掺玄武岩纤维自密实混凝土强度及抗冻性能试验研究

2018-07-31张谊平许家文

新型建筑材料 2018年6期

张谊平，许家文

（1.河南质量工程职业学院，河南平顶山 467000；2.山西省建筑科学研究院，山西太原 030001）

0 引言

自密实混凝土是指拌合物具有较好的流动性、间隙通过性、抗离析性能的混凝土，自密实混凝土在施工过程中不需要振捣即可密实成型，同时混凝土硬化后与传统振捣混凝土的力学性能、耐久性能相差无几[1-2]。自密实混凝土的应用克服诸多传统混凝土施工中存在的问题，如混凝土振捣不密实、钢筋密集部位混凝土浇筑困难等，同时可以降低施工现场的噪声，节约能源，提高施工效率[3-5]。然而，自密实混凝土也存在一些缺陷，如化学收缩、干燥收缩致使混凝土出现开裂、韧性较差等[6-7]。针对这些问题，通常的做法是在混凝土掺入适量的纤维，如钢纤维、聚丙烯纤维、碳纤维等，均可有效提高混凝土的抗裂性能及韧性。

玄武岩纤维是一种无机纤维材料，具有较高的抗裂强度，较好的耐腐蚀、耐高温等性能，同时性价比较高，成为现行较多纤维的替代产品[8-9]。但是，掺入纤维后混凝土的粘聚性会显著增加，混凝土工作性能急剧下降，如何把自密实和纤维有效结合，这成为纤维自密实混凝土研究的难点问题。基于上述问题，本文研究了玄武岩纤维对自密实混凝土工作性能、强度及抗冻性能的影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥：河南大地P·C32.5水泥，体积安定性合格，28 d抗压强度37.6 MPa；河砂：中砂，细度模数2.8；碎石：粒径5～20 mm，密度2624 kg/m3；硅灰：SiO2含量超过90%，郑州某公司提供；粉煤灰：Ⅱ级，烧失量6.2%；聚羧酸减水剂：山西运城某公司提供，减水率30%；玄武岩纤维：直径15 μm，抗拉强度4200 MPa，河北灵寿某公司生产；自来水。

1.2 试验配合比

本试验设计基准混凝土强度等级分为C30、C40、C50三种，研究玄武岩纤维掺量分别为0、1、2、4 kg/m3时对不同强度等级自密实混凝土工作性能、强度及耐久性能的影响，试验具体配合比如表1所示，表1中，BFC30-2代表混凝土强度等级为C30、玄武岩掺量为2 kg/m3，其余编号含义以此类推。

表1 试验配合比 kg/m3

1.3 性能测试方法

混凝土的工作性能包含坍落度、扩展度、J环扩展度、坍落扩展时间，参照JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》进行测试。

立方体抗压强度、劈裂抗拉强度参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试，试块尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，龄期为 28 d。

抗冻性能试验参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，针对抗冻性能相对较好的C40、C50自密实混凝土进行，试块尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，将混凝土试件在标准养护室养护24 d后取出，随后在室温下水中继续浸泡4 d，其后开始冻融循环试验，冻融循环1次耗时4 h，试件中心最低温度（-18±2）℃，试件中心最高温度（5±2）℃。试验过程中每间隔一定次数分别称量混凝土质量及测试试件的横向基频，计算得出混凝土的质量损失率及相对动弹性模量。

2 试验结果与分析

2.1 玄武岩纤维对自密实混凝土工作性能的影响

各配合比混凝土坍落度、坍落扩展度、J环坍落扩展度和扩展时间测试结果见表2。其中PA为坍落扩展度与J环扩展度差值，该指标用于评价混凝土的间隙通过性，当0≤PA≤25时，适用钢筋间距为60～80 mm；当25＜PA≤50时，适用钢筋间距为80～100 mm。

表2 混凝土工作性能试验结果

由表2可知，各组配合比PA值均不超过25 mm，表明混凝土间隙通过性总体良好。随着玄武岩纤维掺量的增加，混凝土的坍落度、坍落扩展度及J环坍落扩展度均持续下降，坍落扩展时间延长，这表明混凝土的流动性下降，填充性能变差，通过钢筋间隙的能力逐渐减弱。玄武岩纤维的掺入吸附了混凝土内部分水分，使得混凝土浆体变得更加粘稠，导致混凝土工作性能降低。

2.2 玄武岩纤维对自密实混凝土抗压强度的影响

试验过程中，对不同玄武岩纤维掺量的试件的破坏形态进行观察发现，当未掺加纤维时，试件破坏时试块中部及两侧各存在1条裂缝，试件的棱角多处碎裂，试件破坏表现出典型的脆性破坏特征，且强度等级越高的试件，这一特征越明显。随着玄武岩纤维的掺入，试件破坏时裂缝宽度有所减小，破坏时试件完整度更好，试件较少破碎，脆性得到改善。玄武岩纤维掺入后散乱分布于混凝土内，形成散乱分布的空间布局，在混凝土受荷破坏时，玄武岩纤维能够承受一定的拉力，提高混凝土的延性，降低混凝土脆性破坏的特征。玄武岩纤维自密实混凝土抗压强度测试结果如图1所示。

