段小芳，袁嬌嬌

（1. 南通開(kāi)放大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 江蘇 南通 226006； 2. 河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 南京 210098）

0 引 言

混凝土在土木工程中的應(yīng)用非常廣泛，其強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性至關(guān)重要。玄武巖纖維抗拉強(qiáng)度大，彈性模量高，因此有不少學(xué)者研究通過(guò)摻入玄武巖纖維提高混凝土強(qiáng)度，以改善混凝土脆性。高真等[1]研究表明，玄武巖纖維可以改善混凝土抗壓強(qiáng)度，長(zhǎng)度為6 mm 的纖維優(yōu)于12 mm的改善效果。張振雷[2]研究表明，玄武巖纖維可以提高混凝土抗壓強(qiáng)度，將其與纖維素纖維混摻時(shí)比單摻其中一種力學(xué)性能更優(yōu)，混凝土脆性得到改善。周浩等[3]研究表明，摻入體積率0.3 %及0.4 %的玄武巖纖維時(shí)，混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度提高最顯著。賀晶晶等[4]研究表明，同時(shí)摻入玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混凝土比單摻其中一種纖維時(shí)的劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度明顯提高。吳釗賢[5]等研究表明，摻入玄武巖纖維后，混凝土早齡期抗壓強(qiáng)度顯著提高。李韌[6]等研究表明，玄武巖纖維可以降低混凝土早期收縮變形。在對(duì)玄武巖纖維混凝土展開(kāi)的眾多研究中，關(guān)于早齡期玄武巖纖維混凝土力學(xué)發(fā)展規(guī)律的研究還少見(jiàn)報(bào)道。因此，本文擬通過(guò)在混凝土中摻入不同體積率的玄武巖纖維，研究其對(duì)混凝土早齡期力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)采用P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，混凝土目標(biāo)設(shè)計(jì)強(qiáng)度C40，石子粒徑為5~8 mm，砂子粒徑2~4.5 mm，高效減水劑，I 級(jí)粉煤灰，普通自來(lái)水，配合比見(jiàn)表1。在混凝土中摻入體積率為0、0.06 %、0.12 %、0.18 %、0.24 %、0.3 %、0.36 %的玄武巖纖維，研究混凝土早齡期立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度變化規(guī)律。玄武巖纖維主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 混凝土配合比 kg/m3

表2 玄武巖纖維主要參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

參考《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2019）規(guī)定，確定立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度的試件尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)的試件尺寸為150 mm×150 mm×550 mm。混凝土澆筑完成后放入溫度為（20±2）°C、相對(duì)濕度為90 %的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，測(cè)試齡期為 1 d、3 d、5 d、7 d、14 d、28 d。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 立方體抗壓強(qiáng)度

2.1.1 玄武巖纖維對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度的影響

混凝土立方體抗壓強(qiáng)度隨玄武巖纖維摻量的變化曲線見(jiàn)圖1。由圖1 可知，1~7 d 齡期立方體抗壓強(qiáng)度隨著玄武巖纖維摻量的增大而增大，14~28 d 齡期隨著玄武巖纖維摻量的增大而減小。玄武巖纖維摻量為 0 時(shí)，1 d、3 d、5 d、7 d 的立方體抗壓強(qiáng)度分別為 5.81 MPa、20.92 MPa、27.45 MPa、29.83 MPa；纖維摻量 0.24 %時(shí)，對(duì)應(yīng)齡期的強(qiáng)度達(dá)到最大，分別提高了41.31%、16.25%、5.72 %、6.10 %?？梢?jiàn)玄武巖纖維對(duì)1~3 d 齡期的抗壓強(qiáng)度提高較大，對(duì)3~7 d 齡期的抗壓強(qiáng)度提高較小。14 ~28 d 齡期玄武巖纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度有抑制作用，摻量越大，抑制越顯著。玄武巖纖維摻量0.36 %時(shí)，14 d、28 d 的立方體抗壓強(qiáng)度分別為32.88 MPa、38.44 MPa，與基準(zhǔn)試件相比降低了8.62 %和10.58 %。原因分析：0~7 d 漿體強(qiáng)度較低，齡期越小，漿體強(qiáng)度越小，玄武巖纖維強(qiáng)度高，可以通過(guò)橋接作用承受外力，早齡期抗壓強(qiáng)度提高；當(dāng)玄武巖摻量過(guò)多，在漿體內(nèi)部難以均勻分布，會(huì)出現(xiàn)成團(tuán)現(xiàn)象，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低；14~28 d 齡期混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增大，玄武巖纖維形成的三維骨架不利于漿體流動(dòng)，密實(shí)度降低，抗壓強(qiáng)度降低。

