短切玄武岩纤维混凝土基本性能试验研究

2022-03-30李福海高浩唐慧琪姜怡林占玉林沈东

铁道科学与工程学报 2022年2期

李福海，高浩，唐慧琪，姜怡林，占玉林，沈东

(1. 西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031；2. 温州市七都大桥北汊桥建设有限公司，浙江温州 325099)

混凝土存在可塑性好、抗压强度高等优势，被广泛应用于建筑行业中。随着各种复杂结构形式、环境的出现，对混凝土力学性能以及耐久性要求不断提高，纤维增强混凝土(FRC)应运而生。FRC 因掺入不同种类的纤维使其各方面性能得到显著提升。玄武岩纤维以天然玄武岩矿石为原料，破碎处理后经1 450～1 500 ℃高温熔融，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成[1]，具有优异的力学性能以及稳定的化学性能，且其作为一种硅酸盐纤维与水泥具有天然的相容性[2]。国内外对玄武岩纤维混凝土(BFRC)做了大量的研究，IYER 等[3]研究表明当纤维长度为36 mm，体积掺量为0.3%时效果最佳。AYUB 等[4]发现玄武岩纤维可以有效改善混凝土界面过渡区(ITZ)，提高混凝土劈裂抗拉强度，但对抗压强度作用不大。PUNURAI 等[5]研究发现在地聚物混凝土中，玄武岩纤维替代粉煤灰可以促进CSH 等水化产物发展、降低孔隙率，有效改善地聚物混凝土抗压、抗弯强度和干缩。BRANSTON 等[6]发现玄武岩纤维能够降低混凝土塑性收缩带来的危害，并限制裂缝的发展。WANG 等[7]认为随着纤维掺量的增大，混凝土的裂缝长度、宽度及数量减小，BFRC 早龄期抗干缩性能得到显著提升，但工作性能会恶化。黄镜渟等[8]研究表明，经BFRP 加固后柱的承载力、延性和耗能能力显著改善。龚飞[9]发现玄武岩纤维可以减小混凝土硬化前的连通孔隙，提高混凝土抗氯离子渗透性能。此外，苏丽等[10]研究表明相比聚丙烯纤维，玄武岩纤维对混凝土氯离子浓度降低作用更显著，且适量的混杂纤维效果优于单掺。综上所述，目前关于玄武岩纤维增强混凝土(BFRC)的研究大都集中于某一个具体的方面，混凝土强度大部分在C30～C50 范围内且纤维掺量范围大都集中在0%～0.3%，缺乏对BFRC 在高强度、大掺量下综合性能的探究。本文以C60混凝土为基准，分析了玄武岩纤维掺量(0%～0.6%)对于混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、劈拉破坏模式、抗氯离子渗透性及自由收缩的影响，并建立了早龄期收缩模型。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

1) P∙O52.5 虎山普通硅酸盐水泥；2) 粒径为5～25 mm的青田连续级配碎石；3)细度模数为2.6的青田河沙；4) 温州凯程公司生产的KC-NF-1 高效减水剂；5) HEA 膨胀剂；6) 山东日照生产的S95 矿粉；7) 浙江金石公司生产的玄武岩纤维(见图1)，物理性能如表1所示；8)成都当地自来水。

图1 玄武岩纤维Fig.1 Basalt fiber

表1 玄武岩纤维物理力学性能Table 1 Physical and mechanical properties of basalt fiber

1.2 配合比设计

为探究玄武岩纤维对混凝土各项性能的影响，本试验以C80 混凝土配合比为基础(见表2)，通过改变玄武岩纤维体积掺量共设计5 组试验，其中4组是在基准混凝土的配合比下分别掺入体积分数为0.15%，0.30%，0.45%和0.60%的玄武岩纤维。

表2 混凝土配合比Table 2 Concrete mix ratio

1.3 试验方法

1) 基本力学性能试验参考GB/T50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行。抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验所用试件尺寸均为100 mm×100 mm×100 mm，每组配比均制作6个试件，共30个试件。

2) 早龄期收缩试验参考GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行，采用卧式收缩仪测量收缩，如图2所示。试件尺寸为100 mm×100 mm×515 mm，每组配比制作3 个试件，共制作15 个试件。试件成型24 h 后，将其置于温度30 ℃，相对湿度60%的环境开始测量收缩。

图2 卧式收缩仪Fig.2 Horizontal contraction instrument

3) 电通量试验按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行。试件尺寸直径100 mm，高度(50±2) mm，每组配比制作3个试件，共制作15个试件。

