玄武岩纤维长度对喷射混凝土抗碳化和抗渗性能影响的试验研究

2022-11-09王先刚

四川建筑 2022年5期

王先刚，杨柳

(四川炬原玄武岩纤维科技有限公司，四川达州 635000)

喷射混凝土材料常用于隧道及巷道工程的初期和永久支护，但由于其施作方法特殊会在结构内部产生更多的微裂隙，降低结构的力学性能[1-3]。玄武岩纤维作为一种新型材料[4],正被广泛应用于工程领域。

有大量学者[5-7]对酸碱环境对玄武岩耐久性的影响进行了研究；苏青青[8]针对玄武岩纤维和聚丙烯纤维抗渗性进行了研究，确定了二者抗渗性皆优于普通混凝土，但聚丙烯纤维效果稍强；尹玉龙[9]研究玄武岩纤维单掺以及与矿物掺合料混掺对混凝土的力学性能、耐久性能的影响，并通过微观检测技术，从微观角度结合宏观性能进行相关机理分析；陈峰等[10]通过渗透性试验、抗氯离子渗透性试验和扫描电镜试验进行研究玄武岩纤维对水泥土抗渗性的影响，掺入质量分数分别为0、0.5%、1.0%和1.5%的玄武岩纤维，得到玄武岩纤维水泥土的渗透系数和电通量值，获得了最优的掺量值；张克纯[11]通过配合比方法设计10组混凝土试块,进行抗渗、抗裂和抗压性能测试，研究了聚丙烯纤维和玄武岩纤维对混凝土耐久性性能的影响。王海良等[12]及曹磊[13]对冻融循环作用下的玄武岩纤维混凝土耐久性影响进行了研究；郭瑞晋[14]对不同高温环境作用后的玄武岩纤维混凝土的力学性能进行了研究；胡婧[15]采用快速氯离子迁移系数法、快冻法对玄武岩纤维混凝土的抗氯离子渗透性能及抗冻性能进行研究，得到纤维高强混凝土的氯离子扩散系数与纤维体积率的关系式及冻融损伤模型。

综上所述，目前对玄武岩混凝土耐久性的研究多局限于对其抗渗性能、抗冻性能的研究以及酸碱性状态下玄武岩混凝土的耐久影响，对玄武岩纤维长度对其耐久性影响的研究较少。本文通过设计不同长度玄武岩纤维下的混凝土工况，从抗水渗透性能，抗碳化性能2个方面对其进行测试分析，得到对不同长度玄武岩纤维对玄武岩混凝土耐久性的影响程度，并从微观层面对其成因进行分析。

1 试验设计

本次试验所使用的3种规格的玄武岩纤维均是由连续玄武岩原丝短切而成的，纤维如图1所示。具体指标详见表1，配合比、材料用量及部分材料参数详见表2。

图1 玄武岩纤维

表1 玄武岩纤维性能指标

将掺入不同长度(6 mm、16 mm、50 mm)玄武岩纤维的喷射混凝土、素喷射混凝土共分为4组工况，详见表3。并对不同工况喷射混凝土展开力学和耐久性试验探究，试验内容见表4。

2 试验流程

试验中所使用的试件拌和、喷射、切割及养护均按照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》和CECS13：2009《纤维混凝土试验方法标准》中规定执行。拌和玄武岩纤维混凝土时为防止纤维“团聚”，采用“二次搅拌法”，先将纤维与骨料、水泥干拌均匀后，再添加水、外加剂进行湿拌。喷射试件在养护28天，切割成型之后，按表4中规范要求进行试验。耐久性试验中抗水渗透试验选择规范中的“逐级加压法”，抗冻试验选择“快冻法”(图2、图3)。

表2 配合比及材料用量

表4 试验内容单位:mm

图2 纤维喷射混凝土板制备

3 试验结果

3.1 抗水渗透试验分析

抗渗试验部分试件如图4所示，依照试验规范中“逐级加压法”进行试验后，试验结果见表5。

图3 实验流程

图4 抗渗试验部分试件

从表5可知，所有工况试件的抗渗等级均大于P12，都具有良好的抗渗性能，为进一步比较抗渗性能的优劣，以渗水时的静水压力作为抗渗能力的评价指标进行比较。可以看到玄武岩纤维掺入可以有效提高混凝土的抗渗能力，纤维长度对混凝土抗渗能力有影响，3种长度抗渗能力：BF16>BF6>

表5 抗渗试验结果

图5 静水压力增幅百分比

BF50(表6)。

为进一步分析不同纤维对喷射混凝土的抗渗能力提升效果普通混凝土组作为基础，计算不同工况的提升百分比，并作柱状图如图5所示。

从图5可以更加清晰的看出各个工况相较于普通喷射混凝土试件的抗渗能力增幅情况，3种长度玄武岩纤维抗渗能力增幅分别为30%、46%、16%，BF16增幅最大，BF50增幅最小仅为BF16的1/3。

