了混凝土的早期強度。從圖4（b）可以看出玄武巖纖維在改性水泥砂漿中起到連接不同骨料和由水泥和石膏凝膠體的作用。而隨著養護齡期的延長，玄武巖纖維中的斜硅鈣石的水化速度較慢，在水化反應的中后期對材料強度有貢獻。玄武巖纖維在材料內部具有很好的連接作用，使得復合混凝土材料內可以形成整體性較好的粘結強度，對材料的抗折性能有直接的改善效果。從圖4（c）可以看出不規則的骨料之間存在球狀的粉煤灰顆粒，由于骨料顆粒尺寸相對較大，顆粒堆積形成大量孔隙，粉煤灰的細顆粒填充在孔隙中。顆粒的填充效果大大增強了材料的致密程度，從而改善了其強度性能，尤其是抗壓強度性能。另外，由于芒硝促進了鈣礬石的形成，使得凝膠結構整體性提高，混凝土結構吸附結合水的能力提升，從而有效改善了玄武巖纖維混凝土材料收縮性能[16]。

圖 4 玄武巖纖維混凝土的SEM掃描圖像

3 結 論

采用正交試驗進行摻雜改性，研制了新型改性玄武巖纖維混凝土材料。得到以下結論：

（1）通過對改性后的混凝土開展力學測試和收縮率測量，發現玄武巖纖維對材料的抗折與抗壓強度具有最顯著的改良作用，芒硝對干燥收縮率的改良效果最佳；

（2）由正交設計實驗得到了混凝土材料的改性最佳配合比為：粉煤灰10%、石膏8.0%、玄武巖纖維1.5%、芒硝0.5%。改性后混凝土的抗折強度和抗壓強度分別提高了0.48和2.1倍；干縮率減小了0.56倍；

（3）根據礦物成分分析發現隨著齡期增長，復合混凝土材料內部的Ca(OH)2與石英含量明顯減少，水化硅酸鈣和鈣礬石含量逐漸增加；

（4）由SEM圖像觀測微觀結構發現，改性復合混凝土材料中存在著大量的水泥和石膏水化凝膠產物包裹著玄武巖纖維，芒硝起到促進鈣礬石形成的作用，粉煤灰對微觀孔隙有填充效果。礦物水化程度和微觀結構改變是復合混凝土材料干縮性和強度改善的根本原因。

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Study on Mechanics, Deformation Property and Microscopic Mechanism of the Modified Basalt Fiber Concrete

MA Feng-hua

451464,

In order to improve the strength and shrinkage properties of basalt fiber concrete, basalt fiber, mirabilite, gypsum, fly ash and basic materials were used as experimental materials to make up the concrete. The optimum proportion of three admixtures in cement mortar was studied by orthogonal tests. The microcosmic mechanism of modified materials was studied by XRD and SEM. The results showed that the optimal proportions of modified high-water backfill materials were consisted of basalt fiber content of 1.5%,sal glauberi content of 0.5%, desulfurization gypsum content of 10%, fly ash content of 10%. The flexural strength and compressive strength of the material were increased by 3.58 times and 1.62 times respectively and the shrinkage rate was reduced by 0.82 times after modification. There were many gel products wrapped basalt fiber and cement and gypsum particles filled in the pores. The degree of mineral hydration and microstructure changes were the fundamental reasons for the improvement of shrinkage and strength of modified basalt fiber concrete.

Basalt; fiber concrete; deformation; microscopic mechanism

TU528.572

A

1000-2324(2020)03-0542-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2020.03.032

2018-12-19

2019-02-04

馬鳳華(1980-),女,碩士,講師,主要研究方向:建筑設計及其理論. E-mail:49375923@qq.com