玄武巖纖維對混凝土早齡期力學性能的影響

段小芳，袁嬌嬌

（1. 南通開放大學 建筑工程學院， 江蘇 南通 226006； 2. 河海大學 土木與交通學院， 南京 210098）

0 引 言

混凝土在土木工程中的應用非常廣泛，其強度對結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性至關(guān)重要。玄武巖纖維抗拉強度大，彈性模量高，因此有不少學者研究通過摻入玄武巖纖維提高混凝土強度，以改善混凝土脆性。高真等[1]研究表明，玄武巖纖維可以改善混凝土抗壓強度，長度為6 mm 的纖維優(yōu)于12 mm的改善效果。張振雷[2]研究表明，玄武巖纖維可以提高混凝土抗壓強度，將其與纖維素纖維混摻時比單摻其中一種力學性能更優(yōu)，混凝土脆性得到改善。周浩等[3]研究表明，摻入體積率0.3 %及0.4 %的玄武巖纖維時，混凝土的抗壓和抗折強度提高最顯著。賀晶晶等[4]研究表明，同時摻入玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混凝土比單摻其中一種纖維時的劈裂抗拉強度、抗折強度明顯提高。吳釗賢[5]等研究表明，摻入玄武巖纖維后，混凝土早齡期抗壓強度顯著提高。李韌[6]等研究表明，玄武巖纖維可以降低混凝土早期收縮變形。在對玄武巖纖維混凝土展開的眾多研究中，關(guān)于早齡期玄武巖纖維混凝土力學發(fā)展規(guī)律的研究還少見報道。因此，本文擬通過在混凝土中摻入不同體積率的玄武巖纖維，研究其對混凝土早齡期力學性能的影響。

1 試驗方案

1.1 試驗原材料

試驗采用P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，混凝土目標設(shè)計強度C40，石子粒徑為5~8 mm，砂子粒徑2~4.5 mm，高效減水劑，I 級粉煤灰，普通自來水，配合比見表1。在混凝土中摻入體積率為0、0.06 %、0.12 %、0.18 %、0.24 %、0.3 %、0.36 %的玄武巖纖維，研究混凝土早齡期立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度變化規(guī)律。玄武巖纖維主要參數(shù)見表2。

表1 混凝土配合比 kg/m3

表2 玄武巖纖維主要參數(shù)

1.2 試驗方法

參考《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2019）規(guī)定，確定立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度的試件尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm，抗折強度試驗的試件尺寸為150 mm×150 mm×550 mm?；炷翝仓瓿珊蠓湃霚囟葹椋?0±2）°C、相對濕度為90 %的標準養(yǎng)護室養(yǎng)護，測試齡期為 1 d、3 d、5 d、7 d、14 d、28 d。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 立方體抗壓強度

2.1.1 玄武巖纖維對立方體抗壓強度的影響

混凝土立方體抗壓強度隨玄武巖纖維摻量的變化曲線見圖1。由圖1 可知，1~7 d 齡期立方體抗壓強度隨著玄武巖纖維摻量的增大而增大，14~28 d 齡期隨著玄武巖纖維摻量的增大而減小。玄武巖纖維摻量為 0 時，1 d、3 d、5 d、7 d 的立方體抗壓強度分別為 5.81 MPa、20.92 MPa、27.45 MPa、29.83 MPa；纖維摻量 0.24 %時，對應齡期的強度達到最大，分別提高了41.31%、16.25%、5.72 %、6.10 %?？梢娦鋷r纖維對1~3 d 齡期的抗壓強度提高較大，對3~7 d 齡期的抗壓強度提高較小。14 ~28 d 齡期玄武巖纖維對混凝土抗壓強度有抑制作用，摻量越大，抑制越顯著。玄武巖纖維摻量0.36 %時，14 d、28 d 的立方體抗壓強度分別為32.88 MPa、38.44 MPa，與基準試件相比降低了8.62 %和10.58 %。原因分析：0~7 d 漿體強度較低，齡期越小，漿體強度越小，玄武巖纖維強度高，可以通過橋接作用承受外力，早齡期抗壓強度提高；當玄武巖摻量過多，在漿體內(nèi)部難以均勻分布，會出現(xiàn)成團現(xiàn)象，導致抗壓強度降低；14~28 d 齡期混凝土抗壓強度逐漸增大，玄武巖纖維形成的三維骨架不利于漿體流動，密實度降低，抗壓強度降低。

圖1 混凝土立方體抗壓強度隨玄武巖纖維摻量變化曲線

2.1.2 齡期對立方體抗壓強度的影響

玄武巖纖維混凝土立方體抗壓強度隨齡期發(fā)展變化曲線見圖2。由圖2 可見，前7 d 齡期立方體抗壓強度發(fā)展較快，7~28 d 發(fā)展平緩。7 d 齡期玄武巖纖維體積摻量0、0.06 %、0.12 %、0.18 %、0.24 %、0.3 %、0.36 %對應的抗壓強度分別為29.83、30.12、30.64、30.12、31.65、29.12、29.49 MPa，是 28 d 抗壓強度的 69.39 %、70.77 %、74.33 %、73.86%、80.68%、75.73 %、76.72 %，可見玄武巖纖維可以加快混凝土早齡期抗壓強度發(fā)展。

圖2 混凝土立方體抗壓強度隨齡期變化曲線

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合得到玄武巖混凝土早齡期立方體抗壓強度計算模型：

式中，fc（t）為t 天的立方體抗壓強度，t 為齡期，fc（28）為28 天的立方體抗壓強度。參數(shù)A 和擬合相關(guān)系數(shù)R2 的取值見表3。

