玄武岩纤维自密实混凝土的配制及性能研究.pdf

2 0 1 2年第 1 期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i n g 1 21 文章 编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 1 2 1 0 3 玄武岩 纤维 自密 实混凝 土的配制及性 能研 究 潘 慧敏 ， 赵庆新 ( 燕 山大学 建筑工程与力学学 院 ， 河北 秦皇 岛0 6 6 0 0 4 ) 摘要： 文章对玄武岩纤维 自密实混凝土的配制及性能进行 了系列试验 。结果表 明， 在 满足混凝土强度等 级 的前提 下 ， 通 过调 整砂 率 、 增加 胶凝 材料 用量 、 用水 量及 高效 减水 剂 用量等措 施 ， 可使 纤 维混凝 土达到 自密实； 玄武岩纤维对混凝土力学性能的影响源于其阻裂效应和弱界 面效应的共 同作用。 关键 词 ： 自密 实混凝 土 纤 维增 强 玄武 岩 纤维 中 图分类 号 ： T U 5 2 8 5 7 2文献标 识 码 ： A 自密 实 混 凝 土 ( s e l c o m p a c t i n g C o n c r e t e ， 简称 S C C ) 拌和物具有 良好 的工作 性， 在密集配筋条件下 ， 无需振捣 ， 仅靠混凝土 自重 ， 便能均匀密实成型。 自密 实混凝土的应用可 以解决 传统混凝土施工 的漏振 、 过 振 ， 以及钢筋密集难 以振捣等 问题 ， 还将大大降低施工 噪音 ， 减少能源消耗。因此 ， 自密实混凝土是高性能钢 筋混 凝 土发展 的热 门课题 之 一 。 自密实混凝土同样具有普通混凝土 的缺点 ， 如化 学收缩和干燥收缩等原 因引起 的混凝土 内部微裂纹。 这些微裂纹 的存 在会导致混凝 土受力 时产 生应力集 中， 从而降低混凝土强度。为克服这一缺陷， 纤维增强 混凝土的应用 日益增多。研究表明 ， 在混凝土 中掺 人钢纤维 、 聚丙烯纤维 、 玻璃纤维、 尼龙纤维等 ， 可有效 提高混凝土的强度及抗裂性能。 玄武岩纤维( B a s a l t F i b e r ) 是一种新 的混凝土增强 材料 ， 由纯 天然 的火 山岩 ( 含玄武 岩 ) 矿石 经高温 熔 融 、 拉丝而成 ， 是典型的硅酸盐纤维 ， 具有性价比高 、 抗 拉强度高 、 耐腐蚀、 耐高温 、 抗裂性能好等优点 ， 是其它 材料 的良好替代 品。玄 武岩纤 维应用在混凝 土中， 与 碳纤维等相 比， 有性价比优势， 其试验研究具有一定的 理论意义和实用价值 。但 是 ， 纤维 的加入 会使新 拌混凝土的黏聚性增大 ， 坍落度和流动性下降， 对混凝 土的工作性产生影响。因此 ， 如何将 自密实和纤维增 强两种 昆 凝土技术很好地结合起来 ， 更好地将混凝 土 应用于特殊 工况有着重要 意义 。本文研究 不 同玄 武岩纤维掺量下 自密实混凝土的配制方法及玄武岩纤 维对混凝土力学性能的影响。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 6 1 5 ； 修 回日期 ： 2 0 1 1 1 0 - 1 8 基金项 目： 河北 省高等学校科学技术研究重点项 目( D 2 0 1 0 1 1 4 ) 作者简介 ： 潘 慧敏 ( 1 9 7 8 一) ， 女 ， 河北卢龙人 ， 讲师 ， 硕士 。 