玄武岩纤维自密实混凝土的配制及性能研究

潘慧敏，赵庆新

(燕山大学 建筑工程与力学学院，河北 秦皇岛 066004)

自密实混凝土(Self-Compacting Concrete，简称SCC)拌和物具有良好的工作性，在密集配筋条件下，无需振捣，仅靠混凝土自重，便能均匀密实成型。自密实混凝土的应用可以解决传统混凝土施工的漏振、过振，以及钢筋密集难以振捣等问题，还将大大降低施工噪音，减少能源消耗。因此，自密实混凝土是高性能钢筋混凝土发展的热门课题之一[1-2]。

自密实混凝土同样具有普通混凝土的缺点，如化学收缩和干燥收缩等原因引起的混凝土内部微裂纹。这些微裂纹的存在会导致混凝土受力时产生应力集中，从而降低混凝土强度。为克服这一缺陷，纤维增强混凝土的应用日益增多。研究表明[3]，在混凝土中掺入钢纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维、尼龙纤维等，可有效提高混凝土的强度及抗裂性能。

玄武岩纤维(Basalt Fiber)是一种新的混凝土增强材料，由纯天然的火山岩(含玄武岩)矿石经高温熔融、拉丝而成，是典型的硅酸盐纤维，具有性价比高、抗拉强度高、耐腐蚀、耐高温、抗裂性能好等优点，是其它材料的良好替代品。玄武岩纤维应用在混凝土中，与碳纤维等相比，有性价比优势，其试验研究具有一定的理论意义和实用价值[4-6]。但是，纤维的加入会使新拌混凝土的黏聚性增大，坍落度和流动性下降，对混凝土的工作性产生影响。因此，如何将自密实和纤维增强两种混凝土技术很好地结合起来，更好地将混凝土应用于特殊工况有着重要意义[6]。本文研究不同玄武岩纤维掺量下自密实混凝土的配制方法及玄武岩纤维对混凝土力学性能的影响。

1 试验概况

1.1 原材料

试验用原材料为:P·O 42.5普通硅酸盐水泥;秦皇岛热电厂产Ⅱ级粉煤灰;辽宁绥中洁净河砂，细度模数2.9;破碎石灰石，5～20 mm连续级配;横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司生产的短切玄武岩纤维，其性能指标见表1;UNF-5萘系高效减水剂，减水率为20%。

表1 玄武岩纤维的物理力学性能指标

1.2 混凝土配合比

本试验从自密实混凝土的制备原理入手，对砂率、胶凝材料用量、粉煤灰掺量等影响自密实混凝土工作性的因素进行了系统的试验分析，经优化，得到性能稳定的C40自密实混凝土基准配合比，见表2。在保持基准配比的基础上，玄武岩纤维掺量分别为 0，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 kg/m3。

表2 C40自密实混凝土基准配合比 kg/m3

1.3 纤维混凝土制备方法

先将纤维与砂、石、水泥干拌1.0～1.5 min，使玄武岩纤维均匀分布于混凝土中，再加水湿拌，全部搅拌时间较普通混凝土延长1～2 min。

1.4 试验方法

本试验对混凝土进行自密实性检测及基本力学性能测试。新拌混凝土自密实性包括填充性、间隙通过性和抗离析性。本试验采用坍落度筒法及自制的自密实能力测试仪测定混凝土的工作性[7]。自密实能力测试仪示意图见图1。测试方法为:将方箱内的钢筋笼摆正，固定好上盒，装入新拌混凝土，5 min后将方箱放在振动台上，测量上盒中混凝土振动前后的距离差，计算混凝土的体积变化。振动后体积与振动前体积之比即为混凝土的自密实程度。

混凝土抗压、抗折性能试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)实施。

图1 混凝土自密实能力测试仪示意

2 试验结果与分析

2.1 自密实混凝土配合比调整

对不同玄武岩纤维掺量的自密实混凝土进行工作性测试，结果见表3。

表3 玄武岩纤维自密实混凝土的工作性

由表3可知，混凝土中掺入1.5～3.0 kg/m3的玄武岩纤维，会导致新拌混凝土坍落度下降，扩展度减小，自密实程度降低，且变化幅度随纤维掺量的增加而相应地增大。

为使自密实纤维混凝土满足工作性要求，本文在基准配比的基础上，选择玄武岩纤维掺量为2 kg/m3的混凝土，对其砂率、胶凝材料用量、水胶比进行了单独调整，砂率(代号 SP)调整为47%，50%，胶凝材料用量(代号 C)调整为 530 kg/m3、550 kg/m3，水胶比(代号C/W)调整为0.40。调整后的坍落度、扩展度、自密实程度变化见图2～图4。

