姜國新，趙 川，郭俊利，易 蓉，羅茂盛，彭章雅，王筱紅

(四川省水利科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

0 引 言

水泥砂漿是水工建筑物重要的建筑材料，傳統(tǒng)水泥基材屬于脆性材料，其抗拉和抗彎性能較差，對建筑物的耐久性影響較大，導(dǎo)致在高寒、高海拔、強紫外線等地區(qū)的水工混凝土結(jié)構(gòu)的破壞問題十分嚴(yán)重[1-3]。通過在水泥基材中加入玄武巖纖維(Basalt fiber，BF)等高性能纖維材料有助于改善其脆性問題，抑制基體收縮裂縫的產(chǎn)生和擴展[4-5]。

Wang等[6]通過試驗研究了玄武巖纖維在低溫下對瀝青結(jié)合料和膠泥的影響，發(fā)現(xiàn)武巖纖維不僅可以抑制材料的軸向應(yīng)變，增加膠泥試樣的剛度，還能提高試件的疲勞壽命；Ludovico等[7]將玄武巖纖維與水泥基體進行結(jié)合，并用于約束鋼筋混凝土構(gòu)件的加固材料，可以克服環(huán)氧基FRP層壓板承載力不足的缺陷；高真等[8]采用現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬方法研究了玄武巖纖維對混凝土抗壓強度的影響機制，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維的摻入能夠改善混凝土的抗壓性能，纖維-界面之間的薄弱層不利于混凝土抗壓強度的提升；朱春琪等[9]等研究了玄武巖纖維在普通硅酸鹽水泥(OPC)和高貝利特硫鋁酸鹽水泥(HB-CSA)環(huán)境下的長期增強效果，驗證了玄武巖纖維對水泥材料具有較好的增強效應(yīng)和抗裂性能。

玄武巖纖維是新型無污染的綠色工業(yè)原材料，與鋼纖維和碳纖維等相比其具有優(yōu)異的力學(xué)性能和化學(xué)性能[10-14]。已有的相關(guān)研究主要集中在玄武巖纖維對改善混凝土等復(fù)合材料的力學(xué)性能，而開展玄武巖纖維對水泥砂漿力學(xué)指標(biāo)影響的定量研究還不多。本文通過室內(nèi)試驗對長度12 mm玄武巖纖維不同摻量的水泥膠砂標(biāo)準(zhǔn)試件進行3、28 d的抗折強度和抗壓強度測試，從微觀角度開展破壞機理研究。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

(1)水泥。試驗采用普通硅酸鹽水泥，強度等級為42.5R級，砂為中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，試驗用水采用蒸餾水。

(2)玄武巖纖維。試驗采用的玄武巖纖維束長12 mm，寬1.5 mm，厚0.1 mm，密度為2 700 kg/m3，彈性模量150 GPa，抗拉強度3 000 MPa，斷裂伸長率為3.2%，玄武巖纖維束樣品如圖1所示。

圖1 試驗選用玄武巖纖維束樣品

1.2 試驗設(shè)計

本試驗按不同纖維摻量分為9組，纖維用量分別為0(空白對照組)、4.5、9.0、13.5、18.0、22.5、2.2、1.4、0.7 g，玄武巖纖維摻量質(zhì)量占比分別為0、1%、2%、3%、4%、5%、0.49%、0.31%、0.16%，相應(yīng)的試件編號分別為KB、XWY-1、XWY-2、XWY-3、XWY-4、XWY-5、XWY-6、XWY-7、XWY-8。每組均重復(fù)3次試驗，取平均值作為測試結(jié)果。

1.3 試驗方法

試驗時按照GB/T17671—2021《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》[15]采用40 mm×40 mm×160 mm棱柱體的水泥膠砂試模，按0.5的水灰比拌制塑性膠砂并經(jīng)振實臺振搗成型，脫模標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護后按3 d和28 d齡期分別在電動抗折強度試驗機和全自動抗折抗壓恒應(yīng)力試驗機上進行抗折強度和抗壓強度測試，本次試驗采用的儀器設(shè)備見圖2。

圖2 電動抗折強度試驗機和全自動抗折抗壓恒應(yīng)力試驗機

根據(jù)GB/T17671—2021《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》第10條試驗程序規(guī)定，首先用電動抗折試驗機測定膠砂試件的抗折強度，加載速率(50±10)N/s，之后取出兩個半截試體，進行抗壓強度試驗，加載速率(2 400±200)N/s。應(yīng)注意在進行抗壓強度測試時保持兩個半截棱柱體處于潮濕狀態(tài)。