1 试 验概 况 1 1原 材料 试 验用 原材 料 为 ： P O 4 2 5普 通 硅 酸盐 水 泥 ； 秦 皇岛热电厂产 级粉煤灰 ； 辽宁绥中洁净河砂 ， 细度模 数 2 9 ； 破碎石灰石 ， 5 2 0 mm连续级配 ； 横店集团上 海俄 金玄 武岩 纤 维有 限公 司 生产 的短 切 玄 武岩 纤 维 ， 其性能指标见表 1 ； U N F 5萘系高效减水剂， 减水率为 2 0 表 1 玄武岩纤维的物理力学性能指标 1 5 1 2混凝 土 配合 比 本试验从 自密实混凝土的制备原理入手 ， 对砂率、 胶凝材料用量 、 粉煤灰掺量等影 响 自密实混凝土工作 性的因素进行了系统的试验分析 ， 经优化 ， 得到性能稳 定的 C 4 0自密实混凝 土基 准配合 比， 见表 2 。在保持 基准配 比的基 础上 ， 玄武岩纤维掺量 分别为 0 ， 1 0 ， 1 5， 2 0， 2 5， 3 0 kg m。 。 表 2 C 4 0自密 实混凝土基准 配合 比 k g m 1 3纤维 混 凝土 制备 方法 先将纤维与砂 、 石 、 水泥干拌 1 01 5 m i n ， 使玄 武岩纤维均匀分布于混凝 土中， 再加水湿拌 ， 全部搅拌 时间较普通混凝土延长 1 2 mi n 。 l 2 2 铁道建筑 1 4试 验方 法 本试验对混凝土进行 自密实性检测及基本力学性 能测试 。新拌混凝土 自密实性包括填充性、 间隙通过 性和抗离析性。本试验采用坍落度筒法及 自制的自密 实能力测试仪测定混凝 土的工作 性 。 自密实能力 测试仪示意图见 图 l 。测试方法 为： 将方箱 内的钢筋 笼摆正 ， 固定好上盒 ， 装入新拌混凝土 ， 5 m i n后将 方 箱放 在振 动 台上 ， 测 量 上 盒 中混 凝 土 振 动前 后 的 距 离 差 ， 计算混凝土的体积变化。振动后 体积与振动前体 积之 比即为混 凝土 的 自密实程 度 。 混凝土抗压 、 抗折性 能试 验参 照 普通混凝 土力 学性能试验方法标准 ( G B T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 ) 实施。 钢筋笼 图 1 混凝土 自密实能力测试仪示意 尺 2 试 验结果与分析 2 1 自密 实混凝 土配 合 比调 整 对不同玄武岩纤维掺量的自密实混凝土进行工作 性 测试 ， 结 果见 表 3 。 表 3玄武岩 纤维自密实混凝土的工 作性 由表 3可 知 ， 混凝 土 中掺入 1 53 0 k g m 的 玄 武岩纤维， 会导致新 拌混凝 土坍 落度下降 ， 扩 展度减 小 ， 自密实程度降低 ， 且变化幅度随纤维掺量的增加而 相应地增大。 为使 自密实纤维混凝土满足工作性要求 ， 本文在 基准配比的基 础上 ， 选择玄武岩纤维掺量为 2 k g m 的混凝土， 对其砂率 、 胶凝材料用量、 水胶 比进行 了单 独调整， 砂率 ( 代 号 s P) 调整为 4 7 ， 5 0 ， 胶凝材 料 用量 ( 代 号 C ) 调整 为 5 3 0 k g m 、 5 5 0 k g m ， 水胶 比 ( 代号 C W) 调整为 0 4 0 。调整后的坍落度、 扩展度 、 自密实程度变化见 图 2图 4 。 趟 皑 蜊 稚 壬 j ( 稍 皿 调整项 目 图 2 坍 落度 变化 图 3 扩展度变化 调整项 目 图 4 自密实程度变化 由图 2图 4可见 ： 砂率增大至 4 7 后 ， 坍落度 和扩展度增大 ， 自密实程度增强 。