玄武岩纤维-微硅粉混凝土力学性能研究

陈宝全，吕 渊

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

玄武岩纤维具有弹性模量较高，抗拉强度较强，抗裂性及性价比较好的特点，能够有效增强混凝土力学性能和阻裂性能。因此，玄武岩纤维在实际工程中得到广泛应用，例如很多地下防水工程、工民建筑的屋面、墙体、地坪及桥梁工程，重要的路面工程、飞机跑道工程等对阻裂及抗冲击抗磨损要求较高的工程[1-5]。

文献[6]对玄武岩纤维混凝土的基本力学性能进行了研究，研究发现，玄武岩纤维对混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度及抗折强度都有一定的增强作用。

文献[7]人探讨了高性能聚丙烯纤维增强轻骨料混凝土(HPPLWC)和钢纤维轻骨料混凝土(SFLWC)的抗弯性能。首先，使用两个广泛使用的标准(ASTM C1609和JSCE SF-4)来评估它们的弯曲韧性。然后，采用JG/T 472-2015规定的一种新的韧性评定方法。此外，根据纤维增强轻骨料混凝土的弯曲韧性，提出了最佳的纤维掺量。

微硅粉是冶炼硅、硅铁合金过程中产生的一种活性矿物材料，它在水泥基复合材料中运用的较为广泛，也经常运用到混凝土结构[8-9]。在混凝土中加入微量的微硅粉或者用微硅粉代替部分水泥，再加以减水剂后能够增强混凝土的力学性能及耐久性能[10]。

根据复合材料力学理论，复合材料的强度和弹性模量等性能可由复合体内各组成部分叠加，本试验在此基础上将微硅粉和玄武岩纤维作为混凝土掺合料，两者混掺，研究其对混凝土基本力学性能及抗裂性能的作用影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥：采用淮南柒牌水泥有限公司生产的P.O42.5R普通硅酸盐水泥。

细骨料：使用淮南淮河砂场天然中砂，细度模数为2.6，含泥量为1.9%。

粗骨料：选用公称粒径为5～20mm连续级配的瓜子片碎石，含泥量为0.2%。

玄武岩纤维：采用上海欧罗科技玄武岩纤维有限公司生产的短切玄武岩纤维，其物理力学性能见表1。

表1 玄武岩纤维物理力学性能

微硅粉：为黄山市元亨净水材料厂生产的微硅粉，平均粒径0.1～0.3μm。

减水剂：采用上海迪伦斯材料有限公司生产的减水剂，含固量为20%，减水率为27%。

1.2 试验设计

1)混凝土配合比设计。根据试验前期准备，参考大量相关研究论文的设计经验，按照《普通混凝土配合比设计规范》(JGJ55-2011)设计方法，混凝土强度等级按C60等级进行设计，得到混凝土最终的配合比，具体如表2所示。

表2 混凝土配合比

2)基本力学性能试验设计。试验探将微硅粉及玄武岩纤维两种掺合料掺量作为两个因素，根据掺量的不同设置5个水平。其中玄武岩纤维掺量分别为单位体积掺入1kg、2kg、3kg、4kg、5kg，微硅粉掺量分别为占水泥总质量的3%、5%、7%、9%、11%，采用L25(55)的正交试验设计。为了更直观反映微硅粉-玄武岩纤维混凝土力学性能特点，本试验还分别对应设计了相同水平数的单掺微硅粉混凝土对照组和单掺玄武岩纤维混凝土对照组。本试验中抗压强度和抗拉强度混凝土试块为150mm×150mm×150mm标准试块，抗折强度试验混凝土试块为100mm×100mm×400mm标准试块，每种力学强度以3件试块为一组进行测试，取其平均值作为最终对应的强度。

3)抗裂性能试验设计。在单掺玄武岩纤维混凝土、单掺微硅粉混凝土及玄武岩纤维-微硅粉混凝土基本力学性能试验的基础上，得到各自最佳掺量试验组。根据《纤维混凝士试验方法标准》，采用圆环模具(内环直径为305mm，外环直径为425mm，高100mm)制作最佳掺量下玄武岩纤维混凝土、微硅粉混凝土及微硅粉-玄武岩纤维混凝土试验圆环，养护拆模后利用MG10085-1(150X)读数显微镜(最小量程为0.005mm，最大量程为1.0mm)配合游标卡尺每隔半天记录表面裂缝数量、宽度及长度。

2 试验结果与分析

2.1 基本力学性能分析

玄武岩纤维混凝土、微硅粉混凝土、玄武岩纤维-微硅粉混凝土各个水平组基本力学强度分别如表3～表5所示。

表3 玄武岩纤维混凝土基本力学强度统计表

表4 微硅粉混凝土基本力学强度统计表

表5 玄武岩纤维-微硅粉混凝土基本力学强度统计表

由表3可知，在混凝土中掺入玄武岩纤维可以提高混凝土的基本力学性能，当玄武岩纤维掺入量为3kg/m3时，混凝土抗压强度、抗拉强度、抗折强度均达到最大，分别为63.9MPa、6.49MPa、10.27MPa。但抗压强度增强幅度微小，而且随着玄武岩纤维掺量的增加混凝土的抗压强度有所下降，这是因为玄武岩纤维的抗压强度没有比较优势。当纤维掺入量超过3kg/m3时，混凝土的抗压、抗拉、抗折强度开始逐渐降低。这是因为适量的玄武岩纤维在混凝土中分布较均匀时，可以形成较佳的纤维间距，使骨料和水泥浆体更好地相互结合形成密实的整体，从而提高混凝土的抗压、抗拉、抗折强度强度，发挥出纤维的增强效果。相反，玄武岩纤维掺量过多，会使玄武岩纤维的表面积增大，胶凝材料无法完全包裹住玄武岩纤维，造成混凝土本身的和易性和密实度明显降低，因而导致混凝土抗压、抗拉、抗折强度均下降。