图1 玄武岩纤维自密实混凝土的抗压强度

由图1可见，随着玄武岩纤维掺量的增加，混凝土的抗压强度先提高后降低。玄武岩纤维掺量为2 kg/m3时，抗压强度最高，此时BFC30-2的抗压强度分别为BFC30-0、BFC30-1的1.09、1.05倍，BFC40-2的抗压强度分别为 BFC40-0、BFC40-1的 1.11、1.05倍，BFC50-2的抗压强度分别为 BFC50-0、BFC50-1的1.06、1.03倍。这主要是由于纤维在混凝土内部形成类似箍筋的效果，纤维束形成的网状空间结构在混凝中构成横向约束，进而提高了混凝土的承压应力[10]。

玄武岩纤维掺量为4 kg/m3时，混凝土的抗压强度迅速降低，此时BFC30-4、BFC40-4、BFC50-4的抗压强度分别较BFC30-2、BFC40-2、BFC50-2降低了9.7%、14.3%、11.9%。这主要是由于玄武岩纤维掺量较大时，在混凝土中留存初始缺陷，混凝土中产生了部分微裂缝，导致混凝土强度迅速降低，甚至低于未掺加纤维时的抗压强度。

2.3 玄武岩纤维对自密实混凝土劈裂抗拉强度的影响（见图2）

图2 玄武岩纤维自密实混凝土的劈裂抗拉强度

由图2可知，随着玄武岩纤维掺量的增加，混凝土的劈裂抗拉强度先逐渐提高随后迅速降低。当玄武岩纤维掺量为2 kg/m3时，混凝土的劈裂抗拉强度最高，此时BFC30-2的劈裂抗拉强度分别为BFC30-0、BFC30-1的1.18、1.04倍，BFC40-2劈裂抗拉强度分别为BFC40-0、BFC40-1的 1.23、1.06倍，BFC50-2劈裂抗拉强度分别为BFC50-0、BFC50-1的1.17、1.04倍。这主要是由于玄武岩纤维掺入后，在混凝土中相互搭接，有效提高了混凝土的抗裂性能，抑制混凝土内部裂缝的开展，同时纤维的存在也可以承担部分拉应力，提高混凝土的劈裂抗拉强度。

玄武岩纤维掺量为4 kg/m3时，混凝土的劈裂抗拉强度迅速降低，BFC30-4、BFC40-4、BFC50-4的劈裂抗拉强度分别较BFC30-2、BFC40-2、BFC50-2降低了15.0%、13.8%、20.8%。这是由于纤维比表面积较大，表面光滑，纤维与水泥浆体间存在弱界面效应，导致混凝土劈裂抗拉强度下降。

2.4 玄武岩纤维对自密实混凝土抗冻性能的影响

2.4.1 对质量损失率的影响（见表3）

表3 混凝土的质量损失率

由表3可知，随着冻融循环次数增加，各配合比混凝土的质量损失率均逐渐增大。当冻融循环次数为50次时，对于相同强度等级的混凝土，玄武岩纤维掺量为4 kg/m3时，混凝土的质量损失率最低。这主要是由于大量掺入玄武岩纤维的同时，也会在混凝土中留存更多的缺陷及微裂缝，在混凝土冻融循环过程中，微裂缝吸水饱和，在一定程度弥补了混凝土试件表面剥落出现的质量损失。

当冻融循环次数达到100次以后，C40强度等级混凝土质量损失率顺序为 BFC40-2＜BFC40-1＜BFC40-0＜BFC40-4，C50强度等级混凝土质量损失率顺序为BFC50-2＜BFC50-1＜BFC50-0＜BFC50-4，可见，当玄武岩纤维掺量为2 kg/m3时，混凝土的质量损失最低，这表明适量玄武岩纤维的掺入一定程度改善了混凝土孔隙结构，提高了混凝土的抗冻性能。当玄武岩纤维掺量为4 kg/m3时，混凝土的质量损失最大，抗冻性能下降。

2.4.2 对相对动弹性模量的影响（见图3、图4）

图3 C40自密实混凝土的相对动弹性模量

图4 C50自密实混凝土的相对动弹性模量

从图3、图4可知，不同配合比的自密实混凝土相对动弹性模量均随着冻融循环次数的增大而降低。冻融循环进行250 次后，BFC40-0、BFC40-1、BFC40-2、BFC40-4 的相对动弹性模量分别为 78.5%、79.1%、80.1%、77.4%，BFC50-0、BFC50-1、BFC50-2、BFC50-4的相对动弹性模量分别为79.3%、80.1%、80.9%、78.1%。

当玄武岩纤维掺量为2 kg/m3时，混凝土相对动弹性模量降幅最小，抗冻性能最好，对于恶劣环境适应性更强。这主要是由于掺入玄武岩纤维后，改善了自密实混凝土内部的孔隙结构，混凝土内的微裂缝得到填充，密实程度得到提高，抗冻性能得到加强。当玄武岩纤维掺量为4 kg/m3时，混凝土相对动弹性模量降幅最大，抗冻性能最差。