易 谷

纖維對(duì)于抑制混凝土收縮、提高混凝土抗裂性具有明顯的作用效果。目前在工程中使用的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主要是碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維。碳纖維由于具有高抗拉強(qiáng)度和彈性模量、質(zhì)量輕、抗腐蝕能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于各種結(jié)構(gòu)的加固，但其價(jià)格較貴且原材料受國外市場(chǎng)波動(dòng)影響較大。玻璃纖維和芳綸纖維價(jià)格相對(duì)便宜，但抗拉強(qiáng)度和彈性模量較低，特別是耐久性能不夠理想，一定程度上約束了其應(yīng)用。

連續(xù)玄武巖纖維是用火山爆發(fā)形成的一種玻璃態(tài)的玄武巖礦石經(jīng)高溫熔融后快速拉制而成的無機(jī)纖維材料，具有既耐酸又耐堿，既耐低溫又耐高溫，既絕熱電又隔音，拉伸強(qiáng)度和模量高，抗壓縮強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度高，抗老化性好等優(yōu)異的性能，并且成本低廉，是聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維非常有競(jìng)爭(zhēng)力的替代產(chǎn)品。玄武巖纖維是典型的硅酸鹽纖維，用玄武巖短切纖維與水泥混凝土和砂漿混合時(shí)很容易分散，這些優(yōu)越的性能都使得玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土不管在性能還是經(jīng)濟(jì)效益上都具有巨大的潛在價(jià)值。本試驗(yàn)主要探索不同種類玄武巖纖維對(duì)混凝土新拌工作性能的影響，并研究了其對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響［1-3］。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

試驗(yàn)所用原材料主要為水泥、集料、礦物摻合料、玄武巖纖維和外加劑等。水泥為哈爾濱水泥廠生產(chǎn)的天鵝牌P.O42.5水泥。粉煤灰為哈爾濱第三發(fā)電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，其性能指標(biāo)和化學(xué)組成見表1。減水劑選用上?；ㄍ趸瘜W(xué)有限公司生產(chǎn)的Mighty 100萘系高效減水劑。

表1 粉煤灰性能指標(biāo)和化學(xué)組成

本試驗(yàn)所用玄武巖纖維均由四川省航天拓鑫玄武巖實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)短切紗纖維，長(zhǎng)度為25mm，直徑為18 μm，其中玄Ⅰ類纖維是經(jīng)常規(guī)加工制造而得，玄Ⅱ類纖維對(duì)普通玄武巖纖維采用硬質(zhì)丙烯酸樹脂改性后加工而成，玄Ⅲ類纖維、玄Ⅳ類纖維是在普通玄武巖纖維基礎(chǔ)上采用不同配方的軟質(zhì)丙烯酸改性而成，柔性較玄Ⅰ類纖維、玄Ⅱ類纖維更好。試驗(yàn)所用聚丙烯纖維為江蘇丹陽合成纖維廠生產(chǎn)的“丹陽絲”聚丙烯纖維。

1.2 試件配合比

1)水灰比0.42;2)玄Ⅰ類纖維、玄Ⅱ類纖維、玄Ⅲ類纖維、玄Ⅳ類纖維、聚丙烯纖維摻量分別為2.8kg/m3，2.8kg/m3，2.8kg/m3，2.8kg/m3，0.9kg/m3;3)粉煤灰摻量:按水泥質(zhì)量的 10%摻入;4)減水劑摻量:按水泥質(zhì)量的1%摻入。

2 玄武巖纖維對(duì)新拌混凝土性能的影響

要使玄武巖纖維混凝土具有較好的抗裂、抗?jié)B、抗沖擊性等性能，其關(guān)鍵技術(shù)是在制備混凝土拌和物時(shí)，保證纖維的均勻分散和拌和物具有良好的流動(dòng)性［4］。

2.1 玄武巖纖維對(duì)拌和過程的影響

本試驗(yàn)的拌和過程由混凝土攪拌機(jī)完成，纖維的加入方式采用分次摻入。在攪拌過程中，基準(zhǔn)混凝土的流動(dòng)性與和易性都較好，滿足施工要求;加入纖維后，混凝土流動(dòng)性普遍變小，據(jù)試驗(yàn)觀察，幾種玄武巖纖維對(duì)流動(dòng)性的影響大小對(duì)比如下:玄Ⅱ類纖維＞玄Ⅰ類纖維＞玄Ⅳ類纖維＞玄Ⅲ類纖維＞聚丙烯纖維。

