玄武巖纖維輕質(zhì)陶粒水泥混凝土性能研究

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維；陶粒；輕質(zhì)混凝土；力學(xué)性能；耐久性能

中圖分類號(hào)：TU528.572 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2025）13-0077-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.13.015

ResearchontheProperitesofBasaltFiberLightweightCeramic AggregateConcrete

LI Wenkai1，3 LIU Xiangjie2 LI Juntao1，3 SHAO Jinggan1.3 YANG Miao1，3

（1.Henan Jiaoyuan Engineering Technology Group Co.，Ltd.，Zhengzhou 450046， China; 2.Henan College of

Transportation Highway Institute，Zhengzhou 45O046， China;3.Ramp; DCenter of Green High Performance Material Application Technology Transportation Industry，Zhengzhou 45OO46， China）

Abstract：[Purposes] Lightweight ceramic aggregates are adopted as coarse aggregates to reduce the selfweight of conventional cement concrete structures.Basalt fibers are incorporated into ceramic aggregate concrete to improve its mechanical and durability properties，thereby extending theservice life of concrete structures.[Methods] Based on basalt fiber volume factions of 0% ， 1% ， 2% ， 3% ，and 4 4% ，mix design， mechanical and durability performance research were carried out on ceramic aggregate cement concrete. [Findings] From the perspective of mechanics and durability，when the volume fraction of basalt fibers reaches 3% ，the concrete structure demonstrates optimal overall performance in compressive strength， flexural strength，and sulfate attack resistance.[Conclusions] A appropriate volume fraction of basalt fibers can improve both the mechanical and durability properties of ceramic aggregate concrete.

Keywords： basalt fiber; ceramic aggregate concrete; lightweight concrete; mechanical property; durabilityperformance

0 引言

陶粒是在高溫窯池中經(jīng)發(fā)泡工藝生產(chǎn)出來(lái)的一種輕骨料，具有表面光滑、結(jié)構(gòu)內(nèi)部多孔、質(zhì)地堅(jiān)硬、強(qiáng)度高及密度小等特點(diǎn)。將陶粒作為骨料應(yīng)用到水泥混凝土當(dāng)中，能夠很大程度上降低結(jié)構(gòu)自身的重量，從而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的承載能力，延長(zhǎng)工程結(jié)構(gòu)的使用年限。但陶粒表面光滑，骨料之間的嵌擠效果較差，需摻入增強(qiáng)性材料來(lái)改善輕質(zhì)混凝土的力學(xué)及耐久性能。相關(guān)學(xué)者針對(duì)輕質(zhì)混凝土的性能開展了大量研究。耿春雷等從陶粒泡沫混凝土成型方式角度開展研究，分析陶粒及水的摻入時(shí)機(jī)對(duì)混凝土和易性及抗壓強(qiáng)度的影響，研究表明，拌和用水分次摻入能夠有效改善混凝土和易性及抗壓強(qiáng)度。高峰等將不同摻量的聚丙烯纖維摻人陶粒混凝土，開展相關(guān)力學(xué)性能變化規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，隨著纖維摻量的增加，混凝土抗壓及劈裂強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。陳振等3選用硅酸鹽-硫鋁酸鹽水泥復(fù)合膠凝體系、發(fā)泡劑、增稠劑及聚丙烯纖維對(duì)陶粒式混凝土進(jìn)行復(fù)合改性，研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合改性后的陶粒混凝土的相關(guān)性能指標(biāo)得到顯著改善。

本研究選用玄武巖纖維來(lái)改善陶粒水泥混凝土的相關(guān)性能，玄武巖屬于礦物纖維，與混凝土具有良好的相容性，能夠解決鋼纖維在混凝土結(jié)構(gòu)中受潮后銹脹的難題。通過(guò)對(duì)不同玄武巖纖維摻量下陶粒水泥混凝土力學(xué)及耐久性能進(jìn)行研究，優(yōu)選出玄武巖纖維的最佳體積摻量，為玄武巖纖維在陶粒水泥混凝土中的應(yīng)用提供參考。

1原材料及配合比設(shè)計(jì)

表2粉煤灰主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

1.2 粗骨料

本研究選用陶粒作為粗骨料，陶粒外觀如圖1所示，其主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表4。

圖1陶粒外觀表4陶粒主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

1.1 膠凝材料

本研究分別選用P·042.5普通硅酸鹽水泥、Ⅱ級(jí)粉煤灰及Ⅱ級(jí)硅灰等膠凝材料開展陶粒水泥混凝土性能研究，3種膠凝材料主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果分別見表1、表2和表3。

表1水泥主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

1.3玄武巖纖維

傳統(tǒng)施工工藝多選用鋼纖維來(lái)改善混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，但鋼纖維在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)因受潮而發(fā)生銹脹現(xiàn)象，當(dāng)銹脹應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)內(nèi)部允許拉應(yīng)力時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)就會(huì)開裂，嚴(yán)重影響工程的使用安全及運(yùn)營(yíng)壽命。玄武巖纖維屬于礦物纖維，由天然玄武巖碎石通過(guò)高溫熔融拉絲后制成，生產(chǎn)過(guò)程中未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，是玄武巖碎石物理狀態(tài)存在的另外一種形式，具有良好的物理力學(xué)性能，與水泥漿體具有良好的相容性，能夠均勻分散在骨料之間起到加筋、增韌的效果。本研究選用的玄武巖纖維規(guī)格型號(hào)為 3F9mm-17μm ，其外觀如圖2所示，主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表5。

圖2玄武巖纖維外觀

表5玄武巖纖維主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

1.4配合比設(shè)計(jì)

