复掺玄武岩纤维和硅灰对白色硅酸盐水泥混凝土力学性能研究

李涛，吕奖国，阿布都热依木江·库尔班

（1.安徽省交通控股集团有限公司，安徽 合肥 230031；2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

1 引言

混凝土开裂可以说是常见病和多发病，有关混凝土结构出现裂缝而影响工程质量的问题较为突出。纤维混凝土以其优良的抗裂性能，弥补了普通混凝土易开裂、抗拉强度低的缺点，成为当今工程界推崇的复合材料。工程所用纤维混凝土种类繁多如碳纤维、钢纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维、尼龙纤维等，各国对这些纤维混凝土的力学性能作了相关研究。而玄武岩纤维(Basalt Fiber)作为一种新型无机纤维材料，因其具有良好的力学性能、化学稳定性和热稳定性，并且兼具高性价比等优点，已成为国内外诸多学者关注的焦点，并对玄武岩纤维混凝土的力学性能作了相关研究。目前的研究成果主要侧重于玄武岩纤维掺量对混凝土基本力学性能等方面影响，而关于其对复掺玄武岩纤维长度、掺量和硅灰掺量对混凝土力学性能的研究成果研究比较少。同时建筑结构和桥梁作为景观标志建筑，传统灰色混凝土结构美观性不足，影响结构与自然、社会环境相协调，增加美化成本。

针对索支撑桥梁超高混凝土塔柱表面容易产生裂缝和需要二次防护和装饰等问题，本文基于C50普通混凝土，以白色硅酸盐水泥作为基础胶凝材料，矿粉和粉煤灰作为辅助胶凝材料，以“提高混凝土抗拉强度”为原则，玄武岩纤维和硅灰超细粉体作为混凝土力学性能改性材料，研究不同长度和体积掺量玄武岩纤维以及不同掺量硅灰对混凝土的工作性能和力学强度的影响。

2 实验设计与方法

2.1 材料设计

混凝土原材料使用阿尔博牌P·W 52.5白水泥，马鞍山万能达发电公司生产的1级粉煤灰，马鞍山中天新材料有限公司生产的S95级矿粉和上海天凯建材有限公司的900D型硅灰作为胶凝材料。细集料选用了石英砂，粗集料来自彭泽宏浩麻山矿业有限公司，直径为5mm～25 mm连续级配。玄武岩纤维作为增强材料，聚羧酸高性能减水剂用于改善新拌浆体工作性，固含量为40%。

2.2 实验配合比设计

为了得到最佳的工作性能和力学性能，本文基于C50普通混凝土，以白色硅酸盐水泥作为基础胶凝材料，矿粉和粉煤灰作为辅助胶凝材料，研究了不同长度和体积掺量玄武岩纤维，不同掺量硅灰对混凝土的工作性能和力学强度的影响，所用配合比如下表所示。

复掺玄武岩纤维和硅灰混凝土配合比

2.3 实验方法

混凝土的流动度测试参照标准《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30-2005），通过坍落度筒测定新拌混凝土的坍落度和扩展度。混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度测试参照标准《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30-2005），试件尺寸150mm×150mm×150mm。试件浇筑24 h后拆模，并在标准条件下养护至测试龄期。每组配合比选取3个试件进行测试，并取平均值作为最终强度值。

3 实验结果与分析

3.1 纤维尺寸和掺量对混凝土的影响

混凝土的流动度测试参照标准《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30-2005），通过坍落度筒测定新拌混凝土的坍落度和扩展度，如图1所示。

图1 混凝土工作性能检测

实验结果表明：混凝土坍落度为210mm～230mm、扩展度为 630mm～560mm，具有较好的工作性和可泵送性，满足桥梁塔柱超高度的泵送要求。不同玄武岩纤维长度和纤维掺量条件下，新拌混凝土坍落度和扩展度的变化如图2所示。施工中为了满足超过200 m高度的泵送要求，根据《混凝土泵送技术规程》（JGJ/T 10-2011），新拌混凝土工作性要满足坍落度=210 mm±10 mm，扩展度≥400 mm。根据实验结果可以看出，玄武岩纤维的长度和掺量对坍落度和扩展度的影响较小，所有样品都可保持坍落度=220 mm±10 mm，扩展度=600 mm±40 mm，具有较好的工作性和可泵送性。