圖1 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度隨玄武巖纖維摻量變化曲線

2.1.2 齡期對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度的影響

玄武巖纖維混凝土立方體抗壓強(qiáng)度隨齡期發(fā)展變化曲線見(jiàn)圖2。由圖2 可見(jiàn)，前7 d 齡期立方體抗壓強(qiáng)度發(fā)展較快，7~28 d 發(fā)展平緩。7 d 齡期玄武巖纖維體積摻量0、0.06 %、0.12 %、0.18 %、0.24 %、0.3 %、0.36 %對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度分別為29.83、30.12、30.64、30.12、31.65、29.12、29.49 MPa，是 28 d 抗壓強(qiáng)度的 69.39 %、70.77 %、74.33 %、73.86%、80.68%、75.73 %、76.72 %，可見(jiàn)玄武巖纖維可以加快混凝土早齡期抗壓強(qiáng)度發(fā)展。

圖2 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度隨齡期變化曲線

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到玄武巖混凝土早齡期立方體抗壓強(qiáng)度計(jì)算模型：

式中，fc（t）為t 天的立方體抗壓強(qiáng)度，t 為齡期，fc（28）為28 天的立方體抗壓強(qiáng)度。參數(shù)A 和擬合相關(guān)系數(shù)R2 的取值見(jiàn)表3。

表3 參數(shù)A 和擬合相關(guān)系數(shù)R2 取值

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

2.2.1 玄武巖纖維對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨玄武巖纖維摻量的變化曲線見(jiàn)圖3。由圖3 可見(jiàn)，劈裂抗拉強(qiáng)度隨著玄武巖纖維摻量的增加先增大后減小。齡期1 d、3 d、5 d 時(shí)，纖維摻量0.3 %對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度最大，與基準(zhǔn)試件相比分別提高了45.59%、34.85%、26.81 %。齡期7 d 和28 d 時(shí)，纖維摻量0.24 %對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度最大，比基準(zhǔn)試件提高了26.85 %、52.96 %。從圖中曲線還可發(fā)現(xiàn)，1~14 d 內(nèi)隨著玄武巖纖維摻量的增加，抗拉強(qiáng)度增幅比較平緩，28 d 齡期抗拉強(qiáng)度增幅顯著。原因在于，玄武巖纖維在混凝土中形成三維骨架，避免骨料下沉，混凝土內(nèi)部分布均勻合理，強(qiáng)度提高。同時(shí)，玄武巖纖維彈性模量好，抗拉強(qiáng)度大，當(dāng)混凝土達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)，纖維通過(guò)橋接作用承受拉力，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度提高。

圖3 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨玄武巖纖維摻量變化曲線

2.2.2 齡期對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

玄武巖纖維混凝劈裂抗拉強(qiáng)度隨齡期變化曲線見(jiàn)圖4。由圖4 可見(jiàn)，前14 d 齡期劈裂抗拉強(qiáng)度發(fā)展較快，14~28 d 發(fā)展平緩。28 d 齡期時(shí)，玄武巖纖維體積摻量為0、0.06 %、0.12 %、0.18 %、0.24 %、0.3 %、0.36 %所對(duì)應(yīng)的劈裂抗拉強(qiáng)度分別為 3.55、3.79、4.12、4.88、5.43、5.24、4.78 MPa，14 d 齡期時(shí)對(duì)應(yīng)的劈裂抗拉強(qiáng)度分別是28 d 的83.69 %、83.53 %、83.31 %、83.91 %、84.71 %、86.19 %、85.54 %。

