玄武岩纤维长度对碱激发—矿渣砂浆性能的影响★

缪 贵 福

(淮南市政工程公司，安徽 淮南 232007)

0 引言

矿渣作为钢铁工业的副产品可通过碱性物质激发，成为一种替代水泥的胶凝材料，与普通硅酸盐水泥相比，具有良好的机械性能和优异的化学耐久性[1,2]。同时，碱激发矿渣的使用可减少由于水泥工业生产而造成的温室气体排放，降低43%的能耗[3]。尽管AAS具有良好的机械性能和环保性能，但由于碱激发矿渣砂浆凝结迅速，工作性能较差，不利于现场施工，同时收缩与水泥混凝土相比较大，容易产生裂缝[4,5]，这些缺点限制了碱激发砂浆的应用。

玄武岩纤维在强度、耐高温、耐酸碱等方面均具有优良的表现[6]。玄武岩纤维可显著改变水泥砂浆强度、收缩及耐久性性能。然而玄武岩纤维对碱激发矿渣砂浆性能影响研究甚少，碱激发体系是建筑行业发展的方向。因此，本试验将玄武岩纤维在同一体积掺量下掺入碱激发—矿渣砂浆，研究纤维长度对砂浆体系的影响。

1 原材料与配合比

1.1 材料

玄武岩纤维长度分别为3 mm，6 mm和9 mm，性能参数如表1所示。矿渣平均粒径17.8 μm，化学成分见表2。砂为淮河黄砂，细度模数为2.6，表观密度2 550 kg/m3。激发剂为氢氧化钠溶液，NsssaOH购自国药集团化学试剂有限公司。水为普通城市自来水。

表1 玄武岩纤维性能指标

表2 矿渣元素成分(wt/%)

1.2 配合比

为研究玄武岩纤维长度对碱激发—矿渣砂浆的影响，选择3种长度(3 mm,6 mm,9 mm)，共设计4组试验，组别代号分别为Con,BF3,BF6,BF9，其中数字代表玄武岩纤维长度。试验配合比如表3所示。玄武岩纤维按0.6%体积掺量，砂率40%，水胶比0.5，采用NaOH/水玻璃复合激发剂，含固量2.0，激发剂模数为2。

表3 砂浆配合比(100g)

2 内容与方法

2.1 工作度

根据规范GB/T 2419—2005[7]砂浆工作度采用跳桌法进行测试，测试开始前将桌面用潮湿抹布进行擦拭，仪器使用前需先进行预实验保证仪器正常。砂浆分两次灌入模具，灌满后用振捣棒振捣排出气泡。竖直提起模具同时打开跳桌开关，自动跳动25次后正交读取砂浆直径，取三次结果的平均值作为砂浆初始扩展度。

2.2 抗压、抗折强度

碱激发砂浆试块的抗压、抗折强度根据ASTM C348进行[8]，砂浆试块尺寸为40 mm×40 mm×160 mm棱柱体，新拌砂浆装模后移入标准养护室(温度23 ℃，相对湿度>95%)养护至相应龄期。测试过程中，先由抗折夹具测试抗折强度，3个试块一组，取平均值作为抗折强度代表值；折后试块由抗压夹具测试抗压强度，6个试块一组，取平均值作为抗压强度代表值。

2.3 自收缩

根据ASTM C1698测试碱激发—矿渣砂浆的自收缩[9]。新拌浆体分3次装入波纹管中，每次装入1/3，分别振动密实后继续装填，装满密封后水平放置在波浪板上移入标准养护室进行标准养护。测试时刻自砂浆初凝开始，测至30 d。自收缩按式(1)计算:

μa=(LT-L0)×106/L0

(1)

其中，LT为测试时试件长度;L0为凝结时刻试件初始长度。

2.4 干缩

碱激发—矿渣砂浆的干缩依据ASTM C596测试[10]。将新拌浆体浇入25 mm×25 mm×285 mm铸铁模具中，并进行标准养护24 h。拆模后，浸入饱和Ca(OH)2溶液中48 h。在龄期为72 h时刻测试各试件初始长度和质量，之后继续测量至4周。3个试块为一组，测试结果取平均值。干缩和质量损失分别按照式(2)，式(3)计算:

μd=(lT-l0)×106/l0

(2)

md=100×(mT-m0)/m0

(3)

其中，lT为试件长度;l0为72 h初始长度;mT为试件质量;m0为72 h初始质量。

3 结果与讨论

3.1 砂浆工作度

玄武岩纤维长度对碱激发砂浆初始扩展度的影响如图1所示。纤维的加入分别使得扩展度降低的由图可知玄武岩的加入降低了砂浆的初始扩展度，且随着长度的增加，工作度损失也相应变大。纤维具有较大的比表面积，长度越长比表面积越大。纤维加入砂浆中纤维表面会与砂浆接触，吸收部分水分；纤维是一种细长丝状物，侧表面有一定的粗糙度，与砂浆接触会产生摩擦，组织新拌砂浆的流动变形；纤维长度增加并且在砂浆中分布具有不均匀性，纤维之间会产生互相搭接和团聚现象，都会降低砂浆的初始扩展度。