由表4可见，在混凝土中掺入适量微硅粉矿物掺合料能够提高混凝土的基本力学性能，而加入过量的微硅粉会降低混凝土的基本力学性能，当微硅粉掺量为7%时，混凝土的抗压、抗拉、抗折强度达到最大值。分析其原因，一方面是因为微娃粉与水泥会发生水化反应生成水化硅酸钙，改善了胶凝材料与骨料之间的结构及性能，同时粒径较小的微硅粉可以很好地填充混凝土材料颗粒间的空隙，使得混凝土更加密实，抗压、抗拉、抗折强度得到有效增强；另一方面，过多的加入微硅粉，会导致混凝土单位需水量增加，坍落度降低，搅拌性能变差，密实成型较困难，混凝土的抗压、抗拉、抗折强度受到明显影响。

由表3、表4和表5分析可知，在掺合料同一水平条件下，微硅粉-玄武岩纤维混凝土相较微硅粉混凝土和玄武岩纤维混凝土，抗压强度、抗拉强度和抗折强度明显提高。当玄武岩纤维掺量保持一定时，玄武岩纤维-微硅粉混凝土每掺入1%微硅粉，其抗压强度最小影响值为0.17MPa，最大影响值为0.93MPa；抗拉强度最小影响值为0.02MPa，最大影响值为0.05MPa；抗折强度最小影响值为0.02MPa，最大影响值为0.05MPa。当微硅粉掺量保持不变时，玄武岩纤维-微硅粉混凝土单位体积内每掺入1kg玄武岩纤维，其抗压强度其抗压强度最小影响值为0.2MPa，最大影响值为1MPa；抗拉强度最小影响值为0.25MPa，最大影响值为0.47MPa；抗折强度最小影响值为0.11MPa，最大影响值为0.57MPa。由此可知，微硅粉矿物掺合料主要对玄武岩纤维-微硅粉混凝土的抗压强度起到作用，对混凝土的抗拉、抗折强度影响不大；玄武岩纤维对微硅粉-玄武岩纤维混凝土的抗压、抗拉、抗折强度均有较大的影响，并且相比微硅粉对混凝土的抗拉、抗折强度影响尤为明显。与此同时，可得到掺量为3kg/m3、微硅粉掺量为7%的XG-13实验组为最佳掺量试验组。

2.2 抗裂性能分析

用显微镜分别对单掺7%微硅粉的混凝土抗裂试块、单掺3kg/m3玄武岩纤维的混凝土抗裂试块与混掺7%微硅粉、3kg/m3玄武岩纤维的混凝土抗裂试块的裂缝宽度进行测量，用游标卡尺对混凝土抗裂试块的裂缝长度进行测量。当同条裂缝宽度大致相同时，选取裂缝中间处的宽度作为裂缝宽度，当宽度差异较大时，选取宽度的平均值作为裂缝宽度；裂缝的长度可以选取近似直线的长度，当裂缝较曲折时，总长度取每一小段近似直线长度之和，试验测得混凝土裂纹条数及宽度如图1、图2所示。

图1 混凝土裂纹条数

图2 混凝土裂纹长度

由图1可见，玄武岩纤维混凝土裂纹总计17条，微硅粉混凝土裂纹总计16条，玄武岩纤维-微硅粉混凝土裂纹总计10条。其中，玄武岩纤维混凝土和微硅粉混凝土以宽度0.03mm的裂纹最多，玄武岩纤维-微硅粉混凝土以宽度0.01mm和0.02mm的裂纹为主，从而可知玄武岩纤维-微硅粉混凝土的抗裂性能无论从裂纹条数方面，还是裂纹宽度方面都要明显优于微硅粉混凝土和玄武岩纤维混凝土的抗裂性能。

由图2可知，玄武岩纤维混凝土裂纹总面积为7.42mm2，微硅粉混凝土裂纹总面积为10.29mm2，玄武岩纤维-微硅粉混凝土裂纹总面积为4.5mm2。相比于微硅粉混凝土，玄武岩纤维混凝土裂缝降低系数为30%，玄武岩纤维-微硅粉混凝土裂缝降低系数为56.3%。

3 结论

(1)在掺合料掺量同一水平条件下，玄武岩纤维-微硅粉混凝土相较微硅粉混凝土和玄武岩纤维混凝土，具有更好的抗压强度、抗拉强度和抗折强度。当玄武岩纤维掺量为3kg/m3、微硅粉掺量为7%时，玄武岩纤维-微硅粉混凝土的基本力学性能达到最佳值，抗压强度、抗拉强度和抗折强度分别为69.9MPa、6.77MPa、10.55MPa。

(2)玄武岩纤维-微硅粉混凝土中，微硅粉矿物掺合料主要对混凝土的抗压强度起作用，对混凝土的抗拉、抗折强度影响不大；玄武岩纤维对混凝土的抗压、抗拉、抗折强度均有较大的影响，相比微硅粉对混凝土的抗拉、抗折强度影响效果尤为明显。

(3)综合比较混凝土裂纹数量、宽度、总面积，玄武岩纤维-微硅粉混凝土的阻裂效果好于微硅粉混凝土的和玄武岩纤维混凝土的阻裂效果。玄武岩纤维-微硅粉混凝土相对微硅粉混凝土的裂缝降低系数为56.3%，玄武岩纤维混凝土相对微硅粉混凝土的裂缝降低系数为30%。