表6 不同工况平均静水压力

在混凝土中掺入纤维后，由于其杂乱地分布在混凝土中，形成了空间网状结构，减少了新拌混凝土的离析，提高了混凝土的保水性，减少了硬化后混凝土中的孔道与缺陷，从而提高了混凝土的抗渗性；另一方面，由于保水性的改善使得水泥浆体在混凝土中的水化更加均匀、彻底，抗渗性得到提高。此外，纤维可有效抑制混凝土早期裂缝的产生与发展，减少混凝土中的缺陷，从而改善混凝土的抗渗性。不同长度的玄武岩纤维对抗渗能力的作用效果不同，主要原因在于不通长度纤维在混凝土基体中的分散均匀性不同，长度越长，分散越不均匀，对性能提升效果越差，BF50纤维长度过长，分散不均匀，抗渗能力最差；而一定长度的纤维在混凝土中起到桥接裂缝的作用，纤维长度越短，此效果越不明显，所以BF16增大大于BF6。

3.2 抗碳化试验分析

当碳化时间到达3天、7天、14天和28天时，分别取出试件，破型测定碳化深度，部分破型试块照片见图6。

图6 玄武岩纤维混凝土碳化破型试块

根据数据结果绘制各工况各测量面碳化深度曲线，如图7所示。

图7 不同工况不同检测面碳化深度

从图7中可以看到，由于喷射混凝土的不均匀性，同工况试件的不同检测面的碳化深度存在不均匀性，但整体满足，顶面碳化深度最深、碳化速度最快、底面次之，顶面碳化深度和速度最小的特点，此规律对于各种工况试件都适用，表明此规律是普遍适用于喷射混凝土试件的，与是否加入纤维无明显联系。分析原因为：考虑施工工艺的影响，施工工艺主要通过影响混凝土的密实性来影响其碳化性能，喷射混凝土成型过程中其拌合料以较高速度喷向受喷面，水泥与骨料受到连续冲击得以压实，提高了混凝土的密实性，因此碳化速度较慢；同时由于施工时回弹料的裹入、含水量人为控制等都可能造成其均质性降低，尤其沿垂直喷射方向(试件侧面)易出现孔洞、未水化夹层等缺陷使得混凝土局部密实度降低，抗碳化性能下降，故试件侧面的碳化深度较大。其次，喷射初期由于料束与岩壁(模底)发生碰撞，回弹较大，混凝土密实度较低，而喷层达一定厚度时便形成塑性垫层，料束粘结性能增强、回弹降低、密实度提高，因此试件顶面的碳化速度低于底面(图8)。

图8 缺陷较明显试件

从图8可以看到，随着碳化时间的增长，混凝土碳化深度变化情况满足逐渐增大的趋势，不同工况的变化趋势存在些许差异。其中BF50掺入混凝土对混凝土抗碳化起负作用，14天龄期之前碳化深度增长较快，14天后几乎无明显增长，原因是BF50因尺寸较大，前期在混凝土基体中分散较其余工况更加不均匀，横跨水泥基体和骨料，形成部分微裂缝，并且随着碳化时间的增长，CO2较容易沿微裂缝侵入混凝土内，在14天左右时间已经完成大部分侵入，后续增加碳化时间，影响较小。

SF掺入混凝土中，对混凝土抗碳化性能增幅最大，SF工况碳化深度变化规律与BF50工况较为相似，满足前期增幅大，后期增幅较小的效果。

BF6、BF16掺入混凝土后混凝土碳化深度随龄期增长规律与普通混凝土组相近，整体增长幅度较为均匀，随时间增长幅度逐渐减小。对比发现，3天时除BF50碳化深度较其他工况组深，其他各组碳化深度相差不大，早期钢纤维体现较好的抗碳化性能，相较于普通混凝土，减少了72.3%，BF6和BF16组虽有降低，但幅度较小。

7天、14天及28天时，玄武岩纤维的碳化深度整体规律接近，说明BF对抗碳化能力的提高能力较为稳定，14天时钢纤维碳化深度与BF6和BF16较为接近，较7天时增幅较大，而28天时较14天增幅较小，说明SF对混凝土抗碳化能力的提升，早期较为明显。

纤维增强混凝土抗碳化性能主要表现在空隙填充和减少裂隙2个方面。一方面，混凝土作为一种复合材料，本身存在很多相互连通的孔洞;一定量纤维的掺入，在其内部形成复杂的三维乱向体系，乱相分布的纤维能够阻碍粗骨料的下沉，使混凝土内部更加均匀，减少混凝土中的固有孔洞，从而提高混凝土密实度。钢纤维因为具有较高的基础强度，在支撑粗骨料，防止其下沉方面具有更好的效果，而粗骨料下沉阶段发生与混凝土早期，因此早期钢纤维具有较好的作用效果，与试验结果相符。

纤维的掺入还可以减小混凝土碳化速率。混凝土碳化后，碳化产物填充孔隙、改善颗粒界面结构，大孔隙相对减少，孔径分布较为均匀，纤维的掺入降低了混凝土基体的总孔率，隔断了部分水分溢出的通道，减少了内部水分的流失和蒸发速度，使混凝土内部水化更加充分，为混凝土碳化提供了更多的原料，生成更多的CaCO3来填充孔隙，减缓后期CO2的侵入，减小了混凝土的碳化速率。

大量分布在砂浆中的纤维会使砂浆中的毛细孔变小，毛细管细化甚至堵塞，另外，纤维的加入减少或阻止了混凝土中裂缝的形成、生长及扩展，并阻断裂纹的连通，也就是说，在纤维混凝土中，纤维削弱了CO2的扩散途径，抑制了CO2的扩散，故纤维混凝土的抗碳化能力高于基准混凝土。