玄武岩纤维活性粉末混凝土性能测试及实体工程应用

2021-10-08姜丽娟

工程与试验 2021年3期

姜丽娟，姜帅，吕翔

(1.中冶交通建设集团有限公司，北京 100176；2.吉林大学交通学院，吉林长春 130022)

1 引言

吉林省地处季冻区，冬季冻融循环效应显著，并且冬季桥梁、道路上常用除冰盐，冻融循环和氯盐侵蚀耦合作用会对此地区桥梁、道路混凝土结构的耐久性能和力学性能造成很大影响[1-3]。冻融循环和除冰盐侵蚀的耦合作用会造成普通混凝土防撞墙表面的混凝土剥落以及防撞墙内部钢筋锈蚀，严重影响防撞墙的使用性能，并且后期维修养护的费用也不容忽视。因此，季冻区混凝土结构对混凝土材料的耐久性能和力学性能提出了更高的要求。

玄武岩纤维活性粉末混凝土是一种新型的超高性能水泥基复合材料[4]。一方面，玄武岩纤维具有优越的力学性能，对各类酸碱性条件都具有良好的抵抗作用[5-7]。另一方面，活性粉末混凝土用毫米级骨料石英砂代替普通混凝土中的粗骨料，消除了普通混凝土的界面过渡区，优化了颗粒级配，提高了均质性，控制了内部缺陷，大大提高了活性粉末混凝土的力学性能和耐久性能。因此，玄武岩纤维活性粉末混凝土具有超高强度、高耐久性及高温适应性等特点[8-10]。玄武岩纤维活性粉末混凝土可有效减小结构物的自重，增加跨越能力，在各种基础设施建设中具有广阔的应用前景。

本文依托吉林省集安至双辽高速公路项目，将玄武岩纤维活性粉末混凝土应用于某桥梁防撞墙实体工程，通过室内试验，测试了施工用玄武岩纤维活性粉末混凝土的强度和耐久性。依据施工情况，介绍了玄武岩纤维活性粉末混凝土的施工工艺，总结了施工过程中出现的问题，提出了相应的改进措施，为玄武岩纤维活性粉末混凝土在实际工程中的应用提供参考。

2 原材料及配合比

玄武岩纤维活性粉末混凝土配制的原材料包括石英砂、石英粉、水泥、硅灰、减水剂、水和玄武岩纤维。石英砂的规格为20～40目、40～80目、80～120目，将3种规格的石英砂按照2∶2∶1的比例进行混合，之后分别过0.6mm、0.3mm和0.15mm的方孔筛，将粒度在0.3～0.6mm范围内的石英砂定义为中砂，将粒度在0.15～0.3mm的石英砂定义为细砂。石英砂中砂与细砂质量比为1.5。

试验用石英粉的成分与石英砂成分一致，规格为400目，含硅量大于98%。石英粉与水泥的质量比为0.2。水泥采用吉林省亚泰水泥有限公司生产的P.II 52.5硅酸盐水泥。硅灰采用吉林省长春司奥科技有限公司生产的SF 92型硅灰。减水剂采用长春市北华建材有限公司生产的减水率为25%的多羧基减水剂，该种减水剂为淡黄色的液体，密度为0.98g/cm3，pH值为7.5。玄武岩纤维采用直径23μm、长度22mm的短切玄武岩纤维。玄武岩纤维的物理性能如表1所示，玄武岩纤维活性粉末混凝土的配合比见表2。

表1 玄武岩纤维的物理性能

表2 玄武岩纤维活性粉末混凝土配合比(单位：kg/m3)

3 强度和耐久性能测试及试验结果

利用准备好的原材料和表2所示的配合比在施工单位的拌合站对玄武岩纤维活性粉末混凝土进行配制，在标准养护室中养护28天后，进行强度和耐久性能测试。

3.1 抗压强度与抗折强度

选用天津市美特斯试验机厂生产的电脑全自动抗压抗折一体试验机，依据《水泥胶砂强度检验方法》(GB/T 17671-1999)[11]，对尺寸为160mm×40mm×40mm的玄武岩纤维活性粉末混凝土的抗压强度和抗折强度进行测试，施工现场浇筑的玄武岩纤维活性粉末混凝土强度试验结果如表3所示。