图2 坍落度变化

图3 扩展度变化

图4 自密实程度变化

由图2～图4可见:①砂率增大至47%后，坍落度和扩展度增大，自密实程度增强。当砂率增加至50%后，扩展度反而减小，自密实程度也有所降低。由此可见，和普通混凝土相似，纤维自密实混凝土也同样存在着合理砂率的问题。②随着胶凝材料用量的增加，混凝土的坍落度和扩展度相应增加，自密实程度增强。这说明增加胶凝材料用量也是实现纤维自密实混凝土的有效途径之一。但由于水泥等胶凝材料与混凝土其它组分相比单价高，故增加胶凝材料用量势必会导致混凝土单方造价的大幅提升。同时，国内外研究也表明[8]，混凝土中胶凝材料用量的增加，尤其是水泥用量的增加，会提高因水化热带来的内部温升和开裂倾向，硬化混凝土收缩徐变也会随之增大，导致体积安定性不良。因此，从技术和经济两方面考虑，自密实混凝土的胶凝材料用量宜控制在450～550 kg/m3。③当水胶比提高到0.40后，新拌混凝土的坍落度、扩展度、自密实程度有所提高，但试验过程中发现，该新拌混凝土出现离析现象，且泌水严重。因此，为保证混凝土硬化后的质量和强度等级，用加大用水量来提高自密实性的办法是不可行的。

本试验对玄武岩纤维掺量为2 kg/m3的新拌混凝土进行了调整。结果表明，随着纤维掺量的增大，混凝土的工作性、自密实程度会减低，但通过调整各组分配比，可使纤维掺量较大的混凝土达到自密实，从而将自密实与纤维增强两种混凝土技术较好的结合。

2.2 玄武岩纤维对混凝土力学性能的影响

纤维自密实混凝土抗压、抗折强度随纤维掺量的变化如图5所示。

图5 纤维自密实混凝土抗压、抗折强度与纤维掺量的关系

从图5可以看出，掺入玄武岩纤维后，自密实混凝土的抗压、抗折强度均有不同程度的提高，最大增幅均达到20%。

由图5也可以看出，随着玄武岩纤维掺量的增加，起初，抗压、抗折强度成上升态势，但是，当掺量达到2.0～2.5 kg/m3后，抗压、抗折强度又有下降的趋势。因此，随着纤维掺量的变化，抗压、抗折强度均存在一个峰值范围。

纤维的掺入量对混凝土抗压、抗折强度的影响并不是随着掺量增大而增强，其主要原因是，当纤维掺量达到最合适的比例后，再掺入纤维，会破坏已经形成的混凝土内部的最佳的构造，纤维的比表面积增加较大，纤维不能被足够的浆体包裹，使得混凝土的密实度下降，内部缺陷增多，易出现微裂缝和气孔[5]，尤其当纤维掺量较大时，会造成混凝土强度略有下降。

玄武岩纤维对混凝土力学性能的影响源于其阻裂效应和弱界面效应的共同作用。阻裂效应是指分散的纤维减缓粗集料的下沉和水的上升，从而阻碍沉降裂缝的形成，控制混凝土硬化初期由于离析、泌水收缩等因素形成的原生裂隙并减小其数量和尺度。这对混凝土后期力学性能是有利的。弱界面效应是由于玄武岩纤维细度高、比表面积大，使混凝土中形成大量纤维—混凝土基体界面。该界面具有比基材更高的水灰比，导致混凝土孔隙率增大，对混凝土力学性能产生不利影响。随着纤维掺量的增加，纤维在混凝土基体的均匀分散性变差，弱界面效应变得更明显。因此，纤维掺量较低时，其阻裂效应大于弱界面效应，使得混凝土的抗压强度略有提高。当纤维掺量较高，尤其是 ＞2.5 kg/m3时，纤维对混凝土的弱界面效应大于阻裂效应，使得抗压强度有所降低。

3 结论

1)在基准配合比的基础上，通过调整砂率、增加胶凝材料用量、增加用水量、增加高效减水剂用量等措施，可以完成纤维自密实混凝土的配制，并使其达到自密实。这对将玄武岩纤维混凝土更好地用于特殊工况、不易振捣或修复工程中，有着重要意义。

2)玄武岩纤维对混凝土力学性能的影响源于其阻裂效应和弱界面效应的共同作用。本试验表明，玄武岩纤维掺量较低时，纤维自密实混凝土的力学强度有所提高;当掺量较高，尤其是大于2.5 kg/m3时，玄武岩纤维对自密实混凝土的力学性能产生不良影响。

[1]刘竞，邓德华，赵腾龙.聚丙烯纤维自密实高性能混凝土的配制及性能[J].人民长江，2007，38(11):74-77.

[2]刘霞，吴冬，王兴辉.自密实混凝土在国家体育场的研究和应用[J].混凝土，2008(1):107-111.

[3]李韧，毕重，王玉，等.短切玄武岩纤维自密实混凝土力学性能的试验研究[J].混凝土与水泥制品，2008(2):48-50.

[4]崔毅华.玄武岩连续纤维的基本特性[J].纺织学报，2005，26(5):120-121.

[5]李为民，许金余.玄武岩纤维对混凝土的增强和增韧效应[J].硅酸盐学报，2008，36(4):476-486.

[6]PAVLOVSKI D，MISLAVSKY B，ANTONNOV A.CNG cylinder manufacturers test basalt fiber[J].Reinf Plas，2007(4):36-39.

[7]赵庆新.C40自密实高性能混凝土性能研究与配合比预测[D].秦皇岛:燕山大学，2002:23-25.

[8]吴中伟，廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社，1999.