4)从BF-30组抗压强度破坏试件中取样，使用KYKY-EM3200 型扫描电子显微镜对其进行微观试验分析。

2 结果与分析

2.1 抗压强度

不同掺量玄武岩纤维混凝土28 d 龄期抗压强度如图3 所示。由图3 可知，抗压强度随着玄武岩纤维掺量的增大呈现出先增长后降低的趋势，纤维掺量范围在0.15%～0.45%时，对混凝土抗压强度变化较为敏感。当纤维掺量达到0.3%时，抗压强度最大88.093 MPa，相比基准混凝土提高了5.2%，玄武岩纤维对混凝土抗压强度提升效果不显著。纤维掺量较小时，乱向分布的纤维和骨料之间相互搭接，能够有效改善混凝土中空隙、微裂纹的产生与发展[11]，降低混凝土内部孔隙率，从而提高混凝土抗压强度。此外，均匀分布于混凝土内部的玄武岩纤维可以形成传力纤维微筋网，这些纤维网格在混凝土试块受到轴向压力作用时发挥类似于箍筋的工作效应，通过提供横向约束力来提高混凝土抗压强度[12]。随着纤维掺量增加，形成的纤维网格越多，抗压强度提升也逐渐明显。当玄武岩纤维掺量达到0.3%后，抗压强度呈下降趋势，甚至低于基准混凝土。纤维掺量过多，易在混凝土内部产生结团现象，从而形成较多的薄弱面；同时有效的传力纤维网格数量减少，不能形成具有整体性的空间传力网架，导致混凝土抗压强度降低[13]。

图3 玄武岩纤维混凝土抗压强度Fig.3 Compressive strength of basalt fiber concrete

2.2 劈裂抗拉强度

不同掺量玄武岩纤维混凝土28 d 龄期劈裂抗拉强度如图4 所示。由图4 可知，BF15，BF30，BF45和BF60劈裂抗拉强度相对于基准混凝土依次提高3.5%，17.3%，14.5%及5.6%，且玄武岩纤维掺量在0.15%～0.3%时，对混凝土劈裂抗拉强度提升效果显著。纤维掺量为0.3%时，混凝土劈裂抗拉强度达到峰值5.045 MPa。相比抗压强度而言，玄武岩纤维对劈裂抗拉强度作用较大。玄武岩纤维自身弹性模量、抗拉强度较高，当混凝土受荷载时，纤维能够分担很大一部分荷载。达到开裂荷载后，处于裂缝间的纤维起到桥联作用，使试件继续承担荷载；同时处于裂缝间的纤维将荷载传递至裂缝两端的基体材料上，重新使已开裂混凝土继续发挥作用，从而提升混凝土的抗拉强度。此外，受到荷载作用时混凝土界面过渡区会产生大量应力集中点形成微裂缝，玄武岩纤维能改善界面过渡区[4]，可以使应力重分布，减小微裂缝尖端的应力集中[14]，提高劈裂抗拉强度。当纤维掺量大于0.3%时，劈裂抗拉强度呈下降趋势，当纤维掺量从0.45%增加至0.6%时，强度迅速降低。此时纤维掺量过大，纤维不易均布且比表面积增大，胶凝材料不能很好地包裹纤维，影响混凝土基体与纤维之间的握裹力，影响二者之间的黏结力，从使混凝土劈裂抗拉强度降低。

图4 玄武岩纤维混凝土劈裂抗拉强度Fig.4 Splitting tensile strength of basalt fiber concrete

混凝土内部骨料与砂浆接触面存在大量孔隙和氢氧化钙，形成界面薄弱区，成为混凝土受力破坏的关键部位。图5为28 d龄期不同纤维掺量混凝土劈裂抗拉破坏形态，纤维掺量不同，混凝土破坏后裂缝数量、裂缝宽度以及断裂界面骨料被拉断的比例均不相同。未掺玄武岩纤维时，混凝土呈现明显的脆性破坏，仅出现一条宽度较大主裂缝，断裂界面的粗骨料基本处于完整状态，大部分骨料在混凝土界面薄弱区拉脱，粗骨料自身强度未得到充分利用。纤维掺量为0.3%时，纤维在混凝土内部乱向分布，能够分散混凝土内部拉应力方向[15]，荷载通过玄武岩纤维在混凝土间往复传递，改变裂缝延伸路径，故混凝土破坏后出现多条曲折的细微裂缝，显著体现了玄武岩纤维的桥联效应。此外，玄武岩纤维提高了骨料与砂浆间吸附黏结力，强化了薄弱层[13]，大部分骨料被拉断，构件依然能够保持一定的整体性。