2.2 玄武巖纖維對(duì)坍落度的影響

試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，基準(zhǔn)混凝土流動(dòng)性較好，坍落度值為220mm，加入纖維后，混凝土坍落度出現(xiàn)不同程度的降低，玄Ⅰ類纖維、玄Ⅱ類纖維、玄Ⅲ類纖維和玄Ⅳ類纖維分別使混凝土的坍落度降低 40.9%，36.4%，63.6%和 40.9%。據(jù)此可表明，玄武巖纖維的加入增大了混凝土的內(nèi)部粘聚力，使混凝土在其自重作用下流動(dòng)受到更大的剪切阻力，其中玄Ⅲ類纖維與混凝土的粘結(jié)作用最強(qiáng)，玄Ⅱ類纖維與混凝土的粘結(jié)作用最弱。

2.3 玄武巖纖維對(duì)含氣量的影響

試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，基準(zhǔn)混凝土的含氣量為2.8%，加入纖維后玄Ⅰ類纖維、玄Ⅱ類纖維、玄Ⅲ類纖維和玄Ⅳ類纖維分別使混凝土的含氣量增加 14.3%，10.7%，3.8%和 10.7%，由此說明，玄武巖纖維的加入使混凝土內(nèi)界面增多，原料間的間隙增大，故有更多氣體引入。產(chǎn)生差別的原因可能是斷裂程度不同使界面數(shù)量與大小有所差別，另外，玄武巖纖維在攪拌過程中的分散程度及其與水泥骨料的粘結(jié)力也會(huì)對(duì)氣體含量造成影響。

3 玄武巖纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

3.1 玄武巖纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

通過早期(3 d)、中期(28 d)、后期(90 d)抗壓強(qiáng)度來討論纖維的影響作用。養(yǎng)護(hù)后的標(biāo)準(zhǔn)抗壓試件在壓力機(jī)下的力學(xué)表現(xiàn)所得數(shù)據(jù)如圖3所示。

3 d基準(zhǔn)混凝土的抗壓強(qiáng)度為26.8 MPa，玄Ⅰ類纖維、玄Ⅱ類纖維、玄Ⅳ類纖維分別使混凝土早期抗壓強(qiáng)度降低了12.7%，19.0%，5.2%，而玄Ⅲ類纖維使混凝土早期抗壓強(qiáng)度提高25.4%，與其他玄武巖纖維在早期的表現(xiàn)截然相反?？赡芤?yàn)榛炷猎缙诓⑽赐耆不?，玄武巖纖維的加入使混凝土內(nèi)部界面裂縫增多進(jìn)而導(dǎo)致強(qiáng)度降低，而玄Ⅲ類纖維能更快在混凝土中構(gòu)成堅(jiān)實(shí)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)并形成強(qiáng)度。相對(duì)玄武巖纖維，聚丙烯纖維的加入使混凝土的早期強(qiáng)度下降更多，使其較基準(zhǔn)混凝土降低26.1%，這可能因?yàn)榫郾┦够炷恋挠不俣葴p慢。

基準(zhǔn)混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度為42.9 MPa，而玄Ⅰ類纖維、玄Ⅱ類纖維、玄Ⅲ類纖維和玄Ⅳ類纖維分別使混凝土28 d抗壓強(qiáng)度提高 28.9%，12.8%，32.4%和 13.5%。

90標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，玄武巖纖維的加入使混凝土后期強(qiáng)度均有很大提高，基準(zhǔn)混凝土的抗壓強(qiáng)度為47.2 MPa，而玄Ⅰ類纖維、玄Ⅱ類纖維、玄Ⅲ類纖維和玄Ⅳ類纖維分別使混凝土抗壓強(qiáng)度提高22.9%，18.9%，33.1%和 23.3%。

3.2 玄武巖纖維對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

本試驗(yàn)采用三點(diǎn)抗折實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定抗折強(qiáng)度［5］，通過測(cè)定摻入纖維混凝土的3 d，28 d，90 d試件抗折強(qiáng)度來研究玄武巖纖維對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律，不同纖維對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律如圖4所示。

基準(zhǔn)混凝土的早期抗折強(qiáng)度3.6 MPa，玄Ⅰ類纖維和玄Ⅱ類纖維的加入分別使混凝土強(qiáng)度提高8.3%和5.6%，玄Ⅲ類纖維的摻入未改變強(qiáng)度，而玄Ⅳ類纖維使混凝土早期抗折強(qiáng)度降低13.9%，但總體而言，各類玄武巖纖維混凝土較基準(zhǔn)混凝土早期抗折強(qiáng)度差別不大;另外，聚丙烯纖維的加入使混凝土早強(qiáng)降低8.3%，與玄Ⅰ類纖維的影響效果相似。

