張宏武

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

伸縮縫是橋梁的重要附屬結(jié)構(gòu)，可保證橋梁在環(huán)境作用下能自由伸縮，是橋梁結(jié)構(gòu)容易破壞的部位，嚴(yán)重影響橋梁的運(yùn)營安全，同時(shí)影響橋梁整體美觀。橋梁伸縮縫混凝土早期發(fā)生的裂縫、脫落等病害，影響著橋梁結(jié)構(gòu)的使用性能，造成了安全隱患。橋梁伸縮縫混凝土的裂縫、脫落等病害主要是因?yàn)榛炷恋目沽研阅埽〝嗔秧g性）差所引起。纖維混凝土能加強(qiáng)混凝土的抗裂性能，提高混凝土的耐久性能，是一種很好的橋梁伸縮縫混凝土增強(qiáng)材料。玄武巖纖維與其他纖維相比具有力學(xué)性能佳，耐溫性能好，可在-269 ℃～700 ℃范圍內(nèi)工作，具有耐酸耐堿、抗紫外線能力強(qiáng)的優(yōu)勢，與混凝土相容性好，性價(jià)比適中，可以改善混凝土的抗裂性能，增強(qiáng)耐久性能，提高混凝土的力學(xué)性能，是一種良好的混凝土增強(qiáng)材料[1-2]。本文分析對比了摻量0.1%玄武巖纖維混凝土與素混凝土的力學(xué)強(qiáng)度與耐腐蝕性能差異，結(jié)果表明玄武巖纖維混凝土抗壓、抗折、抗彎拉強(qiáng)度均優(yōu)于素混凝土，可提高橋梁伸縮縫處混凝土的抗裂性能，為其他同類工程提供借鑒。

1 原材料

a）水泥 海螺P.O.52.5，其3 d 抗壓強(qiáng)度為38.0 MPa、抗折強(qiáng)度為6.9 MPa；28 d 抗壓強(qiáng)度為56.9 MPa、抗折強(qiáng)度為8.3 MPa。

b）集料 變質(zhì)砂巖粗集料為粒徑5～20 mm，級(jí)配符合規(guī)范要求，含泥量為0.3%，壓碎值為5%；細(xì)集料為河砂，細(xì)度模數(shù)為2.7，含泥量為0.7%。

c）外加劑 CNF-3 聚羧酸高效減水劑，減水率約22%。

d）短切玄武巖纖維 單絲直徑13μm，長18 mm，密度2.7～2.8 g/cm3，抗拉強(qiáng)度3 000～4 000 MPa，彈性模量80～100 GPa，斷裂伸長率2.7%～3.4%。

e）水 自來水。

2 配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

混凝土配合比設(shè)計(jì)的強(qiáng)度等級(jí)為C50，坍落度控制在140～180 mm，玄武巖纖維混凝土采用纖維體積率法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。

混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)及抗折強(qiáng)度試驗(yàn)采用《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2002）的方法[3]?；炷聊土蛩猁}溶液侵蝕試驗(yàn)，混凝土成型為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件及150 mm×150 mm×550 mm 的棱柱體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d 后，浸泡于5%Na2SO4溶液中養(yǎng)護(hù)21 d，測定混凝土受硫酸鹽溶液侵蝕前后的抗壓抗折強(qiáng)度耐蝕系數(shù)。

素混凝土及玄武巖纖維混凝土配合比試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 混凝土配合比及性能試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 工作性能試驗(yàn)

表2 混凝土坍落度及擴(kuò)展度

素混凝土的坍落度為170 mm，擴(kuò)展度為450 mm，具備較好的流動(dòng)性。玄武巖纖維摻量為0.10%時(shí)，對混凝土的流動(dòng)性影響不明顯，坍落度、擴(kuò)展度略微降低，坍落度為160 mm，擴(kuò)展度為430 mm，不影響混凝土流動(dòng)性，可以滿足施工工作性能要求。

3.2 力學(xué)性能試驗(yàn)及分析[4-5]