图5 劈裂抗拉破坏形态Fig.5 Splitting tensile failure form

2.3 抗氯离子渗透性

由试验数据可得不同掺量玄武岩纤维混凝土电通量如图6所示。混凝土抗氯离子渗透性能评价表如表3 所示。由图6 可知不同玄武岩纤维掺量混凝土电通量变化范围在1 180～1 457 C，其抗氯离子侵蚀性能较好。随着纤维掺量的增多，混凝土电通量逐渐降低，当纤维掺量从0%到0.6%时，电通量降低了277 C。可知随着纤维掺量的增大，混凝土抗氯离子侵蚀性有所提升。

表3 混凝土抗氯离子侵蚀性能评定Table 3 Evaluation of the anti-chloride ion corrosion performance of concrete

图6 玄武岩纤维混凝土电通量Fig.6 Basalt fiber concrete electric flux

影响混凝土电通量的主要因素是孔径以及连通孔隙率，孔径越小、连通孔隙率越低电通量则越低。混凝土硬化前，玄武岩纤维在混凝土内部乱向分布起到“承托”作用，能够有效减少骨料的下沉以及浆体的上浮，即能够降低混凝土的塑性收缩[6]，使混凝土内部孔隙率降低。且玄武岩纤维复杂的空间网络结构增大了混凝土内部水、离子等物质渗透路径的曲折性。研究表明玄武岩纤维的掺入能够使混凝土内部孔隙结构得到细化，形成了大量稳定封闭的微小孔隙，平均孔径下降，连通孔隙率因阻隔而降低[17−19]。故而玄武岩纤维能够提升混凝土抗氯离子渗透性。

2.4 早龄期自由收缩

2.4.1 早龄期收缩机理分析

不同纤维体积掺量混凝土的收缩如图7 所示。由图7可知，玄武岩纤维增强混凝土试样的收缩率均小于基准混凝土，且在一定的纤维掺量范围内，混凝土的收缩率随着纤维掺量的增加而逐渐减小，0.6%纤维掺量的32 d收缩率下降了22.6%，表明玄武岩纤维对混凝土收缩有明显的抑制作用。

图7 玄武岩纤维混凝土收缩率Fig.7 Basalt fiber concrete shrinkage rate

玄武岩纤维主要从力学和湿度这两方面来影响混凝土的收缩，从力学方面来看，玄武岩纤维的弹性模量大且组成与混凝土相似，与混凝土相容性较好。纤维-水泥界面之间的摩擦力限制了水泥因收缩滑过纤维时的运动，故在产生收缩应力时，纤维能够很好地分担一部分应力，从而减少收缩变形[20-21]。从湿度方面来看，覆盖在混凝土表面的纤维可对水分的迁移起到阻碍作用，且混凝土内部纤维增大了水分散失通道的曲折性[22]，从而减少毛细管中因水分迁移所产生的负压导致的干燥收缩。玄武岩纤维吸水性较大，能够增大混凝土保水性和黏聚性，具备内养护功能，进而使混凝土的抗干缩性能提升[7]。此外，当玄武岩纤维桥接收缩裂缝时，部分水泥石开裂时的能量将会因为拉伸纤维所消耗掉，从而起到抑制收缩的作用[23]。并且文献[22, 24]表明玄武岩纤维还可以抵消部分由温度应力引起的收缩。

表4 为不同纤维掺量混凝土在5 d 和32 d 的收缩率。由表4 可知，5 d 时BF60，BF45，BF30，BF15 收缩值相比基准混凝土依次减少59.7%，54.2%，51.5% 和45.8%，32 d 时BF60，BF45，BF30，BF15 收缩值相比基准混凝土分别减少22.6%，16.7%，11.7%和6.7%。32 d龄期时纤维对混凝土抗收缩的改善程度明显弱于5 d 时的改善程度。通过观察图7的收缩率变化趋势可以发现，其随着龄期的增长先快速增加，后趋于平缓，25 d之后时，基准样收缩值已基本不变，而掺纤维混凝土的收缩值仍呈现不同程度的增长，最终导致32 d玄武岩纤维增强混凝土的抗收缩作用减弱。分析原因主要是，早龄期混凝土的水化速率快，而此时混凝土的强度低，不足以抑制因水化反应引起的体积变形而产生较大的收缩，而得益于玄武岩纤维良好的力学性能，纤维可以承受大部分因体积变形产生的收缩应力，因此在早龄期时纤维混凝土的抗收缩性能相比于基准混凝土大幅度提高。到达养护后期，水化反应在基准混凝土中已基本完成，混凝土内部的湿度与环境的湿度也已达到相对平衡，其收缩基本达到稳定状态[22]。而对于掺入玄武岩纤维的混凝土来说，后期时其收缩持续增长的原因是玄武岩纤维易吸水，具有“蓄水池”的作用[22,25]，被纤维吸附的自由水向胶凝材料发生迁移，在混凝土内部湿度与环境湿度达到相对平衡过程中，因水分丧失而继续发生干燥收缩，从而引起相对缓慢的收缩增长。此外，文献[24]表明养护后期，纤维和浆体之间的界面老化，二者间的黏结强度有所减低，故后期纤维混凝土收缩有所增长。