抗折強度計算公式為

Rf=1.5FfL/b3

(1)

式中，Rf為抗折強度，MPa；Ff為折斷時施加于棱柱體中部的荷載，N；L為支撐圓柱之間的距離，mm；b為棱柱體正方形截面的邊長，mm。

抗壓強度計算公式為

RC=Fc/A

(2)

式中，RC為抗壓強度，MPa；Fc為破壞時的最大荷載，N；A為受壓面積，mm2。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試件制備和外觀分析

按規(guī)范要求，采用行星式水泥膠砂自動攪拌機對水泥膠砂和不同摻量的玄武巖纖維進行攪拌(見圖3)，之后倒入放置于水泥膠砂振實臺上的標(biāo)準(zhǔn)模具中并進行振實，取下試模刮去高出試模的膠砂并抹平，最終成型的試件如圖4所示。

圖3 水泥膠砂自動攪拌機和水泥膠砂振實臺

圖4 不同玄武巖纖維摻量水泥膠砂試件成型樣品

由圖4可知，隨著玄武巖纖維摻量的增加，試件的稠度也隨之增加，表面越來越粗糙和干燥。當(dāng)纖維摻量不超過2%時，拌和物的和易性和泌水性較好，試件收面更加容易；而當(dāng)纖維摻量超過2%時，試件表面更加干燥和松軟，并且難以收面，拌和物的和易性和泌水性相對較差。

表1給出了不同玄武巖纖維摻量水泥膠砂試件成型樣品脫模后的重量和密度統(tǒng)計結(jié)果。分析可知：隨著玄武巖纖維摻量的增加，試件重量和密度整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)纖維摻量增加到0.31%時，試件質(zhì)量平均值達到最大值為598.5 g(密度為2 337.9 kg/m3)，之后逐漸降低(摻量為3%突變至593.1 g)，最小質(zhì)量為摻量5%對應(yīng)的576.3 g，密度僅為2 251.2 kg/m3。初步分析原因，是由于玄武巖纖維與水泥膠砂基體間存在一定的間隙，并未緊密聯(lián)結(jié)，纖維摻量越多，間隙越大，導(dǎo)致試件質(zhì)量和密度越小，表明玄武巖纖維與水泥膠砂并未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

表1 不同玄武巖纖維摻量水泥膠砂試件拆模后質(zhì)量和密度

2.2 抗折強度試驗結(jié)果分析

進行不同玄武巖纖維摻量水泥膠砂試件抗折強度測試時，每個玄武巖纖維摻量水泥膠砂共6個試件，3個用于3d抗折強度測試，3個用于28 d抗折強度測試。試驗結(jié)果如表2和圖5所示。

表2 不同玄武巖纖維摻量水泥膠砂試件3、28 d抗折強度測試結(jié)果

圖5 不同玄武巖纖維摻量水泥膠砂試件3、28 d抗折強度測試結(jié)果擬合曲線

由表2、圖5可知，各玄武巖纖維摻量的水泥膠砂試件抗折強度均隨著期齡的增加而出現(xiàn)不同程度的提高。其中，期齡為3 d時，對照組(不摻玄武巖纖維)試件的平均抗折強度為5.97 MPa，摻了0.16%的玄武巖纖維后，平均抗折強度未發(fā)生變化仍為5.97 MPa，當(dāng)纖維摻量提高到0.31%后，平均抗折強度提高到6.03 MPa，提高幅度為1%左右，提高幅度不大，之后隨著纖維摻量的進一步增加，平均抗折強度則呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(圖5a)，當(dāng)纖維摻量為5%時，平均抗折強度僅為4.33 MPa，僅為空白組的72.5%；期齡為28 d時，對照組(不摻玄武巖纖維)試件的平均抗折強度為8.63 MPa，隨著玄武巖摻量的逐步增加，平均抗折強度開始逐漸降低，僅在纖維摻量為0.49%的時候出現(xiàn)了一定回升，但總體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(圖5b)，最終當(dāng)纖維摻量為5%時，平均抗折強度為7.00 MPa，僅為空白組的81.1%。結(jié)合圖5不同玄武巖纖維摻量水泥膠砂試件抗折強度趨勢線，說明摻少量的玄武巖纖維在一定程度上有助于提高水泥膠砂試件的早期抗折強度，但過多的纖維摻量不利于早期和后期的抗折強度。

