玄武巖纖維對水泥砂漿的性能影響

趙云飛

(合肥工業大學，安徽 合肥 230009)

0 引 言

水泥及材料的破壞過程具有多層次特性，表現為由起初微米級別的裂縫在荷載作用下不斷擴大轉化為微觀裂縫，裂縫繼續擴大最終變化為宏觀裂縫進而發生破壞[1]。玄武巖纖維是一種新型無機纖維材料，是火山爆發形成的一種玻璃態的玄武巖礦石經高溫熔融后快速拉制而成的纖維，具有抗壓強度高、彈性模量大、耐腐蝕和化學穩定性好等優良特性[2]。大量文獻表明在水泥基材料中摻加玄武巖纖維能有效加強混凝土的力學性能[3，4]。而水泥混凝土等以水泥為膠結料的混合材料主要依賴水泥和細集料的膠結作用，因此有必要研究玄武巖纖維與水泥和細集料的膠結作用及機制，確定合適的纖維長度和纖維摻量，以期為實際工程提供依據。

1 原材料及試件制作

1.1 原材料

(1)玄武巖纖維。本實驗選用的玄武巖纖維為短切玄武巖纖維，長度選用6 mm、12 mm和20 mm，其主要性能見表1。其他原材料：P.O.42.5R水泥；ISO標準砂；飲用自來水。

表1 玄武巖纖維物理力學性能

1.2 砂漿配合比設計

根據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》[5]，試驗采用配合比為:水泥與ISO砂質量比為1∶3，水灰比為0.5。基準值配合比為:水泥∶標準砂∶水=450 g∶1 350 g∶225 ml。

1.3 試件制作與養護

按配合比將水泥、標準砂、水、玄武巖纖維進行攪拌，攪拌后裝入模具采用振動臺成型，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。將試模放入養護箱養護，20～24 h后脫模。

2 試驗內容及試驗結果

2.1 試件抗折強度試驗

根據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》,以中心荷載法測定抗折強度，采用杠桿式康澤試驗機進行試驗。普通水泥砂漿及摻加不同長度的玄武巖纖維的水泥砂漿的抗折強度試驗結果見表2，并如圖1、圖2所示。

表2 抗折強度試驗結果

圖1 纖維長度對砂漿抗折強度的影響

圖2 纖維摻量對砂漿抗折強度的影響

由表2和圖1可知摻加不同長度的纖維后，水泥砂漿試件的7 d抗折強度均有提高。在摻量為0.5‰時，摻不同長度玄武巖纖維的砂漿的7 d抗折強度分別提高了5.2%、17.2%、19.0%。在摻量為0.5‰時，摻6 mm和20 mm玄武巖纖維的砂漿的28 d抗折強度提高5.3%，而摻12 mm玄武巖纖維的砂漿的28 d抗折強度無變化。因此摻加玄武巖纖維可以明顯提高水泥砂漿試件早期強度，但是對于后期強度影響無一致性的規律。從圖2可知，對于同一種纖維，隨著纖維摻量增加，其抗折強度隨之下降，并且摻入的纖維越長則受摻量增加的影響越大。

2.2 試件抗壓強度試驗

抗折試驗后的斷塊立即進行抗壓試驗，試件受壓面為試件成型時的兩個側面。普通水泥砂漿及摻加玄武巖纖維水泥砂漿的抗壓強度試驗結果見表3,并如圖3、圖4所示。

圖3 纖維長度對砂漿抗壓強度的影響

圖4 纖維摻量對砂漿抗壓強度的影響

表3 抗壓強度試驗結果

由表3和圖3可知摻加不同長度的纖維后，水泥砂漿試件的7 d抗壓強度下降，28 d抗壓強度提高。在摻量為0.5‰時，摻6 mm玄武巖纖維的砂漿的7 d抗壓強度下降了5.5%，摻12 mm玄武巖纖維的砂漿的7 d抗壓強度下降了4.7%，摻20 mm玄武巖纖維的砂漿的7 d抗壓強度下降了9.6%。在摻量為0.5‰時，摻6 mm玄武巖纖維的砂漿的28 d抗壓強度提高了10.3%，摻12 mm玄武巖纖維的砂漿的28 d抗壓強度提高了10.6%，摻20 mm玄武巖纖維的砂漿的28 d抗壓強度提高了12.7%。因此摻加玄武纖維對水泥砂漿早期抗壓強度提升效果不明顯，對砂漿后期抗壓強度有較大提高。

由圖4可知，摻6 mm玄武巖纖維的砂漿在摻量為0.5‰和1.0‰時抗壓強度變化較小，當摻量超過1.0‰時抗壓強度明顯下降；摻12 mm玄武巖纖維的砂漿抗壓強度受摻量影響不大；摻20 mm玄武巖纖維的砂漿抗壓強度隨摻量增加而下降。

3 結論分析

(1)實驗結果表明，摻量為0.50‰的20 mm玄武巖纖維對水泥砂漿試件的增強作用最佳:7 d抗折強度提升19.0%，28 d抗折強度提高2.6%，28 d抗壓強度提高12.7%。

(2) 不同長度的玄武巖纖維在0.5‰摻量時表現出較好的增強作用。當摻量大于0.5‰時，均表現出隨摻量增大而強度下降的現象。

(3) 早期由于水化作用不充分，纖維與膠砂聯結作用不強形成薄弱面導致早期抗壓強度下降；后期水化作用充分，纖維和基體聯結加強，抗壓能力也隨之加強。在抗折試驗中，斷面表面纖維多被拔出，可見纖維增強基體抗折強度主要由纖維抵抗拔出的能力決定，但纖維與基體聯結作用的加強對抗拔能力的提升有限，所以表現出后期抗折強度提升不明顯。當纖維摻量增大時，在攪拌過程中不易分散可能形成結團從而在砂漿中形成空洞導致強度下降。