表3 參數(shù)A 和擬合相關(guān)系數(shù)R2 取值

2.2 劈裂抗拉強度

2.2.1 玄武巖纖維對劈裂抗拉強度的影響

混凝土劈裂抗拉強度隨玄武巖纖維摻量的變化曲線見圖3。由圖3 可見，劈裂抗拉強度隨著玄武巖纖維摻量的增加先增大后減小。齡期1 d、3 d、5 d 時，纖維摻量0.3 %對應的抗拉強度最大，與基準試件相比分別提高了45.59%、34.85%、26.81 %。齡期7 d 和28 d 時，纖維摻量0.24 %對應的抗拉強度最大，比基準試件提高了26.85 %、52.96 %。從圖中曲線還可發(fā)現(xiàn)，1~14 d 內(nèi)隨著玄武巖纖維摻量的增加，抗拉強度增幅比較平緩，28 d 齡期抗拉強度增幅顯著。原因在于，玄武巖纖維在混凝土中形成三維骨架，避免骨料下沉，混凝土內(nèi)部分布均勻合理，強度提高。同時，玄武巖纖維彈性模量好，抗拉強度大，當混凝土達到抗拉強度時，纖維通過橋接作用承受拉力，混凝土劈裂抗拉強度提高。

圖3 混凝土劈裂抗拉強度隨玄武巖纖維摻量變化曲線

2.2.2 齡期對劈裂抗拉強度的影響

玄武巖纖維混凝劈裂抗拉強度隨齡期變化曲線見圖4。由圖4 可見，前14 d 齡期劈裂抗拉強度發(fā)展較快，14~28 d 發(fā)展平緩。28 d 齡期時，玄武巖纖維體積摻量為0、0.06 %、0.12 %、0.18 %、0.24 %、0.3 %、0.36 %所對應的劈裂抗拉強度分別為 3.55、3.79、4.12、4.88、5.43、5.24、4.78 MPa，14 d 齡期時對應的劈裂抗拉強度分別是28 d 的83.69 %、83.53 %、83.31 %、83.91 %、84.71 %、86.19 %、85.54 %。

圖4 混凝土劈裂抗拉強度隨齡期發(fā)展變化曲線

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合得到玄武巖混凝土早齡期劈裂抗拉強度計算模型：

式中：ft（t）為t 天的劈裂抗拉強度，t 為齡期，ft（28）為28 天的劈裂抗拉強度。A、B、C 和擬合相關(guān)系數(shù) R2見表 4。

表4 ft（t）的A、B、C 和R2 取值

2.3 抗折強度

2.3.1 玄武巖纖維對抗折強度的影響

混凝土抗折強度隨玄武巖纖維摻量變化曲線見圖5。由圖5 可見，抗折強度隨玄武巖纖維摻量的增加先增后減。齡期1 d 時，纖維摻量0.3%對應的抗折強度最大，較纖維摻量為0 的基準試件相比提高了 28.95 %。齡期 3 d、5 d、7 d、14 d、28 d時，纖維摻量0.24 %對應的抗拉強度最大，比基準試件提高了11.56%、10.62%、11.73%、13.16%、14.00 %。從圖5 曲線可見，玄武巖纖維對混凝土抗折強度有一定增強作用，但增幅不大。

圖5 混凝土抗折強度隨玄武巖纖維摻量變化曲線

2.3.2 齡期對抗折強度的影響

玄武巖纖維抗折強度隨齡期發(fā)展變化曲線如圖6。由圖6 可見，前7 d 齡期抗折強度發(fā)展較快，7~14 d 發(fā)展變慢，14~28 d 強度發(fā)展逐漸趨于穩(wěn)定。7 d 齡期時，玄武巖纖維體積摻量為0、0.06 %、0.12 %、0.18 %、0.24 %、0.3 %、0.36 %對應的劈裂抗拉強度分別為 3.24、3.41、3.46、3.56、3.62、3.48、3.32 MPa，是 28 d 的 72.00 %、73.81 %、71.78%、71.63 %、70.57%、71.90%、71.09%。14 d齡期時對應的抗折強度是28 d 的84.44 %、86.15 %、85.27 %、85.31 %、83.82 %、85.12 %、84.80 %。

圖6 混凝土抗折強度隨齡期發(fā)展變化曲線

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合得到玄武巖混凝土早齡期抗折強度計算模型：

式中，ff（t）為t 天的抗折強度，t 為齡期，ff（28）為28 d 的抗折強度。A、B、C 和擬合相關(guān)系數(shù) R2取值見表5。

表5 ff（t）的A、B、C 和R2 取值

3 小 結(jié)

（1）玄武巖纖維混凝土在齡期為0~7 d 時力學強度變化最快，7~14 d 時變化放緩，14~28 d 時力學強度逐漸趨于穩(wěn)定。

（2）隨著玄武巖纖維摻量的增大，1~7 d 齡期混凝土立方體抗壓強度增大，14~28 d 齡期立方體抗壓強度略降低。

（3）混凝土劈裂抗拉強度和抗折強度隨著玄武巖纖維摻量的增大先提高后降低，摻量為0.24%和0.3 %時劈裂抗拉強度提高最顯著。玄武巖纖維對劈裂抗拉強度的提高比對抗折強度提高幅度明顯。

（4）根據(jù)試驗結(jié)果提出玄武巖纖維混凝土早齡期力學強度計算模型，供工程實踐參考。