張淑艷，雒祥虎，張如一，閆佳琦

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

在我國北方寒冷地區(qū)，凍融循環(huán)作用往往是導(dǎo)致混凝土破壞的主要因素[1-3]，尤其是接觸水的道路橋梁工程破壞更為嚴(yán)重[4-6]，隨著人類對混凝土材料各項性能要求的提升，各類新型水泥基材料應(yīng)運而生。

玄武巖纖維水泥基復(fù)合材料(Basalt Fiber Cementitious Composites，BFCC)是一種耐久性優(yōu)異、超高強、具有廣闊應(yīng)用前景的新型建筑材料。戰(zhàn)仕利，等[7]研究表明纖維的摻入能有效提高機場道面混凝土的抗凍性能，較引氣混凝土相對耐久性指數(shù)提高18.6%。鞠彥忠，等[8]研究表明，影響玄武巖纖維混凝土的力學(xué)性能和抗凍融性能的最大因素是水膠比，鋼纖維含量對其抗壓強度和抗凍性能的影響并不明顯，而對其抗折強度和劈裂強度影響較大。李馨，等[9]研究了水灰比對硫鋁酸鹽水泥砂漿力學(xué)強度的影響，發(fā)現(xiàn)水灰比對砂漿的抗壓強度具有重要作用。黃偉，等[10]通過配制不同鋼纖維分布的聚丙烯混凝土，研究其力學(xué)性能的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種層布式均對混凝土的抗壓和抗折強度有所增強，其中雙層層布式施工的混凝土強度優(yōu)于單層層布式。趙燕茹，等[11]研究表明凍融循環(huán)后混凝土相對動彈性模量、抗壓強度和抗凍耐久性系數(shù)均逐漸下降。同時玄武巖纖維作為水泥基材料的增強材料也有學(xué)者進行了大量研究[12]，唐明，等[13]以玄武巖纖維為增強材料，探究了玄武巖纖維、水膠比等因素對水泥基復(fù)合材料抗壓、抗折強度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維作為水泥基復(fù)合材料的增強組分有很好的抗折增強效應(yīng)，纖維摻量相比水膠比等其他因素對不同齡期的強度影響是顯著的。張娜，等[14]的研究結(jié)果表明，在霍普金森壓桿相近應(yīng)變率下，玄武巖纖維增強水泥基復(fù)合材料抗壓強度隨纖維摻量增加而提高;隨纖維摻量的增加，其韌度系數(shù)上升速率也逐漸增大。

本文通過對BFCC進行力學(xué)性能試驗和抗凍性能試驗，研究不同水膠比和不同玄武巖纖維摻量對其力學(xué)性能和抗凍性能的影響，反映出BFCC在工程中的實際應(yīng)用情況，對路橋表面凍融破壞問題和保證車輛安全通行有重要意義。

1 試驗材料及方法

1.1 原材料及配合比

水泥，P.O 42.5；硅灰，永興硅灰，灰白色細粉；粉煤灰，Ⅱ級粉煤灰；石英砂，粒徑范圍為0.25～0.45mm；水，自來水；玄武巖纖維，抗拉強度為4256MPa；減水劑，聚羧酸系JSM-1型高效減水劑。BFCC的配合比見表1。

表1 BFCC配合比(kg/m3)

1.2 試驗方法

抗壓、抗折強度試驗按照GBT50081-2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中相關(guān)規(guī)定進行，抗壓試驗加載速率為1.2～1.4MPa/s，試件尺寸為100mm×100mm×100mm；抗折試驗加載速率為0.08～0.1MPa/s，試件尺寸為100mm×100mm×400mm。

快速凍融試驗：根據(jù)GBT50082-2019《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中相關(guān)規(guī)定進行BFCC的快速凍融試驗。試件尺寸為100mm×100mm×400mm，選取凍融介質(zhì)為水，測試不同凍融循環(huán)次數(shù)下BFCC的質(zhì)量損失率和相對動彈性模量。

孔結(jié)構(gòu)試驗：試件尺為Ф100mm×10mm的薄片，采用RapidAir 457硬化混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析儀對經(jīng)歷不同凍融次數(shù)后的BFCC試件進行試驗以得到含氣量。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 BFCC的力學(xué)性能

(a)不同水膠比

BFCC的抗壓強度與抗折強度的試驗結(jié)果如圖1所示。圖1(a)可以看出，隨著水膠比的增加BFCC的抗壓強度和抗折強度均呈下降趨勢，抗壓強度幾乎呈線性下降，抗折強度整體大致呈上凸形，即水膠比較大時抗折強度損失較嚴(yán)重。當(dāng)水膠比從0.18增加到0.3時，抗壓強度損失率達25%，抗折強度損失率達38%，說明水膠比對BFCC的抗折強度影響更為明顯。

如圖1(b)所示，BFCC的抗壓強度和抗折強度隨著玄武巖纖維摻量的增加呈現(xiàn)出先增加后降低的規(guī)律，并且纖維的加入對BFCC的抗壓強度和抗折強度的影響不是正相關(guān)。原因是當(dāng)纖維摻量達到最佳配比之后，再次加入纖維會破壞BFCC最合理的內(nèi)部構(gòu)造。由于纖維的比表面積增加較大，纖維不能完全被水泥漿體包裹，使得BFCC內(nèi)部缺陷較多，容易出現(xiàn)氣孔和微裂縫，當(dāng)加入過多纖維時，不會提高其力學(xué)強度，反而會使強度略有下降。