圖4 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨齡期發(fā)展變化曲線

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到玄武巖混凝土早齡期劈裂抗拉強(qiáng)度計(jì)算模型：

式中：ft（t）為t 天的劈裂抗拉強(qiáng)度，t 為齡期，ft（28）為28 天的劈裂抗拉強(qiáng)度。A、B、C 和擬合相關(guān)系數(shù) R2見(jiàn)表 4。

表4 ft（t）的A、B、C 和R2 取值

2.3 抗折強(qiáng)度

2.3.1 玄武巖纖維對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

混凝土抗折強(qiáng)度隨玄武巖纖維摻量變化曲線見(jiàn)圖5。由圖5 可見(jiàn)，抗折強(qiáng)度隨玄武巖纖維摻量的增加先增后減。齡期1 d 時(shí)，纖維摻量0.3%對(duì)應(yīng)的抗折強(qiáng)度最大，較纖維摻量為0 的基準(zhǔn)試件相比提高了 28.95 %。齡期 3 d、5 d、7 d、14 d、28 d時(shí)，纖維摻量0.24 %對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度最大，比基準(zhǔn)試件提高了11.56%、10.62%、11.73%、13.16%、14.00 %。從圖5 曲線可見(jiàn)，玄武巖纖維對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度有一定增強(qiáng)作用，但增幅不大。

圖5 混凝土抗折強(qiáng)度隨玄武巖纖維摻量變化曲線

2.3.2 齡期對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

玄武巖纖維抗折強(qiáng)度隨齡期發(fā)展變化曲線如圖6。由圖6 可見(jiàn)，前7 d 齡期抗折強(qiáng)度發(fā)展較快，7~14 d 發(fā)展變慢，14~28 d 強(qiáng)度發(fā)展逐漸趨于穩(wěn)定。7 d 齡期時(shí)，玄武巖纖維體積摻量為0、0.06 %、0.12 %、0.18 %、0.24 %、0.3 %、0.36 %對(duì)應(yīng)的劈裂抗拉強(qiáng)度分別為 3.24、3.41、3.46、3.56、3.62、3.48、3.32 MPa，是 28 d 的 72.00 %、73.81 %、71.78%、71.63 %、70.57%、71.90%、71.09%。14 d齡期時(shí)對(duì)應(yīng)的抗折強(qiáng)度是28 d 的84.44 %、86.15 %、85.27 %、85.31 %、83.82 %、85.12 %、84.80 %。

圖6 混凝土抗折強(qiáng)度隨齡期發(fā)展變化曲線

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到玄武巖混凝土早齡期抗折強(qiáng)度計(jì)算模型：

式中，ff（t）為t 天的抗折強(qiáng)度，t 為齡期，ff（28）為28 d 的抗折強(qiáng)度。A、B、C 和擬合相關(guān)系數(shù) R2取值見(jiàn)表5。

表5 ff（t）的A、B、C 和R2 取值

3 小 結(jié)

（1）玄武巖纖維混凝土在齡期為0~7 d 時(shí)力學(xué)強(qiáng)度變化最快，7~14 d 時(shí)變化放緩，14~28 d 時(shí)力學(xué)強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定。

（2）隨著玄武巖纖維摻量的增大，1~7 d 齡期混凝土立方體抗壓強(qiáng)度增大，14~28 d 齡期立方體抗壓強(qiáng)度略降低。

（3）混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨著玄武巖纖維摻量的增大先提高后降低，摻量為0.24%和0.3 %時(shí)劈裂抗拉強(qiáng)度提高最顯著。玄武巖纖維對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的提高比對(duì)抗折強(qiáng)度提高幅度明顯。

（4）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出玄武巖纖維混凝土早齡期力學(xué)強(qiáng)度計(jì)算模型，供工程實(shí)踐參考。