玄武岩纤维掺量对硅酸盐混凝土力学性能影响

符 德，符 曜，郭春梅

(1.南召县农村公路管理所，河南 南召 474650； 2.南召县交通运输局，河南 南召 474650； 3.南召县人社局，河南 南召 474650)

由于沥青路面具有行车舒适性好、建设周期短等特点，目前高等级公路及城市道路基本都采用沥青路面，但由于沥青混凝土是一种弹塑性材料，在高温天气容易产生车辙等病害，因此对于供重载车辆通行或物流运输路线的道路仍然多采用水泥混凝土路面，水泥混凝土路面具有抗压强度高、板体性好、经济耐久的优点，但由于普通水泥混凝土作为一种刚性材料，具有脆性大、抗拉强度低和易产生裂缝的缺陷[1-5]。大量研究表明，玄武岩纤维在改善水泥混凝土抗拉强度和延缓开裂方面具有很好的效果[6-7]。

玄武岩纤维是利用玄武岩石料经过1 400 ℃以上高温熔融并拉丝而成的无机环保材料，它具有化学性能稳定、耐受高温和力学性能好的特点。有学者研究了玄武岩纤维在改善混凝土密实性和提高混凝土抗裂性能方面具有良好的效果[8]；通过分析玄武岩纤维对于混凝土抗压强度、抗压强度的影响，并建立了玄武岩纤维用量与混凝土力学性能的关系式[9]；通过室内试验研究了玄武岩纤维不同长度和不同掺量对于抗压强度、抗拉强度和抗冻性的影响，并采用核磁共振和扫描电镜微观手段分析了玄武岩纤维在混凝土中的作用机理[10]。为进一步确定玄武岩纤维的最优掺量，为工程实践提供理论支撑，本文以不同掺量的玄武岩纤维对于水泥混凝土各方面力学性能的影响为出发点，进一步研究确定玄武岩纤维的最优用量。

1 原材料与配合比

1.1 原材料性能

水泥作为混凝土的主要结合料，其性质直接影响着水泥混凝土的强度，试验用水泥选择安徽海螺牌42.5R普通硅酸盐水泥，其主要指标性质见表1。纤维材料选用浙江某纤维科技有限公司生产的直径为13 μm、长度为6 mm的玄武岩纤维(简称BF)，其密度为2.63 g/cm3，断裂伸长率为3.2%，弹性模量为90～110 GPa。根据文献[11]～文献[13]的研究，水泥混凝土中掺入粉煤灰可节省水泥用量，降低细骨料比例，一定程度地改善混凝土的和易性，并能降低水化热，选择江西某电力公司提供的II级粉煤灰，粉煤灰活性指数为83.6%，细度为15.3%，需水量比为101.6%，烧失量为4.2%。粗骨料选择粒径为5～20 mm的天然碎石，细骨料选择细度模数为2.7的洁净河沙。减水剂采用聚羧酸盐高性能减水剂，其用量占胶凝材料的1%。

表1 42.5R普通硅酸盐水泥指标性质Tab.1 Index properties of 42.5R ordinary silicate cement

1.2 配合比设计

设计混凝土强度等级为C30，实验室基准配合比采用每立方米混凝土所需原料进行设计，其水胶比为0.40，砂率为0.32，具体原料用量见表2。玄武岩纤维是在基准配合比的基础上采用外掺方式加入到混凝土中，其体积掺量分别为0.1%、0.2%、0.3%和0.4%。

表2 混凝土实验室基准配合比Tab.2 Concrete lab reference mix ratio kg/m3

1.3 试件制备

按实验室基准配合比称取原材料，将碎石、砂和水泥、粉煤灰分别加入搅拌锅拌和60 s并在干拌过程中逐渐加入玄武岩纤维，使纤维均匀分散在混合料中；然后加入称量好的洁净自来水和减水剂再次搅拌180 s，将拌和好的混凝土加入表面涂有脱模剂的干净模具中，固定好模具后放于振动台上振捣至混凝土体积稳定后，采用刀片将试件表面抹平后将试件置于标准养生室内养护24 h后方可拆模，拆模后继续在标准养生室养护至规定龄期即可开始试验。

