玄武巖纖維摻量對硅酸鹽混凝土力學性能影響

符 德，符 曜，郭春梅

(1.南召縣農村公路管理所，河南 南召 474650； 2.南召縣交通運輸局，河南 南召 474650； 3.南召縣人社局，河南 南召 474650)

由于瀝青路面具有行車舒適性好、建設周期短等特點，目前高等級公路及城市道路基本都采用瀝青路面，但由于瀝青混凝土是一種彈塑性材料，在高溫天氣容易產生車轍等病害，因此對于供重載車輛通行或物流運輸路線的道路仍然多采用水泥混凝土路面，水泥混凝土路面具有抗壓強度高、板體性好、經濟耐久的優點，但由于普通水泥混凝土作為一種剛性材料，具有脆性大、抗拉強度低和易產生裂縫的缺陷[1-5]。大量研究表明，玄武巖纖維在改善水泥混凝土抗拉強度和延緩開裂方面具有很好的效果[6-7]。

玄武巖纖維是利用玄武巖石料經過1 400 ℃以上高溫熔融并拉絲而成的無機環保材料，它具有化學性能穩定、耐受高溫和力學性能好的特點。有學者研究了玄武巖纖維在改善混凝土密實性和提高混凝土抗裂性能方面具有良好的效果[8]；通過分析玄武巖纖維對于混凝土抗壓強度、抗壓強度的影響，并建立了玄武巖纖維用量與混凝土力學性能的關系式[9]；通過室內試驗研究了玄武巖纖維不同長度和不同摻量對于抗壓強度、抗拉強度和抗凍性的影響，并采用核磁共振和掃描電鏡微觀手段分析了玄武巖纖維在混凝土中的作用機理[10]。為進一步確定玄武巖纖維的最優摻量，為工程實踐提供理論支撐，本文以不同摻量的玄武巖纖維對于水泥混凝土各方面力學性能的影響為出發點，進一步研究確定玄武巖纖維的最優用量。

1 原材料與配合比

1.1 原材料性能

水泥作為混凝土的主要結合料，其性質直接影響著水泥混凝土的強度，試驗用水泥選擇安徽海螺牌42.5R普通硅酸鹽水泥，其主要指標性質見表1。纖維材料選用浙江某纖維科技有限公司生產的直徑為13 μm、長度為6 mm的玄武巖纖維(簡稱BF)，其密度為2.63 g/cm3，斷裂伸長率為3.2%，彈性模量為90～110 GPa。根據文獻[11]～文獻[13]的研究，水泥混凝土中摻入粉煤灰可節省水泥用量，降低細骨料比例，一定程度地改善混凝土的和易性，并能降低水化熱，選擇江西某電力公司提供的II級粉煤灰，粉煤灰活性指數為83.6%，細度為15.3%，需水量比為101.6%，燒失量為4.2%。粗骨料選擇粒徑為5～20 mm的天然碎石，細骨料選擇細度模數為2.7的潔凈河沙。減水劑采用聚羧酸鹽高性能減水劑，其用量占膠凝材料的1%。

表1 42.5R普通硅酸鹽水泥指標性質Tab.1 Index properties of 42.5R ordinary silicate cement

1.2 配合比設計

設計混凝土強度等級為C30，實驗室基準配合比采用每立方米混凝土所需原料進行設計，其水膠比為0.40，砂率為0.32，具體原料用量見表2。玄武巖纖維是在基準配合比的基礎上采用外摻方式加入到混凝土中，其體積摻量分別為0.1%、0.2%、0.3%和0.4%。

表2 混凝土實驗室基準配合比Tab.2 Concrete lab reference mix ratio kg/m3

1.3 試件制備

按實驗室基準配合比稱取原材料，將碎石、砂和水泥、粉煤灰分別加入攪拌鍋拌和60 s并在干拌過程中逐漸加入玄武巖纖維，使纖維均勻分散在混合料中；然后加入稱量好的潔凈自來水和減水劑再次攪拌180 s，將拌和好的混凝土加入表面涂有脫模劑的干凈模具中，固定好模具后放于振動臺上振搗至混凝土體積穩定后，采用刀片將試件表面抹平后將試件置于標準養生室內養護24 h后方可拆模，拆模后繼續在標準養生室養護至規定齡期即可開始試驗。