2.3 抗壓強度試驗結(jié)果分析

進行抗折強度測試后，將得到的6個抗壓試件進行抗壓強度試驗，鑒于篇幅限制，本文僅統(tǒng)計出期齡3 d和28 d的抗壓強度平均值(根據(jù)規(guī)范要求，剔除超過平均值±10%的結(jié)果再取平均值)，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)不摻玄武巖纖維時，試件的3 d和28 d抗壓強度分別為30.6 MPa和53.0 MPa，隨著玄武巖纖維摻量的增加，水泥膠砂試件的早期和后期抗壓強度均逐漸降低，僅在纖維摻量為0.49%～1%時出現(xiàn)一定回升，之后進一步降低，直到纖維摻量為5%時，3 d和28 d抗壓強度分別為19.1 MPa和34.6 MPa，僅為空白對照組的62.4%和65.3%，這說明玄武巖纖維的摻入不利于水泥膠砂的抗壓強度。

圖6 不同玄武巖纖維摻量水泥膠砂試件3、28 d抗壓強度

3 破壞試件微觀結(jié)構(gòu)分析討論

結(jié)合上述玄武巖纖維水泥膠砂試件的制備過程和力學(xué)性能測試結(jié)果，可以看出：少量的玄武巖纖維摻量可以改善水泥膠砂拌和物的和易性和泌水性，且試件收面更加容易，水泥膠砂試件的早期抗折強度有一定提高，但過多的纖維摻量不利于水泥膠砂試件早期和后期的抗折強度和抗壓強度。分析原因：可能是由于本次試驗選用的玄武巖纖維長度為12 mm，纖維在水泥膠砂中的分散性較差，過多的纖維容易聚成一團，且由于纖維的憎水性，水泥膠砂和纖維之間存在間隙，使得兩者的界面區(qū)結(jié)構(gòu)較為松散，從而降低水泥膠砂的整體結(jié)構(gòu)強度。

圖7為3 d期齡抗折強度測試后的9組試件，部分試件經(jīng)抗折強度測試后，出現(xiàn)了“藕斷絲連”的現(xiàn)象，并未完全斷開，這是由于摻入的玄武巖纖維抗拉強度很高，在斷裂區(qū)膠砂握裹力作用下，不至于完全斷裂。圖8為強度測試后試件通過顯微鏡觀察到的纖維束與砂漿基材微觀結(jié)構(gòu)，可以明顯看到聚集在一起的玄武巖纖維以及與水泥膠砂的間隙及氣泡。

圖7 3 d期齡試件抗折強度測試后的外觀

圖8 強度測試后試件的微觀結(jié)構(gòu)(單位：mm)

4 結(jié) 論

通過室內(nèi)試驗對不同玄武巖纖維(長度12 mm)摻量的水泥膠砂標(biāo)準(zhǔn)試件進行抗折強度和抗壓強度測試，并從微觀結(jié)構(gòu)進行破壞面機理研究分析，得到以下結(jié)論：

(1)不超過2%的玄武巖纖維摻量時，拌和物的和易性和泌水性較好，試件收面更加容易，之后隨著摻量增加，試件的稠度逐漸增大，表面越來越粗糙和干燥。

(2)隨著玄武巖纖維摻量的增加，試件質(zhì)量和密度整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)纖維摻量增加到0.31%時，試件質(zhì)量平均值達到最大值為598.5 g，此時密度最大。說明當(dāng)纖維摻量為0.31%時，試件中砂漿和纖維最為緊密，間隙最小。

(3)摻少量(0.31%)的玄武巖纖維在一定程度上有助于提高水泥膠砂試件的早期抗折強度，但過多的摻量不利于水泥膠砂試件早期和后期的抗折強度。玄武巖纖維的摻入會降低試件的抗壓強度，且纖維摻量越多，降低幅度越大；

(4)摻入長度為12 mm的玄武巖纖維后，纖維在水泥砂漿中的分散性較差，容易聚成一團，水泥膠砂和纖維之間存在間隙，使得兩者的界面區(qū)結(jié)構(gòu)較為松散，從而降低水泥砂漿的整體結(jié)構(gòu)強度。

本文僅針對摻入長度為12 mm規(guī)格的玄武巖纖維水泥膠砂試件進行了力學(xué)測試分析研究，得到了相應(yīng)的結(jié)論。后期將進一步針對不同長度規(guī)格的玄武巖纖維水泥膠砂試件進行測試，并開展試件的抗凍性、抗沖性等耐久性測試，從而完善玄武巖纖維對改善水泥膠砂試件力學(xué)性能的研究內(nèi)容，為實際工程中推廣應(yīng)用夯實基礎(chǔ)。