表3 抗压强度与抗折强度试验结果

从表3可以得出，玄武岩纤维活性粉末混凝土的抗压强度为106MPa，抗折强度为14.8MPa，完全满足防撞墙实体工程项目施工要求。

3.2 抗冻融循环性能

选用天津市港源试验仪器厂生产的冻融循环试验机，依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)[12]中普通混凝土快速冻融方法，对尺寸为100mm×100mm×400mm的玄武岩纤维活性粉末混凝土试件进行冻融循环试验，试验结果如图1所示。

图1 质量损失率随冻融循环次数的变化规律

从图1可以看出，随着冻融循环次数的增加，玄武岩纤维活性粉末混凝土的质量损失率逐渐增加。当冻融循环次数达到800次时，玄武岩纤维活性粉末混凝土的质量损失率仅为0.95%。参考普通混凝土抗冻性评定要求，玄武岩纤维活性粉末混凝土在800次冻融循环后的质量损失率仍然满足质量损失率不超过5%的要求，说明玄武岩纤维活性粉末混凝土的抗冻融循环耐久性能优异。

3.3 抗氯离子渗透性能

选用北京数智意隆仪器有限公司生产的多功能氯离子测定仪，依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)[12]中电通量试验方法，对高度为50mm、半径为50mm的玄武岩纤维活性粉末混凝土圆柱体试件进行电通量测试，电流值随时间变化规律如图2所示。

图2 电流值随时间的变化规律

从图2可以看出，随着时间的增加，玄武岩纤维活性粉末混凝土的电流值逐渐增加。通过计算得出，玄武岩纤维活性粉末混凝土在6h内的导电量仅为84C，低于100C。参照普通混凝土评定标准，可判定玄武岩纤维活性粉末混凝土的抗氯离子渗透性为不渗透。

3.4 抗碳化性能

选用南方建仪建材仪器有限公司生产的CCB-70型混凝土碳化试验箱，依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)[12]中碳化试验方法，对尺寸为100mm×100mm×100mm玄武岩纤维活性粉末混凝土进行碳化试验测试。试验结果表明，玄武岩纤维活性粉末混凝土经历28天快速碳化后的碳化深度为0mm，可以得出，玄武岩纤维活性粉末混凝土对碳化也具有良好的抵抗作用。

4 实体工程应用

玄武岩纤维活性粉末混凝土具有优异的力学性能和耐久性能，适用于季冻区冻融循环和除冰盐侵蚀耦合作用等环境中的混凝土结构。为推广玄武岩纤维活性粉末混凝土在实际工程中的应用，依托吉林省集安至双辽高速公路老营至石岭(天德)段项目，选取某桥梁防撞墙开展玄武岩纤维活性粉末混凝土防撞墙实体工程应用研究。

(1)材料及机械设备准备。玄武岩纤维活性粉末混凝土不同于普通混凝土，其原材料成分较多，各原材料应符合《活性粉末混凝土》(GB/T 31387-2015)[13]要求。在混凝土拌合站，需要配备2个石英砂配料斗、1个水泥筒仓、1个硅灰筒仓、1个石英粉筒仓、1个减水剂仓、1个水仓和1套计算机控制系统，即可实现玄武岩纤维活性粉末混凝土自动化制备。玄武岩纤维用量少，在制备过程中人工添加即可。

(2)拌合制度。在玄武岩纤维活性粉末混凝土拌合过程中，容易出现玄武岩纤维成团现象。因此，玄武岩纤维活性粉末混凝土的拌合，第一步必须先加入石英砂和玄武岩纤维并充分搅拌，依靠石英砂之间的摩擦力使玄武岩纤维均匀分布，避免玄武岩纤维成团现象的出现。第二步加入水泥、硅灰和石英粉并充分搅拌，使胶凝材料和石英砂充分混合，更有利于拌合物成型。第三步加入减水剂和水并充分搅拌至拌合物成型。

(3)浇筑和振捣。玄武岩纤维活性粉末混凝土拌合物呈砂浆状，流动性好，易浇筑。浇筑后应充分振捣，可使玄武岩纤维活性粉末混凝土拌合物中的气泡上浮，避免出现蜂窝麻面现象。

(4)静置、拆模。浇筑完成后，将玄武岩纤维活性粉末混凝土静置24h，静置环境温度应在10℃以上，相对湿度60%以上，以防止产生干缩裂缝。静置后拆模。

(5)养护。用土工布覆盖玄武岩纤维活性粉末混凝土防撞墙后，洒水养护28d。

(6)成型。成型后的玄武岩纤维活性粉末混凝土防撞墙具有优异的力学性能和耐久性能，并且表面无蜂窝麻面，泛有水泥光泽，在实体工程中取得了良好的应用效果。