2 力學性能

混凝土路面在鋪筑后其強度增長和硬化速率會受到外界溫度及濕度環境的影響，在外界環境的作用下會發生體積収縮并產生裂紋，外界侵蝕性物質會順著早期裂紋進入混凝土結構內，使裂縫進一步擴展，從而影響混凝土結構的強度和耐久性[14]。為提高混凝土路面的使用耐久性，需要保證混凝土具有足夠的力學強度和抗裂性能。本文分別從抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度和早期開裂性能方面對摻玄武巖纖維的混凝土進行試驗研究。

2.1 抗壓強度

室內成型不同體積摻量0%、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%的規格均為100 mm×100 mm×100 mm試件，采用WHY-3000全自動壓力試驗機分別測試其養護3、7和28 d的混凝土試件抗壓強度，并將試驗結果乘尺寸換算系數0.95，其結果如圖1所示。

圖1 玄武巖纖維摻量對不同齡期混凝土 抗壓強度的影響Fig.1 Effect of basalt fiber mixing on the compressive strength of concrete of different ages

從圖1可以看出，混凝土抗壓強度隨養護齡期增加而逐漸增大，在養護齡期為3 d時，摻0.1%玄武巖纖維的混凝土相對于素混凝土抗壓強度提升幅度最大。另外，可以發現在任一養護齡期時，加入0.1%玄武巖纖維時的混凝土抗壓強度均最大，且當玄武巖纖維摻量大于或等于0.2%后混凝土的抗壓強度均有不同程度的減小，對于摻量0.4%玄武巖纖維且養護28 d齡期的混凝土抗壓強度相對于素混凝土降低了7.7%。說明少量的玄武巖纖維對于混凝土抗壓強度具有改善作用，但玄武巖纖維摻量較大時對于混凝土抗壓強度會產生不利影響。此外，在試驗過程中發現素混凝土在加壓過程中立即破壞，且具有明顯的脆性破壞特征；而摻入玄武巖纖維的混凝土破壞過程相對遲緩，且能明顯看到混凝土裂紋處存在斷裂的纖維，表現出一定的塑性特征。這可能是由于混凝土出現裂紋后，摻入的玄武巖纖維便開始起作用，以抑制裂紋的進一步發展，并且在裂紋擴展過程中纖維斷裂也會消耗一部分能量。

2.2 抗折強度

按不同摻量的玄武巖纖維制備成尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的混凝土試件，并采用MTS萬能材料試驗機對養護3、7和28 d的混凝土試件進行抗折強度試驗，并將試驗結果乘尺寸換算系數0.85，其結果如圖2所示。

圖2 玄武巖纖維摻量對不同齡期混凝土 抗折強度的影響Fig.2 Effect of basalt fiber mixing on the bending strength of concrete at different ages

從圖2可以看出，由于水泥水化及凝結硬化，混凝土抗折強度隨養護齡期增加持續增長。在任一養護齡期，相對于素混凝土而言，摻玄武巖纖維的混凝土抗折強度明顯提高，且隨著玄武巖纖維摻量增加而呈增大趨勢，直到摻量為0.3%時其抗折強度達到了峰值，然而摻量不宜過大，當摻量為0.4%時雖具有改善效果，但開始有所降低。說明摻玄武巖纖維可以一定程度地改善和增強混凝土的抗折強度，但摻量不宜高于0.3%。這可能是由于一定量的纖維可以改善混凝土的密實性，使混凝土內部結構達到最佳狀態，而摻量過大時反倒會使這種最佳狀態受到破壞[15]，且由于纖維自身較大的比表面積需要更多的水泥漿體包裹；然而纖維摻量過多時會導致部分纖維無法被包裹，混凝土內部致密性受到影響，在界面處就會容易出現裂縫，導致試件過早破壞。

2.3 劈裂抗拉強度

室內成型規格為100 mm×100 mm×100 mm混凝土試件，采用伺服儀分別測試混凝土試件養護期為3、7和28 d的試件破壞時的最大荷載值，然后通過受壓面積換算為劈裂抗拉強度值，其結果如圖3如示。

圖3 玄武巖纖維摻量對不同齡期混凝土劈裂 抗拉強度的影響Fig.3 Effect of basalt fiber mixing on tensile strength of concrete at different ages

