BFCC力学性能及抗冻性能试验研究

张淑艳，雒祥虎，张如一，闫佳琦

(内蒙古工业大学 土木工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051)

在我国北方寒冷地区，冻融循环作用往往是导致混凝土破坏的主要因素[1-3]，尤其是接触水的道路桥梁工程破坏更为严重[4-6]，随着人类对混凝土材料各项性能要求的提升，各类新型水泥基材料应运而生。

玄武岩纤维水泥基复合材料(Basalt Fiber Cementitious Composites，BFCC)是一种耐久性优异、超高强、具有广阔应用前景的新型建筑材料。战仕利，等[7]研究表明纤维的掺入能有效提高机场道面混凝土的抗冻性能，较引气混凝土相对耐久性指数提高18.6%。鞠彦忠，等[8]研究表明，影响玄武岩纤维混凝土的力学性能和抗冻融性能的最大因素是水胶比，钢纤维含量对其抗压强度和抗冻性能的影响并不明显，而对其抗折强度和劈裂强度影响较大。李馨，等[9]研究了水灰比对硫铝酸盐水泥砂浆力学强度的影响，发现水灰比对砂浆的抗压强度具有重要作用。黄伟，等[10]通过配制不同钢纤维分布的聚丙烯混凝土，研究其力学性能的变化。结果发现，两种层布式均对混凝土的抗压和抗折强度有所增强，其中双层层布式施工的混凝土强度优于单层层布式。赵燕茹，等[11]研究表明冻融循环后混凝土相对动弹性模量、抗压强度和抗冻耐久性系数均逐渐下降。同时玄武岩纤维作为水泥基材料的增强材料也有学者进行了大量研究[12]，唐明，等[13]以玄武岩纤维为增强材料，探究了玄武岩纤维、水胶比等因素对水泥基复合材料抗压、抗折强度的影响。研究发现，玄武岩纤维作为水泥基复合材料的增强组分有很好的抗折增强效应，纤维掺量相比水胶比等其他因素对不同龄期的强度影响是显著的。张娜，等[14]的研究结果表明，在霍普金森压杆相近应变率下，玄武岩纤维增强水泥基复合材料抗压强度随纤维掺量增加而提高;随纤维掺量的增加，其韧度系数上升速率也逐渐增大。

本文通过对BFCC进行力学性能试验和抗冻性能试验，研究不同水胶比和不同玄武岩纤维掺量对其力学性能和抗冻性能的影响，反映出BFCC在工程中的实际应用情况，对路桥表面冻融破坏问题和保证车辆安全通行有重要意义。

1 试验材料及方法

1.1 原材料及配合比

水泥，P.O 42.5；硅灰，永兴硅灰，灰白色细粉；粉煤灰，Ⅱ级粉煤灰；石英砂，粒径范围为0.25～0.45mm；水，自来水；玄武岩纤维，抗拉强度为4256MPa；减水剂，聚羧酸系JSM-1型高效减水剂。BFCC的配合比见表1。

表1 BFCC配合比(kg/m3)

1.2 试验方法

抗压、抗折强度试验按照GBT50081-2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》中相关规定进行，抗压试验加载速率为1.2～1.4MPa/s，试件尺寸为100mm×100mm×100mm；抗折试验加载速率为0.08～0.1MPa/s，试件尺寸为100mm×100mm×400mm。

快速冻融试验：根据GBT50082-2019《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中相关规定进行BFCC的快速冻融试验。试件尺寸为100mm×100mm×400mm，选取冻融介质为水，测试不同冻融循环次数下BFCC的质量损失率和相对动弹性模量。

孔结构试验：试件尺为Ф100mm×10mm的薄片，采用RapidAir 457硬化混凝土气孔结构分析仪对经历不同冻融次数后的BFCC试件进行试验以得到含气量。

2 试验结果分析

2.1 BFCC的力学性能

(a)不同水胶比

BFCC的抗压强度与抗折强度的试验结果如图1所示。图1(a)可以看出，随着水胶比的增加BFCC的抗压强度和抗折强度均呈下降趋势，抗压强度几乎呈线性下降，抗折强度整体大致呈上凸形，即水胶比较大时抗折强度损失较严重。当水胶比从0.18增加到0.3时，抗压强度损失率达25%，抗折强度损失率达38%，说明水胶比对BFCC的抗折强度影响更为明显。

如图1(b)所示，BFCC的抗压强度和抗折强度随着玄武岩纤维掺量的增加呈现出先增加后降低的规律，并且纤维的加入对BFCC的抗压强度和抗折强度的影响不是正相关。原因是当纤维掺量达到最佳配比之后，再次加入纤维会破坏BFCC最合理的内部构造。由于纤维的比表面积增加较大，纤维不能完全被水泥浆体包裹，使得BFCC内部缺陷较多，容易出现气孔和微裂缝，当加入过多纤维时，不会提高其力学强度，反而会使强度略有下降。

