玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能試驗研究

張玉庭 梅 宏 李世茂

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

隨著高層大跨結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展，對混凝土耐久性問題的關(guān)注日益增多，混凝土的研究也逐漸向輕、高強度等方向發(fā)展。研究表明，添加復(fù)合材料能有效解決混凝土的固有缺陷。玄武巖纖維質(zhì)量輕、穩(wěn)定、高強，加入混凝土中可提高混凝土抗沖擊性能，降低脆性，改善混凝土的抗?jié)B性、抗凍融循環(huán)能力和抗收縮能力。為此，通過室內(nèi)試驗，研究了纖維長度、摻量對玄武巖混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響，為相關(guān)工程設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 試驗材料及試驗方案設(shè)計

通過室內(nèi)力學(xué)試驗對玄武巖纖維混凝土的力學(xué)性能進行研究。

1.1 測試材料

1.1.1 水泥

水泥選用普通硅酸鹽水泥，材料特性見表1。

表1 水泥特性

從表1可以看出，水泥初凝時間超過45min，終凝時間不超過600min，符合規(guī)范要求。

1.1.2 粗細骨料

骨料選用粒徑小于26.5mm的石屑，細集料選用中砂級配的河砂，其物理性質(zhì)見表2、表3。

表2 碎石粒度組成

表3 細骨料粒徑組成

1.1.3 玄武巖纖維

研究結(jié)果表明，玄武巖纖維具有良好的穩(wěn)定性和耐蝕性能。本試驗選用重慶玄武巖實業(yè)公司生產(chǎn)的絲狀玄武巖纖維，長度為12～24mm，單纖直徑為15μm，其物理特性見表4。

表4 玄武巖纖維物理特性

1.2 測試計劃

通過室內(nèi)壓縮強度和抗折強度試驗，研究不同纖維長度和摻量對混凝土力學(xué)性能的影響。經(jīng)9組試驗，玄武巖纖維長度分別為10mm、12mm、14mm，其摻量分別為0.1%、0.2%、0.3%，詳見表5。

表5 試驗工況

2 玄武巖纖維混凝土工作性能

玄武巖纖維混凝土的工作性能是指混凝土在施工過程中能保證其質(zhì)量均勻、結(jié)構(gòu)致密的特點，又稱為和易性，主要包括流動性、保水、黏合等，在實際工程中，多以流動性作為評價混凝土和易性的指標(biāo)。試驗結(jié)果表明，混凝土骨料的最大粒徑為26.5mm（<40mm），因此，通過坍落度測定玄武巖纖維混凝土的流動性，評價其工作性能。

坍落度試驗主要使用標(biāo)準(zhǔn)坍落度桶、截頭圓錐形、搗棒、鋼尺等工具，具體試驗步驟：

（1）濕潤坍落度桶內(nèi)壁，并將其固定在不吸水的平板上。

（2）分層分次裝填玄武巖纖維混凝土，并沿坍落度桶邊緣向內(nèi)均勻插搗，插搗完成后抹平混凝土表面。

（3）在5～10s時間內(nèi)緩慢提起坍落度桶，并將測試時間控制在3min以內(nèi)。

（4）記錄坍落后混凝土最高點的高度，坍落度值為最高點高度與桶高的差值，擴展度為混凝土停止流動時測定的擴展直徑。

在不同玄武巖纖維長度和摻量條件下，混凝土的坍落度和擴展度如圖1、圖2所示。

圖1 玄武巖纖維混凝土坍落度

圖2 玄武巖纖維混凝土擴展度

從圖1、圖2可以看出，在不同纖維長度條件下，隨著玄武巖纖維含量的增加，混凝土的坍落度和擴展度均降低。在無玄武巖纖維條件下，混凝土坍落度為195mm、擴展度為455mm，流動性能良好；添加0.1%的玄武巖纖維后，混凝土坍落度、伸縮度均未明顯降低，玄武巖纖維含量在0.2%以上時，坍落度和伸縮度下降幅度超過50%，流動性明顯降低，玄武巖纖維含量下降，流動性下降不明顯，這時玄武巖纖維混凝土流動性基本喪失。

3 玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能

按照有關(guān)規(guī)定，制作100mm×100mm×100mm的試件，使用室內(nèi)壓力試驗機對不同纖維長度和摻量條件下的混凝土進行軸向抗壓試驗，最大負壓率為3000kN，試驗步驟為：

（1）擦凈養(yǎng)護試件，放置在壓力機承壓板上。

（2）將試件中心對準(zhǔn)測試板中心，使測試結(jié)果均勻加載，直至試件破裂，記錄最大載荷，精確到0.1MPa。

（3）整理記錄數(shù)據(jù)，最終抗壓強度值見公式（1）。

式中，fcu——混凝土立方體抗壓強度，MPa；

F——最大破壞荷載，N；

A——試塊受力面積，mm2。

在不同纖維長度和摻量條件下，混凝土的壓縮強度見圖3。

圖3 玄武巖纖維混凝土壓縮強度

通過分析可以看出，玄武巖纖維長度不變時，隨著玄武巖纖維摻量的增加，混凝土的抗壓強度逐漸增加：玄武巖纖維長度為10mm時，玄武巖纖維含量從0.1%上升到0.3%，玄武巖纖維混凝土的抗壓強度從35.6MPa提高到40.8 MPa；玄武巖纖維長度為12cm時，玄武巖纖維含量從0.1%上升到0.3 %,玄武巖纖維混凝土的抗壓強度從36.2MPa提高到40.4MPa。由于混凝土中加入了一定量的玄武巖纖維，混凝土骨料間產(chǎn)生了牽拉、摩擦，玄武巖纖維就像箍筋一樣，同時承擔(dān)外部壓力，玄武巖纖維的摻量和長度也隨之增加，其協(xié)同效應(yīng)越來越明顯。

4 結(jié)語

在混凝土中加入一定量的玄武巖纖維，可有效地提高混凝土的耐久性，本文通過室內(nèi)坍落度、抗壓強度測試，研究不同摻量、不同長度條件下混凝土的工作性能和力學(xué)性能，分析玄武巖纖維含量、長度對混凝土力學(xué)性能的影響，得出以下結(jié)論：

在不同纖維長度條件下，混凝土坍落度和擴展度隨玄武巖纖維含量的增加而降低。當(dāng)玄武巖纖維含量大于0.2%時，坍落度和擴展度下降50%以上；當(dāng)玄武巖纖維含量大于0.3%時，混凝土流動性能基本消失。隨著玄武巖纖維摻量的增加，混凝土的抗壓強度也隨之增加，玄武巖纖維的添加對混凝土中的增筋性有較大影響，玄武巖纖維的摻量和長度越大，加筋效果越明顯。