2.2 BFCC的抗凍性能

質(zhì)量損失率和相對動彈性模量為評價水泥基材料抗凍性的主要指標(biāo)。BFCC的質(zhì)量損失率和相對動彈性模量的變化曲線如圖2所示。

圖2(a)為不同水膠比下A組試件在凍融循環(huán)作用下質(zhì)量損失率和相對動彈性模量的變化曲線。如圖2(a)所示，A1-A4組在300次凍融循環(huán)作用下，質(zhì)量損失率僅有輕微的浮動，水膠比為0.3時，試件質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加，并且在凍融循環(huán)次數(shù)達到250次時發(fā)生破壞。由此可得，BFCC抗凍性能和水膠比呈反比，所以在選取抗凍性能較好的水泥基復(fù)合材料時，應(yīng)優(yōu)先考慮較低的水膠比(0.18和0.21)。A1-A3組的試件相對動彈性模量基本保持不變，水膠比為0.27，凍融循環(huán)次數(shù)達到200次時，相對動彈性模量急劇下降，直至試件失效，水膠比為0.3，在凍融循環(huán)次數(shù)達到250次時出現(xiàn)下降趨勢，但300次之前仍在70%以上。這是因為水泥基復(fù)合材料隨水膠比增加，試件在凝結(jié)硬化過程中，內(nèi)部多余水分散失，造成其內(nèi)部孔隙、裂縫和連通孔等缺陷增多，最終導(dǎo)致混凝土抗凍性能變差。

(a)水膠比

圖2(b)為不同纖維摻量下B組試件在凍融循環(huán)作用下質(zhì)量損失率和相對動彈性模量的變化曲線。從圖中可以看出纖維摻量為3%和4%時，試件質(zhì)量損失率變化較為穩(wěn)定，纖維摻量為0、2%和5%時，質(zhì)量損失率變化較大，說明玄武巖纖維摻量為0、2%、5%時的BFCC抗凍性能較差。究其原因是在BFCC中加入玄武巖纖維，能夠在機體內(nèi)部形成均勻分布的空間“骨架”，可以有效地延緩并一直到裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，從而提高基體的密實度，進而水泥基材料的抗凍性能得到了提升。B組試件的相對動彈性模量變化與質(zhì)量損失率變化規(guī)律一致，纖維摻量為3%時，凍融循環(huán)后相對動彈性模量曲線變化斜率最緩，纖維摻量為2%、4%、5%時曲線變化斜率均較大。

從圖2中可以看出，水膠比為變量時，其質(zhì)量損失率和相對動彈性模量變化范圍和幅度更大，而以玄武巖纖維摻量為變量時，各項凍融指標(biāo)變化規(guī)律較為接近，差別不是很大。由此得出水膠比對BFCC的抗凍性能影響要比玄武巖纖維摻量的影響大，但玄武巖纖維對BFCC的抗凍性能有改善和提高的作用。

2.3 含氣量對BFCC力學(xué)性能和抗凍性能的影響

圖3是含氣量對BFCC的抗壓抗折強度的影響曲線。如圖3所示，隨含氣量增加，其抗壓和抗折強度逐漸降低，近似呈線性規(guī)律。這是因為混凝土水化過程中需要的水量是一定的，隨著用水量的增大，硬化后的混凝土含氣量增加，而含氣量的增加BFCC內(nèi)部孔隙增多，密實度下降，內(nèi)部薄弱環(huán)節(jié)增多，因此出現(xiàn)承壓抗折能力下降。

圖4表示不同水膠比和纖維摻量下的含氣量的變化規(guī)律。如圖4所示，當(dāng)A組試件水膠比以0.03遞增，水膠比變化量非常小，但基體的含氣量卻有非常大的變化量，說明BFCC易受水膠比的影響，且A試驗組中玄武巖纖維水泥基材料的水膠比與含氣量正相關(guān)，這是由于隨著水膠比的增大，混凝土試件在凝結(jié)硬化過程中，多余水分散失量會增大，因而導(dǎo)致玄武巖纖維水泥基材料的孔隙率增加即含氣量增加。

圖4中的B組試驗組可以看到BFCC的含氣量隨玄武巖纖維摻量的增加呈現(xiàn)出先減小后增加的規(guī)律。說明復(fù)合材料中的纖維摻入量不是越多越好，適量纖維摻入可以有效阻止水泥基材料基體內(nèi)部微裂縫和缺陷，但過多摻入纖維就會破壞水泥基材料基體內(nèi)部構(gòu)造。由于纖維比表面積比較大，當(dāng)纖維摻量較大時，纖維不足以被漿體包裹完全，使得BFCC內(nèi)部缺陷增多易出現(xiàn)氣孔和微裂縫。

圖3 含氣量對玄武巖纖維水泥基材料的抗壓抗折強度的影響曲線

圖4 不同水膠比和纖維摻量下的含氣量

3 結(jié)論

(1) BFCC的抗壓強度和抗折強度隨著水膠比的增大、隨玄武巖纖維摻量增加而呈現(xiàn)降低的趨勢。

(2) 經(jīng)歷300次凍融循環(huán)后，BFCC在低水膠比(0.18和0.21)的情況下，其質(zhì)量損失和相對動彈性模量變化較?。辉谒z比0.3的情況下，其質(zhì)量損失和相對動彈性模量有較大幅度降低。

(3) BFCC隨玄武巖纖維摻量的增加其抗凍性能呈現(xiàn)出先提高后下降的規(guī)律。其中纖維摻量為3%和4%時BFCC的抗凍性能最好。

(4) 隨含氣量增加，BFCC抗壓強度和抗折強度呈近似線性降低趨勢；水膠比增加，BFCC含氣量隨之增加；玄武巖纖維增加，BFCC含氣量呈先減小后增加趨勢。