本研究選用的膠凝材料為水泥、粉煤灰、硅灰等3種，細(xì)骨料為河砂，細(xì)度模數(shù)為2.8，粗骨料為陶粒，減水劑為聚羧酸高效減水劑。玄武巖纖維陶粒式水泥混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為L(zhǎng)C50，玄武巖纖維摻量以體積率V計(jì)算，分別為 0%1%2%3%4% ，不同玄武巖纖維摻量的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果見表6。

2 力學(xué)性能

玄武巖纖維陶粒式水泥混凝土具有輕質(zhì)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，不僅能夠緩解傳統(tǒng)碎石緊缺的難題，同時(shí)能夠降低工程實(shí)體的自重，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的承載能力。在混凝土諸多強(qiáng)度指標(biāo)中，抗壓強(qiáng)度是最基本的力學(xué)性能指標(biāo)，其不僅是確定混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等級(jí)的依據(jù)，還是確定其他力學(xué)特性的基礎(chǔ)；抗拉強(qiáng)度是評(píng)價(jià)混凝土在外界荷載作用下抵抗開裂變形的重要指標(biāo)4。本研究選用抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)評(píng)價(jià)玄武巖纖維陶粒水泥混凝土的承載能力，試件標(biāo)準(zhǔn)尺寸為 150mm×150mm×150mm ；選用抗折強(qiáng)度試驗(yàn)評(píng)價(jià)玄武巖纖維陶粒水泥混凝土抗開裂能力，試件標(biāo)準(zhǔn)尺寸為 100mm×100mm×400mm 。混凝土試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生齡期為 ^7d，28d 時(shí)，抗壓及抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可知，養(yǎng)生齡期相同時(shí)，隨著玄武巖纖維摻量的增加，混凝土試件抗壓及抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)玄武巖纖維體積率為3% 時(shí)，抗壓及抗折強(qiáng)度均達(dá)到峰值；當(dāng)玄武巖纖維摻量相同時(shí)，隨著混凝土試驗(yàn)養(yǎng)生齡期的延長(zhǎng)，抗壓及抗折強(qiáng)度均大幅度升高。究其原因，混凝土抗壓及抗折強(qiáng)度取決于水泥標(biāo)號(hào)、骨料強(qiáng)度、骨料之間的嵌擠黏結(jié)強(qiáng)度及玄武巖纖維在結(jié)構(gòu)中的搭接狀態(tài)；玄武巖纖維在與骨料拌和過(guò)程中能夠分散成微米級(jí)的單絲狀，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部呈現(xiàn)三維亂相分布，吸附水泥漿之后在骨料之間起到橋接、阻裂的效果，有利于加強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，增強(qiáng)其在外力荷載作用下的承載能力及抗開裂能力；當(dāng)體積率超過(guò) 3% 時(shí)，玄武巖纖維在混凝土中就會(huì)存在冗余，吸附過(guò)多的水泥漿體，導(dǎo)致骨料表面的水泥漿體不足，從而降低結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

3耐久性能

沿海地區(qū)硫酸鹽侵蝕作用是造成混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能差的主要形式，在硫酸鹽侵蝕作用下混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)因長(zhǎng)期處在鹽脹環(huán)境下而發(fā)生開裂，嚴(yán)重影響工程結(jié)構(gòu)的承載能力及使用壽命[5-6]。本研究將尺寸為 150mm×150mm×150mm 的28d齡期試件分別在 5% 濃度的硫酸鹽溶液中浸泡60d與在清水中浸泡60d后，對(duì)不同玄武巖纖維體積率的混凝土試件開展抗壓強(qiáng)度及質(zhì)量損失試驗(yàn)，其中試件浸泡 4h ，然后拿出放置在 25^°C 環(huán)境下靜置4h為一個(gè)干濕循環(huán)周期，抗壓強(qiáng)度及質(zhì)量損失試驗(yàn)結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可知，相同玄武巖纖維摻量時(shí)，硫酸鹽侵蝕作用后混凝土試件抗壓強(qiáng)度顯著降低，質(zhì)量損失顯著升高；硫酸鹽侵蝕作用后，隨著玄武巖纖維摻量的增加，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，但強(qiáng)度均大于 50MPa ，質(zhì)量損失逐漸降低，表明玄武巖纖維的摻入能夠顯著改善陶粒水泥混凝土結(jié)構(gòu)的抗硫酸鹽侵蝕作用，其中玄武巖纖維體積率為 3% ，改善效果整體最優(yōu)。究其原因，玄武巖纖維的摻入能夠吸附穩(wěn)定水泥漿體，且在骨料之間起到加筋、阻裂的作用，使混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)穩(wěn)固，抗硫酸鹽侵蝕能力得到增強(qiáng)。

表6配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

單位： ：kg/m³

圖3抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖4抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖5抗壓試驗(yàn)結(jié)果

4結(jié)論

本研究在玄武巖纖維體積率分別為 0%.1% /2%3%4% 的基礎(chǔ)上對(duì)陶粒水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)及性能進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論。

① 試件齡期相同時(shí)，隨著玄武巖纖維體積率的增加，混凝土試件抗壓及抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)玄武巖纖維體積率為 3% 時(shí)，抗壓及抗折強(qiáng)度均達(dá)到峰值。

圖6質(zhì)量損失試驗(yàn)結(jié)果

② 硫酸鹽侵蝕作用后，隨著玄武巖纖維體積率的增加，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)。玄武巖纖維體積率為 3% 時(shí)，混凝土整體耐久性能最優(yōu)。

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