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玄武岩纤维对大面积地坪用自密实混凝土的性能影响

2024-08-15 35 上传者：管理员

摘要：为提升大面积地坪施工中自密实混凝土的使用效果，设计试验分析了自密实混凝土抗冻性能、工作性能、强度性能与玄武岩纤维掺量之间的关系。试验结果显示：掺加玄武岩纤维后，自密实混凝土的坍落度、坍落扩展度等数据变小，填充性能、流动性能有所降低，通过钢筋间隙的能力相较变弱；混凝土劈裂抗拉强度、抗压强度均随玄武岩纤维掺量提升而表现出前期增长后期降低的发展趋势，两者最高值均出现于掺加2 kg/m3玄武岩纤维时；除此之外，玄武岩纤维的掺加有效改善了混凝土试件的抗冻性能，减少了内部孔隙，限制了微小裂缝的生成与发展。

关键词：
大面积地坪施工
工业建筑
抗压强度
玄武岩纤维
自密实混凝土
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随着我国民用与工业建筑的不断发展，建筑呈现大型化的趋势，大面积地坪的施工需求越来越多，传统普通混凝土工艺已逐渐不能在施工进度和质量方面满足建设单位的要求。自密实混凝土相较于常规混凝土，具有更强的抗离析性能，同时提升流动性和间隙通过性，施工过程中可直接密实成型，减少了混凝土浇筑过程中的振捣环节，成型后的混凝土耐久性能、力学性能等与常规混凝土没有明显差异[1-2]。当前自密实混凝土已被广泛应用于大面积地坪施工过程中，有效解决了传统混凝土应用于大面积地坪施工时容易出现的振捣密实性较差、钢筋密集区域浇筑效果不佳等问题[3-5]，应用效果良好。

自密实混凝土具有良好应用性能的同时，其浇筑成型后也容易出现干燥收缩和化学收缩，导致混凝土结构易出现大量微小裂缝，结构韧性较差，工程实践中可通过掺加纤维调节混凝土性能以解决这些问题。目前工程中常用纤维主要为玄武岩纤维、碳纤维、聚丙烯纤维、钢纤维等[6-9]，这类纤维的掺加能在改良混凝土韧性的同时提高结构抗裂性能，提升自密实混凝土应用效果。

玄武岩纤维是当前建筑工程实践中常用纤维种类之一，该类纤维耐高温性能、抗裂性能良好，同时具备一定抗腐蚀性能，但混凝土材料掺入该类纤维后会出现黏聚性提升的问题，很容易出现混凝土结构工作性能的降低。本文设计试验探究自密实混凝土掺加玄武岩纤维后工作性能、强度和抗冻性能的改良效果，以期促进自密实混凝土在大面积地坪施工中的高质量应用。

1、试验

1.1主要原材料

水泥材料采购自河南省大地水泥有限公司的强度等级为32.4级的复合硅酸盐水泥，经检测该水泥体积安定性符合规定要求，28 d抗压强度测试结果为37.5 MPa。所用河砂为细度模数为2.7的中砂。粗骨料为粒径5～20 mm的当地碎石，测试的密度均值为2 623 kg/m3。添加剂为采购自山西运城某公司的聚羧酸减水剂，减水率为30%。玄武岩纤维采购自河北灵寿某公司，纤维直径和抗拉强度分别为15μm、4 190 MPa。

1.2试验配合比

为模拟工程实践中不同场景对混凝土的需求，分别设计C30、C40和C50三种强度等级的混凝土，并分别添加0、1、2、4 kg/m3玄武岩纤维，分别成型纤维混凝土试件，置于标准养护条件下进行30 d养护后拆模，取出试件并开展试验以探究各组混凝土试件耐久性能、强度性能和工作性能差异。各试验组的配合比设计如表1所示，其中试验组编号为BFX-Y,X为混凝土强度等级，Y为玄武岩掺量，例如BFC40-1即为混凝土强度等级为C40级且掺加1 kg/m3玄武岩纤维的试验组。

表1试验配合比

1.3性能测试

根据JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》中相关描述设计试验，探究各组混凝土试件的坍落扩展时间、J环坍落扩展度、扩展度和坍落度等工作性能。

根据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》中相关描述制作150 mm×150 mm×150 mm标准试件，养护28 d后分别开展劈裂抗拉强度试验和抗压强度试验。

根据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中相关规定制作100 mm×100 mm×400 mm的C40级和C50级混凝土试件(C30混凝土抗冻性能较差，不再展开抗冻性能试验)，养护24 d后取出试件并在水中浸泡4 d，再取出试件并根据方案进行冻融循环试验。试验过程中单次冻融循环耗时为4 h，其中试件中心的最高温度和最低温度分别为3～7℃、-20～-16℃，冻融循环过程中每隔固定冻融循环次数后对横向基频、试件质量进行一次检测和记录，根据记录结果即可计算混凝土质量损失率。

2、试验结果与分析

2.1工作性能

各组混凝土试件的坍落扩展时间、J环坍落扩展度、扩展度和坍落度测试结果如表2所示。表2中，坍落扩展度减去J环扩展度所得差值用PA表示，该参数可以帮助评价混凝土通过钢筋间隙的能力。其中，PA取值范围在0～25 mm之间时，表示混凝土能够通过间距为60～80 mm的钢筋结构；而PA取值范围在26～50 mm时，表示混凝土的钢筋间距适用范围为80～100 mm。

