玄武岩纤维贫混凝土基本力学性能试验研究

玄武岩纤维贫混凝土基本力学性能试验研究摘要：本文通过玄武岩纤维贫混凝土的抗压、抗折试验，研究玄武岩纤维不同掺量对贫混凝土力学性能的影响，并首次在贫混凝土基层中提出玄武岩纤维的合理掺量范围和最佳掺量：合理掺量范围是3-6kg/m3，最佳掺量是4.8 kg/m3。

abstract： through the compression and bending test of basalt fiber lean concrete， the paper studies the influence of different dosage on the lean concrete mechanical properties of basalt fiber， and puts forward the reasonable dosage range which is 3-6kg/m3 and best dosage of basalt fiber which is 4.8 kg/m3.
关键词：道路工程；玄武岩纤维；抗压抗折试验；力学性能；最佳掺量
key words： road engineering；basalt fiber；compressive and flexural test；mechanical properties；optimal dosage 中图分类号：tu71 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2013）05-0033-03
0 引言
玄武岩纤维混凝土是国际上近些年发展很快的一种新型高性能水泥基复合材料。

玄武岩纤维的作用主要是增强混凝土材料的抗拉强度和抗裂性，减小温差变化时结构的收缩变形量。

在受应力作用初期，混凝土与玄武岩纤维共同承受应力作用，但是前者是温度应
力或者荷载作用的主要受力者；当混凝土发生微裂后，横跨裂缝的纤维成为应力的主要受力者。

但是作为基层材料，目前国内外玄武岩短切纤维贫混凝土基层研究很少，将其短切后掺入贫混凝土中能否改善其性能，改善到什么程度，掺入纤维的尺寸和掺量等都是值得研究的问题。

1 原材料试验
1.1 水泥本文采用湖南永州莲花牌复合硅酸盐水泥p·c3
2.5，其物理力学指标如表1。

其强度等级为32.5mpa，要求水泥初凝时间3h以上，终凝时间不小于6h。

1.2 集料粗集料：集料必须清洁，不含有机物、块状或团状的土块、杂物及其他有害物质。

粗集料应采用耐久、坚硬的岩石轧制而成，最大粒径不超过40mm。

本文采用湖南永州宁远石灰石，色泽较好。

其各项指标见表2。

贫混凝土基层集料的最大公称粒径为26.5mm，基层备料宜分三级，即： 26.5～19mm，19～9.5mm，9.5～4.75mm。

具体级配见表3。

细集料：应采用质地坚硬、耐久、洁净的天然砂、机制砂或混合砂，用于填充碎石或砾石等粗骨料的空隙并共同组成玄武岩纤维贫混凝土的骨架。

砂的粗细程度用砂的细度模数表示。

贫混凝土的水灰比是在很小的范围内变化，而影响和易性与密实程度的因素主要是砂的粗细程度，因而应尽量选择中砂至粗砂，本文采用砂率为36～38。

具体砂率见表4。

1.3 水水：拌和水和养护水不得含有影响贫混凝土质量的油、
酸、盐类及有机物等有害物质，坚决避免使用海水。

符合饮用标准的水以及自然水都可以使用。

1.4 外加剂外加剂：在玄武岩纤维贫混凝土的拌制过程中，加入玄武岩纤维后，其混合料的工作性会下降、为了提高其工作性，减少水泥用量，需要掺入一定量的外加剂，如减水剂。

本试验采用外加剂为株洲中铁桥梁外加剂有限责任公司tqn聚羧酸高性能减水剂，掺量为1%（相对水泥），其技术指标如表5。

1.5 玄武岩短切纤维玄武岩短切纤维：采用玄武岩纤维是浙江石金玄武岩纤维有限公司生产的采玄武岩短切纤维，其型号为
bfcs-17-264-20-w，直径17μm，长度20mm。

（表6）
2 配合比设计
2.1 贫混凝土基层各强度指标要满足《水泥混凝土路面施工技术规范》（jtg-f30）中的规范要求。

玄武岩纤维加入贫混凝土基层中，抗压抗折强度有所提高，本文参照表7的要求，设计抗压强度fcu，k=10mpa，设计抗弯拉强度fr=2mpa。

2.2 工作性要求：贫混凝土的塌落度宜满足施工方式的要求，见表8。

2.3 本试验玄武岩纤维混凝土基准配合比设计强度为c10，分别制作水灰比为0.95、0.9、0.85的基准混凝土（未掺玄武岩纤维），分别加入1.4‰（
3.4kg/m3），1.7‰（
4.1kg/m3），2.0‰（4.8kg/m3），4‰（9.6kg/m3），6‰（14.4kg/m3）五种玄武岩纤维的掺量（质量百分数外掺）。