当砂率增加至 5 0 后 ， 扩展度反而减小 ， 自密实程度也有所降低。由此可 见 ， 和普通混凝土相似 ， 纤维 自密实混凝土也同样存在 着合理砂率的问题。 随着胶凝材料用量 的增加 ， 混 凝土的坍落度和扩展度相应增加 ， 自密实程度增 强。 这说明增加胶凝材料用量也是实现纤维 自密实混凝土 的有效途径之一。但 由于水泥等胶凝材料与混凝土其 它组分相 比单价高 ， 故增加胶凝材料用量势必会导致 混凝土单方造价的大幅提升。同时 ， 国内外研究也表 g m 趟壤密 标 一 2 0 1 2年第 1 期 玄武岩纤维 自密实混凝 土的配 制及性 能研 究 1 2 3 明 ， 混凝土中胶凝材 料用量 的增加 ， 尤其是水 泥用 量的增加 ， 会提高因水化热带来的内部温升 和开裂倾 向， 硬化混凝土收缩徐变也会随之增大， 导致体积安定 性不 良。因此 ， 从技术和经济两方面考虑 ， 自密实混凝 土 的胶 凝材 料用 量 宜控 制在 4 5 0 5 5 0 k g m 。 当水 胶 比提 高 到 0 4 0后 ， 新 拌 混凝 土 的坍落 度 、 扩 展 度 、 自 密实程度有所提高 ， 但试验过程中发现， 该新拌混凝土 出现离析现象 ， 且泌水严重。因此 ， 为保证混凝土硬化 后 的质 量和 强度 等 级 ， 用 加 大 用水 量 来 提 高 自密 实性 的办法 是不 可行 的 。 本试验对玄武岩纤维掺量为 2 k g m 的新拌混凝 土进 行 了调 整 。结果 表 明 ， 随着纤 维掺 量 的增大 ， 混凝 土的工作性 、 自密实程度会减低 ， 但通过调整各组分配 比， 可使纤维掺量较大的混凝土达到 自密实 ， 从而将 自 密 实与 纤维 增强 两种 混凝 土技 术较 好 的结合 。 2 2 玄 武岩 纤维 对混 凝土 力 学性 能的影 响 纤 维 自密实 混凝 土 抗 压 、 抗 折 强 度 随 纤 维 掺量 的 变化 如 图 5所 示 。 1 2 5 I 20 l 1 5 l 1 0 1 O 5 1 OO l 0 l 5 2 0 2 5 3 0 玄武岩纤维掺量 ( k g m ) 图 5 纤维 自密实混凝 土抗压 、 抗折强度 与纤维掺 量的关系 从 图 5可以看 出， 掺人玄武岩纤维后 ， 自密实混凝 土的抗压 、 抗折强度均有不同程度的提高 ， 最大增幅均 达到 2 0 。 由 图 5也可 以看 出 ， 随 着玄武 岩 纤维掺 量 的增 加 ， 起初 ， 抗压 、 抗折 强度成上 升态势 ， 但 是 ， 当掺 量达到 2 0 2 5 k g m 后 ， 抗压 、 抗折强度又有下降的趋势。 因此 ， 随着 纤维 掺 量 的变 化 ， 抗 压 、 抗 折 强 度 均 存 在 一 个 峰值 范 围 。 纤维的掺入量对混凝土抗压 、 抗折强度 的影响并 不是随着掺量增大而增强， 其主要原因是 ， 当纤维掺量 达到最合适的 比例后 ， 再掺入纤维 ， 会破坏已经形成的 混凝土 内部的最佳的构造 ， 纤维的比表面积增加较大， 纤维不能被足够 的浆体包裹 ， 使得混凝土 的密实度下 降 ， 内部缺陷增多 ， 易出现微裂缝和气孔 ， 尤其 当纤 维掺量较大时 ， 会造成混凝土强度略有下降。 玄武岩纤维对混凝土力学性能的影响源于其阻裂 效应和弱界面效应的共 同作用。