表2工作性能测试结果

由表2可知：各项混凝土试验组中PA取值范围均在25 mm以内，这说明采用文中方式制备的纤维混凝土具有良好的间隙通过性；提高玄武岩纤维掺量过程中混凝土试件的J环坍落扩展度、坍落扩展度和坍落度均表现出逐渐下降的发展趋势，且坍落扩展时间也有所增加。这一现象表明混凝土试件在这一过程中填充性能和流动性能均逐渐出现了下降，换言之混凝土流经钢筋间隙的能力有所降低。究其原因在于混凝土结构掺入玄武岩纤维后，密集分布的纤维材料大量吸收混凝土中存在的水分并使得混凝土浆液的黏稠度有所增加，外在表现即为混凝土工作性能的下降。

2.2抗压强度

观察各组混凝土试件破坏形态，发现没有掺加玄武岩纤维的对照组混凝土试件的破坏形式为多处碎裂，部分区域出现少量裂缝，属于脆性破坏，且试验过程中发现试件强度等级越高则脆性破坏特征愈发明显。而掺加玄武岩纤维的混凝土试件在破坏时的完整性显著提升，破坏后裂缝宽度、长度均有所降低，说明混凝土试件经玄武岩纤维改良后韧性得到一定优化。其原因在于玄武岩纤维加入混凝土后会形成致密而杂乱的空间结构，可以近似看作网格结构，这一网格结构能够在混凝土结构受到拉力作用时强化结构延性，进而表现出降低脆性的效果。自密实混凝土掺入玄武岩纤维后的抗压强度测试结果如图1所示。

图1玄武岩纤维自密实混凝土的抗压强度

由图1可知，纤维混凝土的抗压强度随玄武岩纤维的掺量提升表现出先增加后降低的发展趋势，其中抗压强度最高值出现在纤维掺量为2 kg/m3时。以C30混凝土为例，在2 kg/m3纤维掺量下制备的混凝土试件的抗压强度为纤维掺量在0、1 kg/m3试件的1.09倍和1.06倍。究其原因在于混凝土内部掺加的纤维形成了近似于箍筋的结构体系，实现了结构的横向约束作用，最终表现为混凝土承压能力的提升。

掺加4 kg/m3玄武岩纤维后，相较于同等级掺加2 kg/m3玄武岩纤维的混凝土试件，抗压强度下降幅度分别为9.6%、14.2%和11.8%。究其原因在于玄武岩纤维掺量处于较高水平状态后，容易出现纤维结团现象，混凝土容易出现微小裂缝，最终表现为混凝土强度的下降。

2.3劈裂抗拉强度

由图2可知，纤维混凝土试件的劈裂抗拉强度随玄武岩纤维掺量的提升表现为前期缓慢提升，后期快速降低的发展趋势。其中，劈裂抗拉强度最大值出现在掺加2 kg/m3纤维时，此时C30级、C40级、C50级混凝土试件的劈裂抗拉强度(2.8、3.5、4.0 MPa)分别相对同等级混凝土不掺加纤维的试件的劈裂抗拉强度(2.5、3.0、3.5 MPa)提升12%、16.7%、14.3%，相较同等级混凝土掺加1 kg/m3纤维的试件的劈裂抗拉强度(2.7、3.4、3.8 MPa)提升3.7%、2.9%、5.3%。究其原因在于混凝土结构中掺加的玄武岩纤维能够实现相互搭接并大幅提升结构抗裂性能，最终表现为混凝土裂缝宽度、长度降低，数量减少。

图2玄武岩纤维自密实混凝土的劈裂抗拉强度

进一步提升纤维掺量至4 kg/m3时，C30级、C40级、C50级混凝土试件的劈裂抗拉强度(2.4、3.2、3.2 MPa)相对同等级混凝土掺加2 kg/m3纤维的试件分别下降14.2%、8.6%、20%。究其原因在于试验所用的玄武岩纤维表面光滑且具有较大的比表面积，使得混凝土结构和纤维材料之间产生了弱界面效应，引起劈裂抗拉强度的减小。

2.4抗冻性能

由表3可知，不同配合比条件下制备的混凝土试件的质量损失率均随冻融循环试验开展而逐渐提升。其中，进行50次冻融循环时，掺加4 kg/m3玄武岩纤维的各组混凝土质量损失率相对较低，究其原因在于此时玄武岩纤维掺量较高，使得制备过程中混凝土试件已经存在的部分微小裂缝和空隙在试验过程中吸水饱和，这在一定程度上缓解了质量损失问题。

表3不同冻融循环次数下混凝土的质量损失率

单位：%

进一步进行冻融循环至100次循环以上时，C40级混凝土试件的质量损失率峰值出现于掺加4 kg/m3纤维的试验组，掺加2 kg/m3纤维的试验组的质量损失率最小；强度等级为C50级的各组混凝土试件也表现出基本相同的发展趋势。可见玄武岩纤维的适量掺加有利于改良混凝土孔隙结构并实现抗冻性能的改良，其中掺加4 kg/m3玄武岩纤维时试件结构质量损失最严重，抗冻性能不佳。

3、结语

(1)自密实混凝土填充性能和流动性均随玄武岩纤维掺量的提升而逐渐下降。

(2)自密实混凝土的抗压强度随玄武岩纤维掺量的提升表现出先增加后降低的发展趋势，最高值出现于掺加2 kg/m3玄武岩纤维时，以C30混凝土为例，此时制备的混凝土试件的抗压强度约为未掺纤维的对照组混凝土的1.09倍。

(3)自密实混凝土的劈裂抗拉强度随玄武岩纤维掺量的提升而表现出前期缓慢提升后期快速降低的发展趋势，最高值出现在掺加2 kg/m3玄武岩纤维时，此时制备的混凝土试件相较于未掺纤维的对照组提升幅度在12%～16.7%之间。

(4)玄武岩纤维的适量掺加有利于改良自密实混凝土孔隙结构并实现抗冻性能的改良，质量损失率最低时玄武岩纤维掺量为2 kg/m3，此时自密实混凝土的抗冻性能最优。

参考文献:

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