2 力学性能

混凝土路面在铺筑后其强度增长和硬化速率会受到外界温度及湿度环境的影响，在外界环境的作用下会发生体积収缩并产生裂纹，外界侵蚀性物质会顺着早期裂纹进入混凝土结构内，使裂缝进一步扩展，从而影响混凝土结构的强度和耐久性[14]。为提高混凝土路面的使用耐久性，需要保证混凝土具有足够的力学强度和抗裂性能。本文分别从抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度和早期开裂性能方面对掺玄武岩纤维的混凝土进行试验研究。

2.1 抗压强度

室内成型不同体积掺量0%、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%的规格均为100 mm×100 mm×100 mm试件，采用WHY-3000全自动压力试验机分别测试其养护3、7和28 d的混凝土试件抗压强度，并将试验结果乘尺寸换算系数0.95，其结果如图1所示。

图1 玄武岩纤维掺量对不同龄期混凝土 抗压强度的影响Fig.1 Effect of basalt fiber mixing on the compressive strength of concrete of different ages

从图1可以看出，混凝土抗压强度随养护龄期增加而逐渐增大，在养护龄期为3 d时，掺0.1%玄武岩纤维的混凝土相对于素混凝土抗压强度提升幅度最大。另外，可以发现在任一养护龄期时，加入0.1%玄武岩纤维时的混凝土抗压强度均最大，且当玄武岩纤维掺量大于或等于0.2%后混凝土的抗压强度均有不同程度的减小，对于掺量0.4%玄武岩纤维且养护28 d龄期的混凝土抗压强度相对于素混凝土降低了7.7%。说明少量的玄武岩纤维对于混凝土抗压强度具有改善作用，但玄武岩纤维掺量较大时对于混凝土抗压强度会产生不利影响。此外，在试验过程中发现素混凝土在加压过程中立即破坏，且具有明显的脆性破坏特征；而掺入玄武岩纤维的混凝土破坏过程相对迟缓，且能明显看到混凝土裂纹处存在断裂的纤维，表现出一定的塑性特征。这可能是由于混凝土出现裂纹后，掺入的玄武岩纤维便开始起作用，以抑制裂纹的进一步发展，并且在裂纹扩展过程中纤维断裂也会消耗一部分能量。

2.2 抗折强度

按不同掺量的玄武岩纤维制备成尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的混凝土试件，并采用MTS万能材料试验机对养护3、7和28 d的混凝土试件进行抗折强度试验，并将试验结果乘尺寸换算系数0.85，其结果如图2所示。

图2 玄武岩纤维掺量对不同龄期混凝土 抗折强度的影响Fig.2 Effect of basalt fiber mixing on the bending strength of concrete at different ages

从图2可以看出，由于水泥水化及凝结硬化，混凝土抗折强度随养护龄期增加持续增长。在任一养护龄期，相对于素混凝土而言，掺玄武岩纤维的混凝土抗折强度明显提高，且随着玄武岩纤维掺量增加而呈增大趋势，直到掺量为0.3%时其抗折强度达到了峰值，然而掺量不宜过大，当掺量为0.4%时虽具有改善效果，但开始有所降低。说明掺玄武岩纤维可以一定程度地改善和增强混凝土的抗折强度，但掺量不宜高于0.3%。这可能是由于一定量的纤维可以改善混凝土的密实性，使混凝土内部结构达到最佳状态，而掺量过大时反倒会使这种最佳状态受到破坏[15]，且由于纤维自身较大的比表面积需要更多的水泥浆体包裹；然而纤维掺量过多时会导致部分纤维无法被包裹，混凝土内部致密性受到影响，在界面处就会容易出现裂缝，导致试件过早破坏。

2.3 劈裂抗拉强度

室内成型规格为100 mm×100 mm×100 mm混凝土试件，采用伺服仪分别测试混凝土试件养护期为3、7和28 d的试件破坏时的最大荷载值，然后通过受压面积换算为劈裂抗拉强度值，其结果如图3如示。

图3 玄武岩纤维掺量对不同龄期混凝土劈裂 抗拉强度的影响Fig.3 Effect of basalt fiber mixing on tensile strength of concrete at different ages