3.2.1 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

素混凝土、玄武巖纖維混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 素混凝土、玄武巖纖維混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由圖1 混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知，玄武巖纖維摻量0.1%的混凝土與素混凝土相比，其抗壓強(qiáng)度7 d 提高3.3%，28 d 提高6.3%；其抗折強(qiáng)度7 d 提高了14.1%，28 d 提高18.7%。分析原因?yàn)樾鋷r纖維摻入后，分布于混凝土中的纖維形成亂向的三維支撐體系，在混凝土受到荷載作用時(shí)協(xié)同受力，應(yīng)力自混凝土基體傳遞給玄武巖纖維，由于玄武巖纖維的抗拉彈性模量高，增加了混凝土的抗拉和抗剪應(yīng)力，從而提高了混凝土抗彎拉強(qiáng)度，也相應(yīng)提高了混凝土抗壓強(qiáng)度。

3.2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)及拉壓比結(jié)果及分析

素混凝土、玄武巖纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果見圖2，拉壓比結(jié)果見圖3。

圖2 素混凝土、玄武巖纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從圖2 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知，玄武巖纖維摻量為0.1%的混凝土7 d 劈裂抗拉強(qiáng)度提高了5.7%，28 d 劈裂抗拉強(qiáng)度提高了9.6%。

圖3 素混凝土、玄武巖纖維混凝土強(qiáng)度拉壓比試驗(yàn)結(jié)果

拉壓比是反映混凝土脆性的指標(biāo)之一，由圖3試驗(yàn)拉壓比結(jié)果可以看出，對于同一齡期的混凝土，玄武巖纖維混凝土的拉壓比高，表明玄武巖纖維的摻入增加了混凝土的抗彎拉強(qiáng)度，提高了混凝土的韌性，主要原因?yàn)樾鋷r纖維在混凝土中起加筋作用，在裂縫處具有良好的聯(lián)結(jié)作用，抑制了裂縫的擴(kuò)展速度，且纖維和混凝土的黏合良好，提高了混凝土的韌性，提高了混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。

3.3 耐久性能試驗(yàn)及分析

素混凝土、玄武巖纖維混凝土耐硫酸鹽試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

由圖4 混凝土耐硫酸鹽試驗(yàn)結(jié)果可知，摻加0.1%玄武巖纖維混凝土比素混凝土的抗壓耐腐蝕系數(shù)提高了6.3%；抗折耐腐蝕系數(shù)提高了5.5%。主要因?yàn)榛炷林欣w維的致密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，減少了基體內(nèi)的微裂縫、空隙和缺陷，提高了材料的連續(xù)性，有效地抑制了裂縫的產(chǎn)生，同時(shí)，玄武巖纖維在混凝土中均勻分布并與混凝土能良好地黏結(jié)，提高了水泥基體內(nèi)部的束縛力，阻止并延緩硫酸根離子從外界環(huán)境滲透，提高混凝土的耐久性能。

圖4 素混凝土、玄武巖纖維混凝土耐硫酸鹽試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

a）0.1%體積摻量的玄武巖纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)可采用普通混凝土的設(shè)計(jì)方法，其設(shè)計(jì)的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度性能、工作性能與素混凝土相當(dāng)，立方體抗壓強(qiáng)度7 d 提高3.3%，28 d 提高6.3%，坍落度由170 mm 降至160 mm，擴(kuò)展度由450 mm 降至430 mm。

b）纖維摻入水泥混凝土中，增強(qiáng)了混凝土內(nèi)部的受力狀況，且纖維橫跨裂縫承擔(dān)了部分拉應(yīng)力，阻止了混凝土內(nèi)部應(yīng)力集中，延緩約束了混凝土裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，提高了混凝土的強(qiáng)度，增強(qiáng)了混凝土的韌性，其7 d 抗折強(qiáng)度提高了14.1%，28 d 提高了18.7%，7 d 劈裂彎拉強(qiáng)度提高了4.2%，28 d 提高了7.6%。

c）當(dāng)玄武巖纖維摻入到混凝土中后，能有效地阻礙混凝土早期開裂及裂縫發(fā)展，延緩硫酸根離子從外界環(huán)境向混凝土中的滲透，抗壓耐腐蝕系數(shù)增加了6.3%；抗折耐腐蝕系數(shù)增加了5.5%，是作為橋梁伸縮縫處混凝土的有益選擇。