摻玄武巖纖維混凝土的耐久性試驗研究

(湖南省第二工程有限公司， 湖南 長沙 410000)

0 引言

纖維混凝土作為一種新型建筑材料，可有效地提高混凝土力學性能，保證結(jié)構(gòu)整體使用性能，在居民建筑、道路等工程中得到越來越多的應用[1-4]；但由于纖維材料技術(shù)性質(zhì)不同，在改善混凝土性能的同時也會對混凝土產(chǎn)生不利影響，比如鋼纖維耐腐蝕性差[5-6]，致使鋼纖維混凝土在鹽堿含量較高地區(qū)使用具有一定的限制性。而玄武巖纖維由硅酸鹽礦物成分組成，與混凝土結(jié)合性良好且能適應特殊環(huán)境，對提高混凝土抗壓強度、抗拉強度具有顯著作用[7-10]。隨著我國對基礎(chǔ)設施建設力度逐漸加大，對結(jié)構(gòu)使用質(zhì)量及壽命要求日益提高[11]，因此，對玄武巖纖維混凝土耐久性展開詳細研究是十分必要的。本文通過研究玄武巖纖維長度及摻量對混凝土耐久性的影響規(guī)律，為工程應用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 原材料與研究方案

1.1 試驗材料

細骨料選用江西贛江中砂，細度模數(shù)為2.78，滿足《建設用砂》(GB/T 14684—2011)技術(shù)要求；粗骨料選用安徽和縣生產(chǎn)的連續(xù)級配碎石，公稱粒徑為5～25 mm，壓碎值≤10%、吸水率≤2%，滿足《建設用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)技術(shù)要求。水泥選用海螺牌P.O42.5R普通硅酸鹽水泥，技術(shù)指標見表1。粉煤灰選用Ⅱ級灰，細度≤25%。減水劑選用江蘇蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的PCA-10混凝土高效減水劑，技術(shù)指標見表2。纖維選用短切玄武巖纖維，直徑為15 μm。

表1 水泥技術(shù)指標類別凝結(jié)時間/min初凝終凝比表面積/(m2·kg-1)安定性/mm28 d抗壓強度/MPa28 d抗折強度/MPa實測值651503361.648.37.4技術(shù)要求≥45≤390≥300≤5≥17.0≥3.5

表2 減水劑技術(shù)指標固體含量/%總堿含量/%Cl-含量/%SO2-4含量/%pH37.5～41.1<2<0.1<0.45～7

1.2 方案設計

為研究玄武巖纖維長度及摻量對纖維混凝土耐久性影響規(guī)律，擬采用抗?jié)B試驗、凍融試驗和早齡期抗裂試驗評價玄武巖纖維混凝土耐久性。設計2組試驗：第1組纖維長度不變，為18 mm，纖維摻量分別為0.05%、0.1%、0.12%、0.15%；第2組纖維摻量不變，為0.1%，纖維長度分別為12、18、24 mm。

1.3 配合比設計

玄武巖纖維混凝土配合比設計采用外摻法，根據(jù)C50混凝土配合比設計條件：坍落度為180 mm、水膠比為0.33、砂率為0.39，確定的混凝土配合比見表3。

表3 玄武巖纖維混凝土基準配合比kg水泥粉煤灰砂碎石水382486841 070158

1.4 試驗方法

1.4.1抗?jié)B試驗

采用《普通混凝土長期性能和耐久性實驗方法標準》(GB/T 50082—2009)中滲水高度法，試件采用尺寸為頂面直徑175 mm、底面直徑185 mm、高150 mm的圓臺形試件。試件置于溫度(20±2)℃、濕度95%以上的養(yǎng)生室中養(yǎng)生28 d。試驗儀器采用無錫建儀儀器機械有限公司生產(chǎn)的HS-4型混凝土抗?jié)B儀。

1.4.2凍融試驗

采用GB/T 50082—2009中快凍法，試件采用100 mm×100 mm×400 mm的小梁試件。儀器選用凍融箱。試驗前，試件在溫度(20±2)℃、濕度95%以上的養(yǎng)生室養(yǎng)生24 d后取出，于(20±2)℃水中浸泡4 d；試驗過程中，每凍融循環(huán)25次后用濕布擦拭試件表面水分，并稱取質(zhì)量，測定其動彈性模量。當試件質(zhì)量損失超過5%時，停止試驗。

1.4.3早齡期抗裂試驗

采用《纖維混凝土試驗方法標準》中平板法，試件尺寸為600 mm×600 mm×63 mm。試件成型后，置于溫度(20±5)℃、濕度40%的環(huán)境中24 h，通過裂縫綜合測試儀觀測試件裂縫。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 抗?jié)B試驗