从图3可以看出，较素混凝土相比，掺入玄武岩纤维的混凝土劈裂抗拉强度都有了一定幅度的提高，且在不同龄期每种纤维掺量对应的抗拉强度增长幅度有所不同，在龄期为7 d时纤维掺量为0.2%的劈裂抗拉强度最大；在龄期3、28 d时纤维掺量为0.3%的劈裂抗拉强度最大，此时相对于素混凝土的劈裂抗拉强度分别增长了33.5%、21.7%。可以发现，劈裂抗拉强度并非随着纤维掺量增加而持续增长，玄武岩纤维用量存在一个最佳值，超过了最佳用量值，这种改善作用效果会降低；说明玄武岩纤维对于混凝土的劈裂抗拉强度具有改善作用，其用量不宜超过0.3%。其原因可能是由于适量的纤维被水泥浆体包裹，填充了水泥水化作用后留下的孔隙，增加了混凝土的结构致密性，在混凝土受到拉应力荷载时由于纤维自身具有较大的抗拉强度，也会承担一部分受力，起到了良好的阻裂效果。此外有研究表明[16-18]，玄武岩纤维微观结构显示纤维在混凝土内部成交错分布，它会与水泥水化产物形成相互交织的空间网络结构。由此可以看出，这种结构形式不但提高了粘接料与骨料之间的附着力，而且在受到拉应力时也会起到良好的抗裂效果，这也是混凝土抗拉强度提高的原因。

2.4 早期开裂性能

采用BEC-9型不锈钢混凝土刀口约束早期开裂试验装置对800 mm×600 mm×100 mm平面薄板混凝土试件进行试验，试验装置内装有裂缝诱导发生器，试验养护周期为1、3 d，以平均开裂面积、单位面积的裂缝数和总开裂面积为评价指标，具体结果如图4、图5所示。

图4 玄武岩纤维对混凝土早期平均开裂面积的影响Fig.4 Effect of basalt fiber on the early average-cracking area of concrete

图5 玄武岩纤维对混凝土单位面积的裂缝数影响Fig.5 Effect of basalt fiber on the number of cracks per unit area of concrete

从图4～图6可以看出，无论养护龄期为1 d还是3 d，素混凝土对应的平均开裂面积、单位面积的裂缝数和总开裂面积等指标值最大，在玄武岩纤维用量为0.1%～0.2%时，混凝土对应的各指标值均有明显的减小，且纤维用量为0.3%～0.4%时各指标值均趋于0，即混凝土早期不再出现裂缝；说明玄武岩纤维对于抑制混凝土早期开裂具有显著的改善作用。这是由于纤维的加入改善了混凝土内部结构，增加了密实度，提高了骨料与结合料的界面特征，一定程度也抵消了混凝土内部应力和限制了裂纹的增长。此外，也有研究表明[19-20]，玄武岩纤维加入后可以减缓水分的蒸发速度，加强了混凝土内部的水化反应和结构稳定性特征，可能这也是导致混凝土早期抗裂性能较好的原因。

图6 玄武岩纤维对混凝土单位面积的 总开裂面积影响Fig.6 Effect of basalt fiber on the total cracking area per unit area of concrete

3 结语

(1)低剂量0.1%玄武岩纤维可以提高混凝土抗压强度；用量大于0.2%后抗压强度就出现了不同程度的降低。整体上玄武岩纤维对于混凝土的抗压强度作用不佳，但可改善混凝土的脆性特征，抑制裂纹发展；

(2)适量的玄武岩纤维可增强混凝土的抗折强度，当纤维用量低于0.3%时混凝土抗折强度随纤维用量增加而不断提高；当纤维用量在0.4%时，混凝土抗折强度的增幅开始变小，纤维用量不宜大于0.3%；

(3)不同龄期每种纤维掺量对应的抗拉强度增长幅度有所不同，在龄期为7 d时纤维掺量为0.2%的劈裂抗拉强度最大；在龄期3 d和28 d时，纤维掺量为0.3%的劈裂抗拉强度相对于素混凝土分别增长了33.5%、21.7%，且在纤维用量0.4%时这种改善效果会降低，说明其用量不宜超过0.3%；

(4)在养护龄期为1、3 d时，相对于素混凝土，掺入玄武岩纤维的混凝土对应的平均开裂面积、单位面积的裂缝数和总开裂面积等指标值明显减小，且纤维用量为0.3%～0.4%时混凝土无裂缝产生。