玄武岩纤维对水泥砂浆的性能影响

赵云飞

(合肥工业大学，安徽 合肥 230009)

0 引 言

水泥及材料的破坏过程具有多层次特性，表现为由起初微米级别的裂缝在荷载作用下不断扩大转化为微观裂缝，裂缝继续扩大最终变化为宏观裂缝进而发生破坏[1]。玄武岩纤维是一种新型无机纤维材料，是火山爆发形成的一种玻璃态的玄武岩矿石经高温熔融后快速拉制而成的纤维，具有抗压强度高、弹性模量大、耐腐蚀和化学稳定性好等优良特性[2]。大量文献表明在水泥基材料中掺加玄武岩纤维能有效加强混凝土的力学性能[3，4]。而水泥混凝土等以水泥为胶结料的混合材料主要依赖水泥和细集料的胶结作用，因此有必要研究玄武岩纤维与水泥和细集料的胶结作用及机制，确定合适的纤维长度和纤维掺量，以期为实际工程提供依据。

1 原材料及试件制作

1.1 原材料

(1)玄武岩纤维。本实验选用的玄武岩纤维为短切玄武岩纤维，长度选用6 mm、12 mm和20 mm，其主要性能见表1。其他原材料：P.O.42.5R水泥；ISO标准砂；饮用自来水。

表1 玄武岩纤维物理力学性能

1.2 砂浆配合比设计

根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》[5]，试验采用配合比为:水泥与ISO砂质量比为1∶3，水灰比为0.5。基准值配合比为:水泥∶标准砂∶水=450 g∶1 350 g∶225 ml。

1.3 试件制作与养护

按配合比将水泥、标准砂、水、玄武岩纤维进行搅拌，搅拌后装入模具采用振动台成型，试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。将试模放入养护箱养护，20～24 h后脱模。

2 试验内容及试验结果

2.1 试件抗折强度试验

根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》,以中心荷载法测定抗折强度，采用杠杆式康泽试验机进行试验。普通水泥砂浆及掺加不同长度的玄武岩纤维的水泥砂浆的抗折强度试验结果见表2，并如图1、图2所示。

表2 抗折强度试验结果

图1 纤维长度对砂浆抗折强度的影响

图2 纤维掺量对砂浆抗折强度的影响

由表2和图1可知掺加不同长度的纤维后，水泥砂浆试件的7 d抗折强度均有提高。在掺量为0.5‰时，掺不同长度玄武岩纤维的砂浆的7 d抗折强度分别提高了5.2%、17.2%、19.0%。在掺量为0.5‰时，掺6 mm和20 mm玄武岩纤维的砂浆的28 d抗折强度提高5.3%，而掺12 mm玄武岩纤维的砂浆的28 d抗折强度无变化。因此掺加玄武岩纤维可以明显提高水泥砂浆试件早期强度，但是对于后期强度影响无一致性的规律。从图2可知，对于同一种纤维，随着纤维掺量增加，其抗折强度随之下降，并且掺入的纤维越长则受掺量增加的影响越大。

2.2 试件抗压强度试验

抗折试验后的断块立即进行抗压试验，试件受压面为试件成型时的两个侧面。普通水泥砂浆及掺加玄武岩纤维水泥砂浆的抗压强度试验结果见表3,并如图3、图4所示。

图3 纤维长度对砂浆抗压强度的影响

图4 纤维掺量对砂浆抗压强度的影响

表3 抗压强度试验结果

由表3和图3可知掺加不同长度的纤维后，水泥砂浆试件的7 d抗压强度下降，28 d抗压强度提高。在掺量为0.5‰时，掺6 mm玄武岩纤维的砂浆的7 d抗压强度下降了5.5%，掺12 mm玄武岩纤维的砂浆的7 d抗压强度下降了4.7%，掺20 mm玄武岩纤维的砂浆的7 d抗压强度下降了9.6%。在掺量为0.5‰时，掺6 mm玄武岩纤维的砂浆的28 d抗压强度提高了10.3%，掺12 mm玄武岩纤维的砂浆的28 d抗压强度提高了10.6%，掺20 mm玄武岩纤维的砂浆的28 d抗压强度提高了12.7%。因此掺加玄武纤维对水泥砂浆早期抗压强度提升效果不明显，对砂浆后期抗压强度有较大提高。

由图4可知，掺6 mm玄武岩纤维的砂浆在掺量为0.5‰和1.0‰时抗压强度变化较小，当掺量超过1.0‰时抗压强度明显下降；掺12 mm玄武岩纤维的砂浆抗压强度受掺量影响不大；掺20 mm玄武岩纤维的砂浆抗压强度随掺量增加而下降。

3 结论分析

(1)实验结果表明，掺量为0.50‰的20 mm玄武岩纤维对水泥砂浆试件的增强作用最佳:7 d抗折强度提升19.0%，28 d抗折强度提高2.6%，28 d抗压强度提高12.7%。

(2) 不同长度的玄武岩纤维在0.5‰掺量时表现出较好的增强作用。当掺量大于0.5‰时，均表现出随掺量增大而强度下降的现象。

(3) 早期由于水化作用不充分，纤维与胶砂联结作用不强形成薄弱面导致早期抗压强度下降；后期水化作用充分，纤维和基体联结加强，抗压能力也随之加强。在抗折试验中，断面表面纤维多被拔出，可见纤维增强基体抗折强度主要由纤维抵抗拔出的能力决定，但纤维与基体联结作用的加强对抗拔能力的提升有限，所以表现出后期抗折强度提升不明显。当纤维掺量增大时，在搅拌过程中不易分散可能形成结团从而在砂浆中形成空洞导致强度下降。