玄武巖纖維混凝土抗?jié)B試驗結(jié)果見圖1。

圖1 玄武巖纖維混凝土抗?jié)B試驗結(jié)果

由圖1可知，混凝土摻入玄武巖纖維后抗?jié)B性能得到改善。由圖1a可知，纖維長度為18 mm時，纖維摻量0.05%對混凝土抗?jié)B性能改善效果最明顯，纖維摻量0.15%對混凝土抗?jié)B性能改善效果最小；與素混凝土滲水高度相比，0.05%、0.1%、0.12%、0.15%纖維摻量的混凝土滲水高度分別降低了42%、36%、31%、28%。由圖1b可知，纖維摻量為0.1%時，混凝土滲水高度隨纖維長度加長有不同程度降低，纖維長度12、18、24 mm的混凝土滲水高度分別降低了3%、36%、28%。說明纖維摻量對混凝土抗?jié)B性能影響明顯，主要是由于纖維在混凝土中的分散性，增加了水泥與骨料之間的粘結(jié)性，使結(jié)構(gòu)具有良好的連續(xù)性，從而使混凝土抗?jié)B性能得到提高；而隨著纖維摻量增加，纖維在混凝土中分散不均勻，增大了混凝土的孔隙率，致使其抗?jié)B性能降低。另外，纖維長度18 mm時摻量0.15%的混凝土滲水高度為14.7 mm，與纖維長度24 mm時0.1%摻量的混凝土滲水高度相當，說明混凝土可通過外摻較長長度的纖維來降低纖維摻量。

2.2 凍融試驗

玄武巖纖維混凝土凍融試驗結(jié)果見圖2。

圖2 玄武巖纖維混凝土凍融試驗結(jié)果

由圖2可知:

1) 相同凍融試驗條件下，纖維摻量-動彈性模量和纖維長度-動彈性模量的變化規(guī)律一致。隨纖維摻量或長度增加，混凝土動彈性模量先增大后降低。由圖2a可知，纖維長度18 mm、纖維摻量0.12%時，混凝土動彈性模量為最大值，較素混凝土動彈性模量提高了68%；纖維摻量不超過0.12%時，混凝土動彈性模量與纖維摻量呈線性關(guān)系，纖維摻量每增加0.01%，其動彈性模量平均提高8.8%。由圖2b可知，纖維摻量0.1%時，纖維長度18 mm的混凝土動彈性模量為最大值，較素混凝土動彈性模量提高了60%，且纖維長度12、24 mm的混凝土動彈性模量比素混凝土動彈性模量分別提高了32%、33%。

2) 與混凝土初始動彈性模量相比，凍融作用300次后，各級纖維摻量混凝土動彈性模量分別降低了61%、50%、39%、40%、46%，各級纖維長度的混凝土動彈性模量分別降低了61%、51%、39%、52%。這是因為混凝土凍縮過程中玄武巖纖維限制了混凝土結(jié)構(gòu)孔隙的膨脹和裂縫的發(fā)展，減少了水分的滲入，同時又抵消了孔隙膨脹產(chǎn)生的拉應力，使得混凝土受力減小，從而使混凝土抗凍性能得到提高。由此可知，纖維摻量0.1%～0.12%、纖維長度18 mm的混凝土抗凍性能相對較優(yōu)。

2.3 早齡期抗裂試驗

纖維長度為18 mm 時，不同纖維摻量的混凝土早齡期抗裂試驗結(jié)果見圖3。

圖3 玄武巖纖維混凝土早齡期抗裂試驗結(jié)果

由圖3可知，隨纖維摻量增加，混凝土裂縫平均寬度、總長度及總面積均逐漸減小，說明玄武巖纖維可顯著改善混凝土早齡期抗裂性能。其中，纖維摻量超過0.1%后，對混凝土裂縫平均寬度影響逐漸減弱，裂縫總長度與纖維摻量呈線性關(guān)系變化。與素混凝土相比，各級纖維摻量的混凝土裂縫平均寬度分別降低了1.7%、59%、65%、70%，裂縫總長度分別降低了35%、44%、50%、57%。這是因為混凝土微裂縫發(fā)展過程中，纖維承擔了一部分拉應力，減小了微裂縫處的應力集中，從而限制了裂縫的寬度，降低了裂縫的長度。

3 結(jié)論

通過玄武巖纖維混凝土耐久性試驗，得到以下結(jié)論：

1) 玄武巖纖維可改善混凝土抗?jié)B性能，且纖維摻量對混凝土抗?jié)B性能的影響更明顯。纖維長度18 mm時，纖維摻量0.05%的混凝土抗?jié)B效果最佳，較素混凝土滲水高度降低了42%；纖維摻量0.1%時，纖維長度12、18、24 mm的混凝土滲水高度分別降低了3%、36%、28%。

2) 同一凍融試驗條件下，纖維摻量及長度對混凝土動彈性模量影響規(guī)律一致，動彈性模量隨纖維摻量長度先增大后減小，纖維長度18 mm、摻量0.12%的混凝土動彈性模量最大，較素混凝土動彈性模量提高了68%；與混凝土初始動彈性模量相比，凍融300次后混凝土動彈性模量降低率隨纖維摻量增加逐漸降低，纖維長度18 mm、摻量0.1%的混凝土動彈性模量降低率最小，為39%。

3) 玄武巖纖維可顯著改善混凝土早齡期抗裂性，裂縫平均寬度、總長度及總面積隨纖維摻量增加而逐漸減小。與素混凝土相比，纖維長度18 mm、纖維摻量0.1%時的混凝土裂縫平均寬度降低了59%，裂縫總長度降低了44%。