3 试验方法
采用强制式混凝土搅拌机拌和，在振动台上振动密实成型。

为保证玄武岩纤维拌和均匀，先采用干拌法，即先搅拌粗细骨料，拌合均匀后再均匀掺入玄武岩纤维，之后在搅拌的过程中加入水泥，再加水和外加剂水溶液进行湿拌，直至均匀，搅拌。

按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》的规定，抗压和劈裂试件采用150mm ×150mm×150mm立方体为标准试件，抗折采用150mm×150mm×550mm的小梁为标准试件。

4 强度试验结果及分析
强度试验结果及分析如表10～11所示。

4.1 由图1、2分析可知，随着玄武岩纤维掺量的增加，贫混凝土的抗压抗折强度逐渐增强，在7d时，混凝土强度基本已经达到了已经达到设计抗压强度fcu，k=10mpa，设计抗弯拉强度fr=2mpa，原因可能是水泥本身的强度较高造成的。

4.2 从图1、2不难得到，和不掺纤维的贫混凝土相比，掺加玄武岩纤维后，各项强度均得到增强，7d抗压强度增幅达到9.5%左右，7d抗折强度达到18.4%左右，对28d抗压强度的影响最为显著，最大可达到1.51倍，这说明玄武岩纤维对强度起到了增强作用；原因主要有两个方面，一个方面是玄武岩纤维本身直径小，短切到20mm长，同等质量的纤维，其单位面积的纤维根数越多，纤维的比表面积就越大，从而使玄武岩纤维与水泥基材的粘结面积越大，玄武岩纤维跨越裂缝的根数就越多，混凝土受到拉力作用时，虽然混
凝土开裂，但是玄武岩纤维尚未达到其抗拉强度极限，将承担一部分塑性开裂应力，使得混凝土仍然具有一定的承载能力。

另一个方面是玄武纤维的极限延伸率大大超过了水泥基材料，在拉力的作用下，玄武岩纤维达到其抗拉强度极限被拉断，但是玄武岩纤维在结构中吸收开裂时产生的能量，同样使得混凝土的抗拉强度得到了提高。

4.3 根据图1，2显示得知，玄武岩纤维掺量从0增加到1.4‰时，其强度增幅较大，纤维掺量从1.4‰增加到2‰时，增幅很小，纤维掺量增加到4‰时已经趋于平缓，其7d和28d抗压抗折强度已经达到设计要求。

当玄武岩纤维掺量的增加到2‰时，7d抗压抗折强度达到一个高峰值，水灰比为0.95时，7d抗压强度为9.8mpa，7d抗折强度为2.06mpa；水灰比为0.9时，7d抗压强度为10.8mpa，7d抗折强度为2.18mpa。

且和4‰，6‰的掺量相比，各项强度其抗压抗折强度增幅很小，趋于平缓。

4.4 玄武岩纤维的市场价格目前为28000元/t，综上分析，考虑成本和性能因素，确定贫混凝土基层中最佳的玄武岩纤维掺量为2‰（4.8kg/m3），最佳掺量范围为3-6 kg/m3。

但是同时通过试验过程中存在的问题：①玄武岩纤维在拌合过程中，随着与集料的碰撞摩擦，玄武岩纤维从开始的束状变成丝状，这样在混凝土中，单丝的玄武岩纤维肯定没有束状的纤维性能好，纤维太细，其与混凝土接触面积及其有限，不能能提供足够的锚固力而提高抗拉强度对混凝土性能的提高作用也就不明显。

②玄武岩
纤维的尺寸对贫混凝土性能的影响，本文用长度为20mm和长度为24mm的对比，试验发现结果相差不大，这个合理的玄武岩纤维长度是多少，还需要借助内部微观结构分析，这个也是本文的需要继续研究的工作。

5 结语
本文通过对5种不同掺量的玄武岩纤维贫混凝土和未掺加玄武岩纤维的贫混凝土材料进行抗压、抗折，来研究、确定合理的玄武岩纤维掺量范围和最纤维掺量。

在贫混凝土基层中，玄武岩短切纤维的合理掺量为3-6kg/m3，最佳掺量为4.8 kg/m3。

参考文献：
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