玄武岩纤维对混凝土早龄期力学性能的影响

2021-11-17段小芳袁娇娇

南通职业大学学报 2021年3期

段小芳，袁娇娇

（1. 南通开放大学建筑工程学院，江苏南通 226006； 2. 河海大学土木与交通学院，南京 210098）

0 引言

混凝土在土木工程中的应用非常广泛，其强度对结构的安全性、耐久性至关重要。玄武岩纤维抗拉强度大，弹性模量高，因此有不少学者研究通过掺入玄武岩纤维提高混凝土强度，以改善混凝土脆性。高真等[1]研究表明，玄武岩纤维可以改善混凝土抗压强度，长度为6 mm 的纤维优于12 mm的改善效果。张振雷[2]研究表明，玄武岩纤维可以提高混凝土抗压强度，将其与纤维素纤维混掺时比单掺其中一种力学性能更优，混凝土脆性得到改善。周浩等[3]研究表明，掺入体积率0.3 %及0.4 %的玄武岩纤维时，混凝土的抗压和抗折强度提高最显著。贺晶晶等[4]研究表明，同时掺入玄武岩纤维和聚丙烯纤维的混凝土比单掺其中一种纤维时的劈裂抗拉强度、抗折强度明显提高。吴钊贤[5]等研究表明，掺入玄武岩纤维后，混凝土早龄期抗压强度显著提高。李韧[6]等研究表明，玄武岩纤维可以降低混凝土早期收缩变形。在对玄武岩纤维混凝土展开的众多研究中，关于早龄期玄武岩纤维混凝土力学发展规律的研究还少见报道。因此，本文拟通过在混凝土中掺入不同体积率的玄武岩纤维，研究其对混凝土早龄期力学性能的影响。

1 试验方案

1.1 试验原材料

试验采用P.O 42.5 普通硅酸盐水泥，混凝土目标设计强度C40，石子粒径为5~8 mm，砂子粒径2~4.5 mm，高效减水剂，I 级粉煤灰，普通自来水，配合比见表1。在混凝土中掺入体积率为0、0.06 %、0.12 %、0.18 %、0.24 %、0.3 %、0.36 %的玄武岩纤维，研究混凝土早龄期立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度变化规律。玄武岩纤维主要参数见表2。

表1 混凝土配合比 kg/m3

表2 玄武岩纤维主要参数

1.2 试验方法

参考《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2019）规定，确定立方体抗压强度、劈裂抗拉强度的试件尺寸均为150 mm×150 mm×150 mm，抗折强度试验的试件尺寸为150 mm×150 mm×550 mm。混凝土浇筑完成后放入温度为（20±2）°C、相对湿度为90 %的标准养护室养护，测试龄期为 1 d、3 d、5 d、7 d、14 d、28 d。

2 试验结果及讨论

2.1 立方体抗压强度

2.1.1 玄武岩纤维对立方体抗压强度的影响

混凝土立方体抗压强度随玄武岩纤维掺量的变化曲线见图1。由图1 可知，1~7 d 龄期立方体抗压强度随着玄武岩纤维掺量的增大而增大，14~28 d 龄期随着玄武岩纤维掺量的增大而减小。玄武岩纤维掺量为 0 时，1 d、3 d、5 d、7 d 的立方体抗压强度分别为 5.81 MPa、20.92 MPa、27.45 MPa、29.83 MPa；纤维掺量 0.24 %时，对应龄期的强度达到最大，分别提高了41.31%、16.25%、5.72 %、6.10 %。可见玄武岩纤维对1~3 d 龄期的抗压强度提高较大，对3~7 d 龄期的抗压强度提高较小。14 ~28 d 龄期玄武岩纤维对混凝土抗压强度有抑制作用，掺量越大，抑制越显著。玄武岩纤维掺量0.36 %时，14 d、28 d 的立方体抗压强度分别为32.88 MPa、38.44 MPa，与基准试件相比降低了8.62 %和10.58 %。原因分析：0~7 d 浆体强度较低，龄期越小，浆体强度越小，玄武岩纤维强度高，可以通过桥接作用承受外力，早龄期抗压强度提高；当玄武岩掺量过多，在浆体内部难以均匀分布，会出现成团现象，导致抗压强度降低；14~28 d 龄期混凝土抗压强度逐渐增大，玄武岩纤维形成的三维骨架不利于浆体流动，密实度降低，抗压强度降低。