從圖3可以看出，較素混凝土相比，摻入玄武巖纖維的混凝土劈裂抗拉強度都有了一定幅度的提高，且在不同齡期每種纖維摻量對應的抗拉強度增長幅度有所不同，在齡期為7 d時纖維摻量為0.2%的劈裂抗拉強度最大；在齡期3、28 d時纖維摻量為0.3%的劈裂抗拉強度最大，此時相對于素混凝土的劈裂抗拉強度分別增長了33.5%、21.7%。可以發現，劈裂抗拉強度并非隨著纖維摻量增加而持續增長，玄武巖纖維用量存在一個最佳值，超過了最佳用量值，這種改善作用效果會降低；說明玄武巖纖維對于混凝土的劈裂抗拉強度具有改善作用，其用量不宜超過0.3%。其原因可能是由于適量的纖維被水泥漿體包裹，填充了水泥水化作用后留下的孔隙，增加了混凝土的結構致密性，在混凝土受到拉應力荷載時由于纖維自身具有較大的抗拉強度，也會承擔一部分受力，起到了良好的阻裂效果。此外有研究表明[16-18]，玄武巖纖維微觀結構顯示纖維在混凝土內部成交錯分布，它會與水泥水化產物形成相互交織的空間網絡結構。由此可以看出，這種結構形式不但提高了粘接料與骨料之間的附著力，而且在受到拉應力時也會起到良好的抗裂效果，這也是混凝土抗拉強度提高的原因。

2.4 早期開裂性能

采用BEC-9型不銹鋼混凝土刀口約束早期開裂試驗裝置對800 mm×600 mm×100 mm平面薄板混凝土試件進行試驗，試驗裝置內裝有裂縫誘導發生器，試驗養護周期為1、3 d，以平均開裂面積、單位面積的裂縫數和總開裂面積為評價指標，具體結果如圖4、圖5所示。

圖4 玄武巖纖維對混凝土早期平均開裂面積的影響Fig.4 Effect of basalt fiber on the early average-cracking area of concrete

圖5 玄武巖纖維對混凝土單位面積的裂縫數影響Fig.5 Effect of basalt fiber on the number of cracks per unit area of concrete

從圖4～圖6可以看出，無論養護齡期為1 d還是3 d，素混凝土對應的平均開裂面積、單位面積的裂縫數和總開裂面積等指標值最大，在玄武巖纖維用量為0.1%～0.2%時，混凝土對應的各指標值均有明顯的減小，且纖維用量為0.3%～0.4%時各指標值均趨于0，即混凝土早期不再出現裂縫；說明玄武巖纖維對于抑制混凝土早期開裂具有顯著的改善作用。這是由于纖維的加入改善了混凝土內部結構，增加了密實度，提高了骨料與結合料的界面特征，一定程度也抵消了混凝土內部應力和限制了裂紋的增長。此外，也有研究表明[19-20]，玄武巖纖維加入后可以減緩水分的蒸發速度，加強了混凝土內部的水化反應和結構穩定性特征，可能這也是導致混凝土早期抗裂性能較好的原因。

圖6 玄武巖纖維對混凝土單位面積的 總開裂面積影響Fig.6 Effect of basalt fiber on the total cracking area per unit area of concrete

3 結語

(1)低劑量0.1%玄武巖纖維可以提高混凝土抗壓強度；用量大于0.2%后抗壓強度就出現了不同程度的降低。整體上玄武巖纖維對于混凝土的抗壓強度作用不佳，但可改善混凝土的脆性特征，抑制裂紋發展；

(2)適量的玄武巖纖維可增強混凝土的抗折強度，當纖維用量低于0.3%時混凝土抗折強度隨纖維用量增加而不斷提高；當纖維用量在0.4%時，混凝土抗折強度的增幅開始變小，纖維用量不宜大于0.3%；

(3)不同齡期每種纖維摻量對應的抗拉強度增長幅度有所不同，在齡期為7 d時纖維摻量為0.2%的劈裂抗拉強度最大；在齡期3 d和28 d時，纖維摻量為0.3%的劈裂抗拉強度相對于素混凝土分別增長了33.5%、21.7%，且在纖維用量0.4%時這種改善效果會降低，說明其用量不宜超過0.3%；

(4)在養護齡期為1、3 d時，相對于素混凝土，摻入玄武巖纖維的混凝土對應的平均開裂面積、單位面積的裂縫數和總開裂面積等指標值明顯減小，且纖維用量為0.3%～0.4%時混凝土無裂縫產生。