图2 不同玄武岩纤维长度和掺量对应的新拌混凝土坍落度和扩展度

纤维对混凝土的强度具有较显著的影响，通过对样品的抗压和抗拉试验测试，得到纤维长度和掺量对混凝土抗压和劈裂抗拉强度的影响结果分别如图3和图4所示。就不同纤维长度和掺量对混凝土抗压强度的影响如图3所示，使用纤维增强以后，混凝土7 d的抗压强度即能达到50 MPa以上。随着纤维掺量从 0.8 kg/m增加到 2.0 kg/m，抗压强度呈现先增加，后小幅下降的趋势，并且随着纤维长度的增加，强度下降的幅度增加。由于纤维对裂缝的产生和扩展具有很好的控制作用，纤维掺量的增加，更好地阻碍了微裂缝形成贯穿主裂缝，因此强度有所提升。但过量、过长的纤维，使其在浆体拌和过程中易形成团聚，从而引入较多的初始缺陷。

图3 不同纤维长度和掺量对应的抗压强度变化

图4 不同纤维长度和掺量对应的劈裂抗拉强度变化

就不同纤维长度和掺量对混凝土劈裂抗拉强度的影响而言，如图4所示，结果表明玄武岩纤维对混凝土抗拉强度的提升效果更为明显，当纤维长度为12 mm时，对应的28d抗拉强度达到最高的4.8 MPa，约为C50混凝土抗拉强度标准值的2倍。并且随着纤维掺量和纤维长度的增加，抗拉强度均有小幅下降。

3.2 硅灰对混凝土性能的影响

图5表示不同掺量的硅灰对新拌混凝土坍落度的影响。硅灰掺量分别为10kg/m、15kg/m和 20kg/m时，对应的坍落度值分别为220mm、205mm和205 mm。随着硅灰掺量的增加，新拌混凝土的坍落度显著降低。

图5 硅灰掺量对混凝土坍落度的变化

随着硅灰掺量不同，混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度的测试结果，如图6所示。可以看出混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度，随着硅灰掺量的增加而有所提升，硅灰掺量为20kg/m时，混凝土的28d抗压强度和劈裂抗拉强度分别达到了 59.2MPa 和 5.4MPa，远超过了 C50混凝土的标准强度值。

图6 硅灰掺量对抗压强度和劈裂抗拉强度的影响

硅灰由于颗粒尺寸很小，造成表面吸水率较高，因此在拌和过程中，会对浆体的坍落度造成显著的下降。同时，硅灰颗粒在基体中能够有效填充水泥颗粒之间的孔隙，可以提高基体密实程度，因此对混凝土的强度具有很好地提升。上述强度测试的结果表明，掺加硅灰以后的抗压强度以及抗拉强度，都远远超过C50混凝土的理论设计值。结合施工过程中的可操作性，硅灰掺量为10kg/m的效果最好。

4 结论

针对索支撑桥梁混凝土超高塔柱混凝土存在施工过程中出现裂缝、开裂等现象，本文通过使用白色硅酸盐水泥、玄武岩纤维增强和硅灰复掺的方式，设计出了抗拉强度高、美观性好、可泵送的白色纤维高性能混凝土。本文具体有以下几点结论：

①复掺玄武岩纤维和硅灰能够提升混凝土的抗拉性能，纤维和硅灰增强后的混凝土抗拉强度可达到5.4MPa，超过C50混凝土标准值的2倍以上；

②玄武岩纤维长度在12mm～20mm，掺量在 0.8kg/m～2.0kg/m变化时，对新拌混凝土的坍落度影响较小，但混凝土抗压强度随掺量增加先上升后下降，随纤维长度增加小幅下降，混凝土抗拉强度随纤维掺量和长度的增加都小幅下降，这是由于纤维掺量过多或长度过长，容易在搅拌时发生团聚，增加了基体中的初始缺陷，因此，玄武岩纤维长度为 12mm、掺量为 1kg/m～1.5kg/m时最优；

③白色纤维混凝土复掺硅灰能够显著提升基体强度，且随着硅灰掺量的增加，抗压和劈裂抗拉强度都逐渐增高。但由于硅灰掺量的增加会显著降低新拌混凝土工作性能，因此，硅灰掺量为10kg/m时最优。