图1 混凝土立方体抗压强度随玄武岩纤维掺量变化曲线

2.1.2 龄期对立方体抗压强度的影响

玄武岩纤维混凝土立方体抗压强度随龄期发展变化曲线见图2。由图2 可见，前7 d 龄期立方体抗压强度发展较快，7~28 d 发展平缓。7 d 龄期玄武岩纤维体积掺量0、0.06 %、0.12 %、0.18 %、0.24 %、0.3 %、0.36 %对应的抗压强度分别为29.83、30.12、30.64、30.12、31.65、29.12、29.49 MPa，是 28 d 抗压强度的 69.39 %、70.77 %、74.33 %、73.86%、80.68%、75.73 %、76.72 %，可见玄武岩纤维可以加快混凝土早龄期抗压强度发展。

图2 混凝土立方体抗压强度随龄期变化曲线

根据试验数据拟合得到玄武岩混凝土早龄期立方体抗压强度计算模型：

式中，fc（t）为t 天的立方体抗压强度，t 为龄期，fc（28）为28 天的立方体抗压强度。参数A 和拟合相关系数R2 的取值见表3。

表3 参数A 和拟合相关系数R2 取值

2.2 劈裂抗拉强度

2.2.1 玄武岩纤维对劈裂抗拉强度的影响

混凝土劈裂抗拉强度随玄武岩纤维掺量的变化曲线见图3。由图3 可见，劈裂抗拉强度随着玄武岩纤维掺量的增加先增大后减小。龄期1 d、3 d、5 d 时，纤维掺量0.3 %对应的抗拉强度最大，与基准试件相比分别提高了45.59%、34.85%、26.81 %。龄期7 d 和28 d 时，纤维掺量0.24 %对应的抗拉强度最大，比基准试件提高了26.85 %、52.96 %。从图中曲线还可发现，1~14 d 内随着玄武岩纤维掺量的增加，抗拉强度增幅比较平缓，28 d 龄期抗拉强度增幅显著。原因在于，玄武岩纤维在混凝土中形成三维骨架，避免骨料下沉，混凝土内部分布均匀合理，强度提高。同时，玄武岩纤维弹性模量好，抗拉强度大，当混凝土达到抗拉强度时，纤维通过桥接作用承受拉力，混凝土劈裂抗拉强度提高。

图3 混凝土劈裂抗拉强度随玄武岩纤维掺量变化曲线

2.2.2 龄期对劈裂抗拉强度的影响

玄武岩纤维混凝劈裂抗拉强度随龄期变化曲线见图4。由图4 可见，前14 d 龄期劈裂抗拉强度发展较快，14~28 d 发展平缓。28 d 龄期时，玄武岩纤维体积掺量为0、0.06 %、0.12 %、0.18 %、0.24 %、0.3 %、0.36 %所对应的劈裂抗拉强度分别为 3.55、3.79、4.12、4.88、5.43、5.24、4.78 MPa，14 d 龄期时对应的劈裂抗拉强度分别是28 d 的83.69 %、83.53 %、83.31 %、83.91 %、84.71 %、86.19 %、85.54 %。

图4 混凝土劈裂抗拉强度随龄期发展变化曲线

根据试验数据拟合得到玄武岩混凝土早龄期劈裂抗拉强度计算模型：

式中：ft（t）为t 天的劈裂抗拉强度，t 为龄期，ft（28）为28 天的劈裂抗拉强度。A、B、C 和拟合相关系数 R2见表 4。

表4 ft（t）的A、B、C 和R2 取值

2.3 抗折强度

2.3.1 玄武岩纤维对抗折强度的影响

混凝土抗折强度随玄武岩纤维掺量变化曲线见图5。由图5 可见，抗折强度随玄武岩纤维掺量的增加先增后减。龄期1 d 时，纤维掺量0.3%对应的抗折强度最大，较纤维掺量为0 的基准试件相比提高了 28.95 %。龄期 3 d、5 d、7 d、14 d、28 d时，纤维掺量0.24 %对应的抗拉强度最大，比基准试件提高了11.56%、10.62%、11.73%、13.16%、14.00 %。从图5 曲线可见，玄武岩纤维对混凝土抗折强度有一定增强作用，但增幅不大。

图5 混凝土抗折强度随玄武岩纤维掺量变化曲线

2.3.2 龄期对抗折强度的影响

玄武岩纤维抗折强度随龄期发展变化曲线如图6。由图6 可见，前7 d 龄期抗折强度发展较快，7~14 d 发展变慢，14~28 d 强度发展逐渐趋于稳定。7 d 龄期时，玄武岩纤维体积掺量为0、0.06 %、0.12 %、0.18 %、0.24 %、0.3 %、0.36 %对应的劈裂抗拉强度分别为 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龄期时对应的抗折强度是28 d 的84.44 %、86.15 %、85.27 %、85.31 %、83.82 %、85.12 %、84.80 %。