玄武巖纖維對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響在28 d時(shí)表現(xiàn)得較為明顯，基準(zhǔn)混凝土的28 d抗折強(qiáng)度為4.9 MPa，較早期強(qiáng)度僅提高了8.3%，而此時(shí)玄武巖纖維混凝土的抗折強(qiáng)度已較早期強(qiáng)度成倍增長(zhǎng)，玄Ⅰ類纖維、玄Ⅱ類纖維、玄Ⅲ類纖維和玄Ⅳ類纖維的加入分別使混凝土28 d抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)提高46.9%，14.3%，18.4%和6.1%，后三類玄武巖纖維混凝土強(qiáng)度相近，玄Ⅰ類纖維混凝土的抗折強(qiáng)度相對(duì)較大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，玄武巖纖維阻止了混凝土脆性及自收縮所產(chǎn)生的微裂紋，減少了裂縫源的數(shù)量，并使裂縫尺度變小，這就降低了裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，緩和了裂縫尖端應(yīng)力集中程度，在受力過程中，又抑制了裂縫的引發(fā)與擴(kuò)展，進(jìn)而提高了混凝土的抗折強(qiáng)度［6，7］。

基準(zhǔn)混凝土的90 d抗折強(qiáng)度為7.3 MPa，玄Ⅰ類纖維、玄Ⅱ類纖維的加入分別使混凝土長(zhǎng)期抗折強(qiáng)度提高27.4%，23.3%，而玄Ⅲ、玄Ⅳ分別使混凝土抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土90 d強(qiáng)度分別下降 2.7%，27.4%。

3.3 玄武巖纖維對(duì)靜彈性模量的影響

試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，基準(zhǔn)混凝土的彈性模量值為32.1 GPa，玄Ⅰ、玄Ⅱ類纖維的摻入分別使混凝土的靜彈性模量提高27.0%，18.0%，使混凝土在同等應(yīng)力作用下應(yīng)變減小;聚丙烯纖維的摻入也使混凝土的彈性模量提高了1.3%，但較玄武巖纖維對(duì)混凝土靜彈模的提高程度小，對(duì)混凝土抗變形的改善作用較玄武巖纖維弱。

4 結(jié)語

本文主要研究了玄武巖纖維對(duì)混凝土新拌工作性能和力學(xué)性能的影響，通過試驗(yàn)得出影響規(guī)律如下:

1)玄武巖纖維使混凝土拌和過程中流動(dòng)性、工作性降低，且玄武巖纖維使流動(dòng)性的降低程度高于聚丙烯纖維;使混凝土含氣量增加3.8%～14.3%，除玄Ⅲ類纖維外，其他玄武巖纖維使混凝土中引入氣體均比聚丙烯纖維多。2)抗壓強(qiáng)度方面，玄Ⅰ類纖維、玄Ⅱ類纖維和玄Ⅳ類纖維使混凝土3 d強(qiáng)度降低5.2%～19.0%，而玄Ⅲ類纖維使其升高25.4%，聚丙烯纖維使早強(qiáng)降低程度比玄武巖纖維大;玄武巖纖維使混凝土28 d，56 d，90 d抗壓強(qiáng)度有較大增幅，改善程度大于聚丙烯纖維。3)抗折強(qiáng)度方面，玄Ⅰ類纖維、玄Ⅱ類纖維使混凝土3 d強(qiáng)度提高5.6%，8.3%，而玄Ⅲ類纖維、玄Ⅳ類纖維略有降低，聚丙烯纖維對(duì)早強(qiáng)的影響與玄Ⅰ類纖維相似;玄武巖纖維使混凝土28 d強(qiáng)度提高6.1%～46.9%，且除玄Ⅳ類纖維提高程度均大于聚丙烯纖維;玄Ⅰ類纖維、玄Ⅱ類纖維使混凝土90 d強(qiáng)度提高23.3%～27.4%，玄Ⅲ類纖維、玄Ⅳ類纖維使56 d強(qiáng)度降低2.7%～27.4%，聚丙烯纖維的影響居中。4)玄武巖纖維使混凝土的彈性模量提高18.0%～27.0%，使混凝土在同等應(yīng)力下應(yīng)變更小，雖聚丙烯纖維對(duì)彈性模量也有提高，但程度不及玄武巖纖維。

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