表4 不同纤维掺量混凝土5 d及32 d收缩率Table 4 5 d and 32 d shrinkage rate of concrete with different fiber content

2.4.2 早龄期收缩模型

1) “经典建研模型”考虑到本试验的试验材料、环境参数和试验结果等，本文选取“经典建研模型”[26]为基础模型用来预测基准混凝土的收缩变化。“经典建研模型”的计算式如下所示：

式中：ε0(t)为混凝土收缩基本方程(根据室内试验资料回归分析得出)；β1为相对湿度影响系数；β2为构件尺寸影响系数；β3为养护方法影响系数；β4为粉煤灰掺量影响系数；β5为混凝土强度等级影响系数。

其中，β1和β4可通过文献[26]查表确定其数值均为1.0；β2则通过计算出的体积与面积之比，结合文献[26]所确定的取值范围取值为0.5；由于本试验中试件没有经过养护处理，因此收缩值相比养护处理后的试件会有所增大，故β3放大处理，取为1.2。文献[26]中对β5取值时规定其混凝土强度等级为C20 至C40，而本试验中混凝土强度等级为C60，对于C20 至C60 强度等级的混凝土，其收缩值随着混凝土强度的增大而减小，所以对文献[26]中的β5取值进行放缩处理，取0.9。最终ε0(t)确定其方程形式为：

然后根据先前确定的β1～β5的取值和基准混凝土的试验数据进行拟合，可得a=6.50，b=1.13，相关系数R2=0.985，基准混凝土收缩值的“建研模型”的表达式可以写成：

2）修正后的“经典建研模型”考虑到玄武岩纤维对混凝土收缩的影响，通过引入β参数在式(3)的基础上进行修正，修正后的经典建研模型如下式所示：

式中：εfs(t)为掺入纤维后混凝土的收缩值；β为纤维影响混凝土收缩的相关系数；εs(t)为不掺纤维时混凝土的收缩值。

结合上述收缩机理，玄武岩纤维表现出前期抑制收缩能力较强而后期抑制收缩能力较弱的特点，并且随着纤维掺量增大混凝土收缩逐渐降，因此采用随时间变化的对数函数形式来体现纤维对混凝土收缩的影响。β系数函数表达式如下式所示：

式中：c,d,f为常量；Vf为纤维体积掺量；ts为开始测收缩时的龄期，取为1。

通过玄武岩纤维混凝土收缩试验数据进行拟合，可得c=2.08，d=−81.13，c=1.63，相关系数R2=0.990。故修正后的建研模型为：

不同纤维掺量混凝土收缩测试值与修正经典建研模型的计算值对比见图8，计算精度较高。

图8 玄武岩纤维混凝土收缩试验值与计算值对比Fig.8 Comparison of basalt fiber concrete shrinkage test value and calculated value

2.5 微观结构分析

因纤维掺量为0.3%时，综合性能表现最佳，故选取BF-30 组抗压强度破碎试块进行SEM 电镜扫描(见图9)。玄武岩纤维自身成分主要是硅酸盐，与水泥成分非常接近，二者相容性较好[21]。玄武岩纤维表面具有大量羟基，能够汲取周围水分形成大量氢键，氢键的存在使纤维和混凝土牢固结合，随着水化进行纤维表面会聚集大量水化产物[27]。由图9(a)可知，玄武岩纤维单丝呈现细长圆柱体状，纤维表面附着有水化硅酸钙凝胶状物质，且纤维与基体之间没有明显的界面过渡区，二者之间黏结性较好。

混凝土内部会产生细微裂缝，导致其力学性能下降。由图9(b)可知，玄武岩纤维在基体中分散均匀，未出现明显结团现象。部分纤维贯穿裂缝，消耗裂缝进一步扩展产生的能量，从而提高了混凝土宏观力学性能；与此同时，纤维抑制裂缝开展和连通，减少了有害裂缝和空隙的形成，阻止了外界有害物质的渗入，有效提高混凝土耐久性[28]。观察图9(b)，玄武岩纤维出现拔出与拉断2种破坏模式，纤维拉断后断面呈现出片状撕裂形态，且留下了纤维拔出的痕迹。即玄武岩纤维在外部荷载作用下承担了部分应力：1) 纤维自身强度；2)纤维与混凝土界面间黏结力。