玄武岩纤维水泥胶砂力学性能试验研究

姜国新，赵 川，郭俊利，易 蓉，罗茂盛，彭章雅，王筱红

(四川省水利科学研究院，四川 成都 610072)

0 引 言

水泥砂浆是水工建筑物重要的建筑材料，传统水泥基材属于脆性材料，其抗拉和抗弯性能较差，对建筑物的耐久性影响较大，导致在高寒、高海拔、强紫外线等地区的水工混凝土结构的破坏问题十分严重[1-3]。通过在水泥基材中加入玄武岩纤维(Basalt fiber，BF)等高性能纤维材料有助于改善其脆性问题，抑制基体收缩裂缝的产生和扩展[4-5]。

Wang等[6]通过试验研究了玄武岩纤维在低温下对沥青结合料和胶泥的影响，发现武岩纤维不仅可以抑制材料的轴向应变，增加胶泥试样的刚度，还能提高试件的疲劳寿命；Ludovico等[7]将玄武岩纤维与水泥基体进行结合，并用于约束钢筋混凝土构件的加固材料，可以克服环氧基FRP层压板承载力不足的缺陷；高真等[8]采用现场试验和数值模拟方法研究了玄武岩纤维对混凝土抗压强度的影响机制，发现玄武岩纤维的掺入能够改善混凝土的抗压性能，纤维-界面之间的薄弱层不利于混凝土抗压强度的提升；朱春琪等[9]等研究了玄武岩纤维在普通硅酸盐水泥(OPC)和高贝利特硫铝酸盐水泥(HB-CSA)环境下的长期增强效果，验证了玄武岩纤维对水泥材料具有较好的增强效应和抗裂性能。

玄武岩纤维是新型无污染的绿色工业原材料，与钢纤维和碳纤维等相比其具有优异的力学性能和化学性能[10-14]。已有的相关研究主要集中在玄武岩纤维对改善混凝土等复合材料的力学性能，而开展玄武岩纤维对水泥砂浆力学指标影响的定量研究还不多。本文通过室内试验对长度12 mm玄武岩纤维不同掺量的水泥胶砂标准试件进行3、28 d的抗折强度和抗压强度测试，从微观角度开展破坏机理研究。

1 试验方案

1.1 试验材料

(1)水泥。试验采用普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5R级，砂为中国ISO标准砂，试验用水采用蒸馏水。

(2)玄武岩纤维。试验采用的玄武岩纤维束长12 mm，宽1.5 mm，厚0.1 mm，密度为2 700 kg/m3，弹性模量150 GPa，抗拉强度3 000 MPa，断裂伸长率为3.2%，玄武岩纤维束样品如图1所示。

图1 试验选用玄武岩纤维束样品

1.2 试验设计

本试验按不同纤维掺量分为9组，纤维用量分别为0(空白对照组)、4.5、9.0、13.5、18.0、22.5、2.2、1.4、0.7 g，玄武岩纤维掺量质量占比分别为0、1%、2%、3%、4%、5%、0.49%、0.31%、0.16%，相应的试件编号分别为KB、XWY-1、XWY-2、XWY-3、XWY-4、XWY-5、XWY-6、XWY-7、XWY-8。每组均重复3次试验，取平均值作为测试结果。

1.3 试验方法

试验时按照GB/T17671—2021《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》[15]采用40 mm×40 mm×160 mm棱柱体的水泥胶砂试模，按0.5的水灰比拌制塑性胶砂并经振实台振捣成型，脱模标准养护后按3 d和28 d龄期分别在电动抗折强度试验机和全自动抗折抗压恒应力试验机上进行抗折强度和抗压强度测试，本次试验采用的仪器设备见图2。

图2 电动抗折强度试验机和全自动抗折抗压恒应力试验机

根据GB/T17671—2021《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》第10条试验程序规定，首先用电动抗折试验机测定胶砂试件的抗折强度，加载速率(50±10)N/s，之后取出两个半截试体，进行抗压强度试验，加载速率(2 400±200)N/s。应注意在进行抗压强度测试时保持两个半截棱柱体处于潮湿状态。