阻裂效应是指分散的 纤维减缓粗集料的下沉和水的上升 ， 从而阻碍沉降裂 缝 的形 成 ， 控 制 混凝土 硬化 初期 由于离 析 、 泌水收 缩等 因素形成的原生裂隙并减小其数量和尺度。这对混凝 土 后期 力学 性能 是有利 的。弱界 面效应 是 由于玄 武岩 纤维细度高 、 比表面积大， 使混凝土中形成大量纤维一 混凝土基体界面。该界面具有比基材更高的水灰 比， 导致混凝土孔隙率增大 ， 对混凝土力学性能产生不利 影 响 。随着纤 维掺 量 的增 加 ， 纤维 在 混 凝 土基 体 的 均 匀分散性变差 ， 弱界面效应变得更明显。因此 ， 纤维掺 量较低时， 其阻裂效应大于弱界面效应 ， 使得混凝土的 抗压强度略有提 高。当纤维掺量 较高， 尤其是 2 5 k g m 时 ， 纤维对混凝土的弱界面效应大于阻裂效应， 使得抗压强度有所降低。 3 结 论 1 ) 在基准配合 比的基础上 ， 通过调整砂率 、 增加 胶凝材料用量 、 增加用水量、 增加高效减水剂用量等措 施 ， 可以完成纤维 自密实混凝土的配制 ， 并使其达到 自 密实。这对将 玄武岩纤维混凝土更好地用 于特 殊工 况 、 不 易振 捣或 修 复工程 中 ， 有 着重 要意义 。 2 ) 玄 武 岩纤 维 对 混 凝 土 力 学 性 能 的影 响 源 于其 阻裂效应 和弱界 面效应 的共 同作用。本 试验 表 明， 玄武 岩 纤 维 掺 量 较 低 时 ， 纤 维 自密 实 混 凝 土 的 力 学 强度有所提 高 ； 当掺量较 高 ， 尤 其是大 于 2 5 k g m 时 ， 玄武岩纤 维对 自密实 混凝土 的力 学性能 产生不 良影 响 。 参 考 文 献 I 刘竞 ， 邓德华 ， 赵腾龙 聚丙烯 纤维 自密实高性 能混凝 土的 配制及 性能 J 人 民长江 ， 2 0 0 7 ， 3 8 ( 1 1 ) ： 7 4 7 7 2 刘霞 ， 吴冬 ， 王兴辉 自密实 混凝土在 国家体育 场的研究 和 应 用 J 混凝土 ， 2 0 0 8 ( 1 ) ： 1 0 7 1 1 1 3 李韧 ， 毕重 ， 王玉 ， 等 短切玄武岩纤维 自密实混凝土力 学性 能 的试 验研究 J 混凝 土与水泥制 品 ， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 4 8 5 0 4 崔毅 华 玄武岩 连续纤维 的基本 特性 J 纺织 学报 ， 2 0 0 5， 2 6( 5)： 1 2 0 1 2 1 5 李 为民 ， 许 金余 玄 武岩 纤维 对混 凝土 的增强 和增 韧效 应 J 硅酸盐学报 ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 4 ) ： 4 7 6 - 4 8 6 6 P A V L O V S K I D， MI S L A V S K Y B， A N T O N N O V A C N G c y l i n d e r m a n u f a c t u r e r s t e s t b a s a l t fi b e r J R e i n f P l a s ， 2 0 0 7 ( 4 ) ： 3 6 3 9 7 赵庆新 C 4 0自密实高性 能混 凝土 性能研究 与配 合 比预 测 D 秦 皇岛 ： 燕 山大学 ， 2 0 0 2 ： 2 3 2 5 8 吴 中伟 ， 廉 慧珍 高性 能混凝 土 M 北京 ： 中国铁 道 出版 社 ， 1 9 9 9 ( 责任审编 白敏华)