3.2 抗压强度

抗压强度结果如图2所示。玄武岩纤维的加入提高了碱激发砂浆前期的强度。1 d,3 d和7 d试验组与空白组对比最多分别提高了6.67%,16.95%,14.46%。由图2可知试验组砂浆强度提高量与掺入纤维长度之间呈正相关关系。纤维的掺入可起到桥接、传递应力的作用，阻碍裂纹扩展和混凝土开裂，限制抗压过程中混凝土在载荷下的尺寸变化，提高混凝土的抗压强度[11]。纤维长度越长，搭接传力效果越显著。但28 d试验组强度提高率与前期相比均呈现下降趋势，BF9组7 d强度提高率低于3 d且在28 d砂浆强度降低了5.59%。因为纤维的加入会吸收部分水分，减小砂浆水灰比，增强了砂浆早期的抗压强度。到了水化后期，水化不充分，无法形成足够的具有强度的结构，导致强度降低。同时砂浆体系中含有纤维会增加孔隙率，导致强度下降。所以，纤维的加入对砂浆体系抗压强度的影响是一种耦合作用，前期主要靠降低水灰比和纤维搭接作用提高强度，后期会因为孔隙的增多和水化不充分损失部分强度。在体掺0.6%纤维的前提下，BF6效果最佳。

3.3 抗折强度

纤维对砂浆抗折强度影响结果如图3所示。纤维的加入明显提高了砂浆的抗折强度。1 d龄期试验组强度均低于空白组，随后几个龄期试验组强度普遍高于空白组。纤维的加入能够提高强度是因为纤维在砂浆中可以起到桥结合锚固作用，延缓裂纹的延展，测试抗折强度时，Con组会立即断裂，试验组试块在断裂处产生裂纹失效后仍为一个整体。BF3组在三个龄期提高率在5%～7%；BF6组在3 d,7 d,28 d分别提高了8.21%,21.62%和21.49%；BF9组在28 d提高了19.29%，但在前期增强效果并不明显。表明纤维长度的增加会增加抗折强度，但存在最优掺量，长度过长会产生缠结团聚，反而会降低砂浆抗折强度。本实验纤维长度为6 mm时效果最优。

3.4 自收缩

纤维对碱激发—砂浆自收缩影响结果如图4所示。Con组自收缩值为1 600 μm，BF3组1 800 μm，自收缩扩大了12.5%，BF6,BF9两组自收缩分别为1 950 μm和2 000 μm，自收缩增加了21.88%和25%。玄武岩纤维导致砂浆自收缩变大，且收缩值随纤维长度增加而增加。自收缩是砂浆在水化过程中因为水分不断消耗，体系内毛细孔隙产生负压导致的砂浆收缩现象。砂浆自收缩变大表明纤维的加入增加了砂浆体系内部毛细孔压力，这是因为纤维吸收体系中部分水化水导致的。但同时也可看出随着纤维长度增加，两组自收缩曲线间距离在不断缩小，说明自收缩增加的速率在变小。表明后期纤维的搭接传力消除了部分自收缩，长度越长，效果越好。

3.5 干缩

纤维砂浆干缩及试件失水率如图5所示。纤维的加入可以抑制干缩的增加，BF9组干缩值最小，与Con组相比减小了6.67%。纤维的吸水保湿效果对砂浆干缩依然有效，这点由水失率图便可看出。由图5可知前7 d所有组别干缩曲线下降较快且趋势一样，但由水失率图可以得出5 d之后砂浆水失率便开始减小，表明纤维的加入在前期的抑缩作用不占主导。干缩值约为1 400 μm，尚未达到1 600 μm，此时体系收缩还是以自收缩为主。随后试验组干缩曲线便开始下降缓慢，纤维的抑缩作用在砂浆中开始凸显，纤维长度越长，效果越好，BF9组效果与BF6组类似。

4 结论

本试验研究了在同一体积掺量(0.6%)下玄武岩纤维长度对碱激发—矿渣砂浆强度和收缩性能的影响，由以上试验内容可以得出以下结论：

1)玄武岩纤维的加入会降低新拌砂浆的工作度，且矿渣砂浆的流动度随着纤维长度的增加而逐渐降低；

2)玄武岩纤维对砂浆的力学性能具有增强效果。砂浆的抗压强度和抗折强度均随着纤维的加入而提高，6 mm的玄武岩纤维对砂浆力学性能的提升幅度最大。BF6组28 d抗压强度提高了5.58%，抗折强度提高了21.49%；

3)玄武岩纤维的加入抑制砂浆的干缩，纤维长度越长，干缩抑制作用越明显。干缩是表征混凝土耐久性能，干缩的下降表明纤维可以提高砂浆的耐久性能；但纤维的加入也会增大砂浆的自收缩。