抗折强度计算公式为

Rf=1.5FfL/b3

(1)

式中，Rf为抗折强度，MPa；Ff为折断时施加于棱柱体中部的荷载，N；L为支撑圆柱之间的距离，mm；b为棱柱体正方形截面的边长，mm。

抗压强度计算公式为

RC=Fc/A

(2)

式中，RC为抗压强度，MPa；Fc为破坏时的最大荷载，N；A为受压面积，mm2。

2 试验结果分析

2.1 试件制备和外观分析

按规范要求，采用行星式水泥胶砂自动搅拌机对水泥胶砂和不同掺量的玄武岩纤维进行搅拌(见图3)，之后倒入放置于水泥胶砂振实台上的标准模具中并进行振实，取下试模刮去高出试模的胶砂并抹平，最终成型的试件如图4所示。

图3 水泥胶砂自动搅拌机和水泥胶砂振实台

图4 不同玄武岩纤维掺量水泥胶砂试件成型样品

由图4可知，随着玄武岩纤维掺量的增加，试件的稠度也随之增加，表面越来越粗糙和干燥。当纤维掺量不超过2%时，拌和物的和易性和泌水性较好，试件收面更加容易；而当纤维掺量超过2%时，试件表面更加干燥和松软，并且难以收面，拌和物的和易性和泌水性相对较差。

表1给出了不同玄武岩纤维掺量水泥胶砂试件成型样品脱模后的重量和密度统计结果。分析可知：随着玄武岩纤维掺量的增加，试件重量和密度整体呈现先增大后减小的趋势，当纤维掺量增加到0.31%时，试件质量平均值达到最大值为598.5 g(密度为2 337.9 kg/m3)，之后逐渐降低(掺量为3%突变至593.1 g)，最小质量为掺量5%对应的576.3 g，密度仅为2 251.2 kg/m3。初步分析原因，是由于玄武岩纤维与水泥胶砂基体间存在一定的间隙，并未紧密联结，纤维掺量越多，间隙越大，导致试件质量和密度越小，表明玄武岩纤维与水泥胶砂并未发生化学反应。

表1 不同玄武岩纤维掺量水泥胶砂试件拆模后质量和密度

2.2 抗折强度试验结果分析

进行不同玄武岩纤维掺量水泥胶砂试件抗折强度测试时，每个玄武岩纤维掺量水泥胶砂共6个试件，3个用于3d抗折强度测试，3个用于28 d抗折强度测试。试验结果如表2和图5所示。

表2 不同玄武岩纤维掺量水泥胶砂试件3、28 d抗折强度测试结果

图5 不同玄武岩纤维掺量水泥胶砂试件3、28 d抗折强度测试结果拟合曲线

由表2、图5可知，各玄武岩纤维掺量的水泥胶砂试件抗折强度均随着期龄的增加而出现不同程度的提高。其中，期龄为3 d时，对照组(不掺玄武岩纤维)试件的平均抗折强度为5.97 MPa，掺了0.16%的玄武岩纤维后，平均抗折强度未发生变化仍为5.97 MPa，当纤维掺量提高到0.31%后，平均抗折强度提高到6.03 MPa，提高幅度为1%左右，提高幅度不大，之后随着纤维掺量的进一步增加，平均抗折强度则呈现逐渐降低的趋势(图5a)，当纤维掺量为5%时，平均抗折强度仅为4.33 MPa，仅为空白组的72.5%；期龄为28 d时，对照组(不掺玄武岩纤维)试件的平均抗折强度为8.63 MPa，随着玄武岩掺量的逐步增加，平均抗折强度开始逐渐降低，仅在纤维掺量为0.49%的时候出现了一定回升，但总体呈现逐渐降低的趋势(图5b)，最终当纤维掺量为5%时，平均抗折强度为7.00 MPa，仅为空白组的81.1%。结合图5不同玄武岩纤维掺量水泥胶砂试件抗折强度趋势线，说明掺少量的玄武岩纤维在一定程度上有助于提高水泥胶砂试件的早期抗折强度，但过多的纤维掺量不利于早期和后期的抗折强度。