2.2 BFCC的抗冻性能

质量损失率和相对动弹性模量为评价水泥基材料抗冻性的主要指标。BFCC的质量损失率和相对动弹性模量的变化曲线如图2所示。

图2(a)为不同水胶比下A组试件在冻融循环作用下质量损失率和相对动弹性模量的变化曲线。如图2(a)所示，A1-A4组在300次冻融循环作用下，质量损失率仅有轻微的浮动，水胶比为0.3时，试件质量损失率随冻融循环次数的增加而增加，并且在冻融循环次数达到250次时发生破坏。由此可得，BFCC抗冻性能和水胶比呈反比，所以在选取抗冻性能较好的水泥基复合材料时，应优先考虑较低的水胶比(0.18和0.21)。A1-A3组的试件相对动弹性模量基本保持不变，水胶比为0.27，冻融循环次数达到200次时，相对动弹性模量急剧下降，直至试件失效，水胶比为0.3，在冻融循环次数达到250次时出现下降趋势，但300次之前仍在70%以上。这是因为水泥基复合材料随水胶比增加，试件在凝结硬化过程中，内部多余水分散失，造成其内部孔隙、裂缝和连通孔等缺陷增多，最终导致混凝土抗冻性能变差。

(a)水胶比

图2(b)为不同纤维掺量下B组试件在冻融循环作用下质量损失率和相对动弹性模量的变化曲线。从图中可以看出纤维掺量为3%和4%时，试件质量损失率变化较为稳定，纤维掺量为0、2%和5%时，质量损失率变化较大，说明玄武岩纤维掺量为0、2%、5%时的BFCC抗冻性能较差。究其原因是在BFCC中加入玄武岩纤维，能够在机体内部形成均匀分布的空间“骨架”，可以有效地延缓并一直到裂缝的出现和发展，从而提高基体的密实度，进而水泥基材料的抗冻性能得到了提升。B组试件的相对动弹性模量变化与质量损失率变化规律一致，纤维掺量为3%时，冻融循环后相对动弹性模量曲线变化斜率最缓，纤维掺量为2%、4%、5%时曲线变化斜率均较大。

从图2中可以看出，水胶比为变量时，其质量损失率和相对动弹性模量变化范围和幅度更大，而以玄武岩纤维掺量为变量时，各项冻融指标变化规律较为接近，差别不是很大。由此得出水胶比对BFCC的抗冻性能影响要比玄武岩纤维掺量的影响大，但玄武岩纤维对BFCC的抗冻性能有改善和提高的作用。

2.3 含气量对BFCC力学性能和抗冻性能的影响

图3是含气量对BFCC的抗压抗折强度的影响曲线。如图3所示，随含气量增加，其抗压和抗折强度逐渐降低，近似呈线性规律。这是因为混凝土水化过程中需要的水量是一定的，随着用水量的增大，硬化后的混凝土含气量增加，而含气量的增加BFCC内部孔隙增多，密实度下降，内部薄弱环节增多，因此出现承压抗折能力下降。

图4表示不同水胶比和纤维掺量下的含气量的变化规律。如图4所示，当A组试件水胶比以0.03递增，水胶比变化量非常小，但基体的含气量却有非常大的变化量，说明BFCC易受水胶比的影响，且A试验组中玄武岩纤维水泥基材料的水胶比与含气量正相关，这是由于随着水胶比的增大，混凝土试件在凝结硬化过程中，多余水分散失量会增大，因而导致玄武岩纤维水泥基材料的孔隙率增加即含气量增加。

图4中的B组试验组可以看到BFCC的含气量随玄武岩纤维掺量的增加呈现出先减小后增加的规律。说明复合材料中的纤维掺入量不是越多越好，适量纤维掺入可以有效阻止水泥基材料基体内部微裂缝和缺陷，但过多掺入纤维就会破坏水泥基材料基体内部构造。由于纤维比表面积比较大，当纤维掺量较大时，纤维不足以被浆体包裹完全，使得BFCC内部缺陷增多易出现气孔和微裂缝。

图3 含气量对玄武岩纤维水泥基材料的抗压抗折强度的影响曲线

图4 不同水胶比和纤维掺量下的含气量

3 结论

(1) BFCC的抗压强度和抗折强度随着水胶比的增大、随玄武岩纤维掺量增加而呈现降低的趋势。

(2) 经历300次冻融循环后，BFCC在低水胶比(0.18和0.21)的情况下，其质量损失和相对动弹性模量变化较小；在水胶比0.3的情况下，其质量损失和相对动弹性模量有较大幅度降低。

(3) BFCC随玄武岩纤维掺量的增加其抗冻性能呈现出先提高后下降的规律。其中纤维掺量为3%和4%时BFCC的抗冻性能最好。

(4) 随含气量增加，BFCC抗压强度和抗折强度呈近似线性降低趋势；水胶比增加，BFCC含气量随之增加；玄武岩纤维增加，BFCC含气量呈先减小后增加趋势。