2.3 抗压强度试验结果分析

进行抗折强度测试后，将得到的6个抗压试件进行抗压强度试验，鉴于篇幅限制，本文仅统计出期龄3 d和28 d的抗压强度平均值(根据规范要求，剔除超过平均值±10%的结果再取平均值)，结果如图6所示。由图6可知，当不掺玄武岩纤维时，试件的3 d和28 d抗压强度分别为30.6 MPa和53.0 MPa，随着玄武岩纤维掺量的增加，水泥胶砂试件的早期和后期抗压强度均逐渐降低，仅在纤维掺量为0.49%～1%时出现一定回升，之后进一步降低，直到纤维掺量为5%时，3 d和28 d抗压强度分别为19.1 MPa和34.6 MPa，仅为空白对照组的62.4%和65.3%，这说明玄武岩纤维的掺入不利于水泥胶砂的抗压强度。

图6 不同玄武岩纤维掺量水泥胶砂试件3、28 d抗压强度

3 破坏试件微观结构分析讨论

结合上述玄武岩纤维水泥胶砂试件的制备过程和力学性能测试结果，可以看出：少量的玄武岩纤维掺量可以改善水泥胶砂拌和物的和易性和泌水性，且试件收面更加容易，水泥胶砂试件的早期抗折强度有一定提高，但过多的纤维掺量不利于水泥胶砂试件早期和后期的抗折强度和抗压强度。分析原因：可能是由于本次试验选用的玄武岩纤维长度为12 mm，纤维在水泥胶砂中的分散性较差，过多的纤维容易聚成一团，且由于纤维的憎水性，水泥胶砂和纤维之间存在间隙，使得两者的界面区结构较为松散，从而降低水泥胶砂的整体结构强度。

图7为3 d期龄抗折强度测试后的9组试件，部分试件经抗折强度测试后，出现了“藕断丝连”的现象，并未完全断开，这是由于掺入的玄武岩纤维抗拉强度很高，在断裂区胶砂握裹力作用下，不至于完全断裂。图8为强度测试后试件通过显微镜观察到的纤维束与砂浆基材微观结构，可以明显看到聚集在一起的玄武岩纤维以及与水泥胶砂的间隙及气泡。

图7 3 d期龄试件抗折强度测试后的外观

图8 强度测试后试件的微观结构(单位：mm)

4 结 论

通过室内试验对不同玄武岩纤维(长度12 mm)掺量的水泥胶砂标准试件进行抗折强度和抗压强度测试，并从微观结构进行破坏面机理研究分析，得到以下结论：

(1)不超过2%的玄武岩纤维掺量时，拌和物的和易性和泌水性较好，试件收面更加容易，之后随着掺量增加，试件的稠度逐渐增大，表面越来越粗糙和干燥。

(2)随着玄武岩纤维掺量的增加，试件质量和密度整体呈现先增大后减小的趋势，当纤维掺量增加到0.31%时，试件质量平均值达到最大值为598.5 g，此时密度最大。说明当纤维掺量为0.31%时，试件中砂浆和纤维最为紧密，间隙最小。

(3)掺少量(0.31%)的玄武岩纤维在一定程度上有助于提高水泥胶砂试件的早期抗折强度，但过多的掺量不利于水泥胶砂试件早期和后期的抗折强度。玄武岩纤维的掺入会降低试件的抗压强度，且纤维掺量越多，降低幅度越大；

(4)掺入长度为12 mm的玄武岩纤维后，纤维在水泥砂浆中的分散性较差，容易聚成一团，水泥胶砂和纤维之间存在间隙，使得两者的界面区结构较为松散，从而降低水泥砂浆的整体结构强度。

本文仅针对掺入长度为12 mm规格的玄武岩纤维水泥胶砂试件进行了力学测试分析研究，得到了相应的结论。后期将进一步针对不同长度规格的玄武岩纤维水泥胶砂试件进行测试，并开展试件的抗冻性、抗冲性等耐久性测试，从而完善玄武岩纤维对改善水泥胶砂试件力学性能的研究内容，为实际工程中推广应用夯实基础。