马凤华

改性玄武岩纤维混凝土的力学与变形性能及微观机理研究

马凤华

河南财政金融学院, 河南 郑州 451464

为了改善玄武岩纤维混凝土材料的强度和收缩性能，本文采用了玄武岩纤维、芒硝、粉煤灰、脱硫石膏作为外掺料进行混凝土的配制，并按照正交实验的方法确定不同材料的最佳配合比例，最后开展XRD半定量分析与SEM扫描电镜实验对改性混凝土的微观结构进行了探测。结果表明：改性外掺料的等质量替代水泥的最佳配合比为：粉煤灰掺量10%、脱硫石膏掺量8%、芒硝掺量0.5%以及玄武岩纤维掺1.5%；经过复合材料改性后混凝土的抗折强度和抗压强度分别提高了0.48和2.1倍；干缩率减小了0.56倍；从SEM图像中观察到材料中有大量水化凝胶产物包裹玄武岩纤维，粉煤灰和石膏颗粒填充在孔隙中，矿物水化程度和微观结构的变化是改性玄武岩纤维混凝土材料收缩性和强度增强的根本原因。

玄武岩; 纤维混凝土; 变形; 微观机理

混凝土的掺杂改性技术中已经在实际的建筑材料研制中取得了广泛应用[1]。利用玄武岩纤维对混凝土进行改性可以获得新型改性混凝土材料，玄武岩纤维与其它外物料的综合反应可以显著提高混凝土材料的工作性能[2]。通过在普通水泥砂浆添加玄武岩纤维等外加材料，能促进物料之间的物理和化学反应，有效提高混凝土材料在实际工程中的适用性和耐久性[3]。普通混凝土材料在实际工程中可能存在强度不足和变形性能较差的缺点，不利于建筑工程的稳定性。近年来，科技工作者利用外掺料对混凝土的强度和变形性能改进已经取得了显著成就。例如：董伟等[4]研究了玄武岩纤维的掺量对风积沙混凝土承压和变形性能的影响，认为合理的配比可以有效提高玄武岩纤维混凝土的关键工作性能。刘雨姗等[5]对普通混凝土材料开展改性研究，发现不同玄武岩纤维配比下的混凝土材料抵抗变形破坏的能力有显著差异。于英华等[6]利用不同含量的玄武岩纤维和述职对水泥砂浆进行掺杂改性，发现一定比例纤维和树脂可以明显提高材料抗弯折强度和变形性能。因此，在玄武岩纤维改性混凝土的性能与物料类别及其掺量有重要联系，需要根据具体外掺料的情况开展实验研究。

在混凝土综合性能的改善研究方面，不同种类、含量的外掺料对混凝土的改善效果存在明显差异。外掺料的种类众多，功效相互影响，采用常规的人工经验判断方法难以满足复合混凝土材料配合比设计的要求，需要对混凝土改性效果进行量化。因此，在具体改性实验过程中引入正交实验的方法，能够高效、快速和经济对实验组别进行设计[7,8]。本文采用正交试验方法，在混凝土材料基本配比的条件下，利用芒硝、粉煤灰、脱硫石膏和玄武岩纤维对水泥砂浆进行改性，为增强玄武岩纤维改性混凝土综合工作性能提高合理的参考。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

配制混凝土样品采用的基本物料包括：粗、细集料、水泥、水和减水剂。其中，细骨料取自江苏省徐州市某金属矿矿场的尾矿砂，粗骨料为筛分后的碎石，粒径范围为4.5~20.5 mm，凝胶材料常州钟鸣水泥有限公司生产的硅酸盐水泥，标号为PC32.5平均密度为3.32 g/cm3，比表面积为325 m2/kg尾矿砂颗粒属于连续级配，其细度模数为2.45，主要矿物成分为石英､黄铁矿和铁锰角闪石等。适合作为绿色环保的混凝土材料的细骨料[9]。

玄武岩纤维混凝土的改性外掺材料采用粉煤灰､芒硝､无水脱硫石膏｡粉煤灰选用徐州某发电厂的II级粉煤灰废料，其密度为2.08 g/cm3，比表面积为195 kg/m3；芒硝选用工业芒硝，其硫酸钠含量为99%以上，平均粒度为95 μm；石膏选用发电厂生产的无水脱硫石膏，平均含水率10%~15%，呈白色粉末状；玄武岩纤维由苏州维科化工纤维材料公司提供，主要物理性质指标如表2所示｡从表2可以看出用于研制改性混凝土材料的纤维密度较小、强度高､延性好、工作温度范围大，是进行力学改性的良好外掺料[10,11]｡

表 1 玄武岩纤维指标

1.2 试验方法

本试验材料的基本物料配比为碎石集料：尾矿砂=5:3:2，以水灰比为0.4的比例加水拌和，其它外加物料按照一定质量比例称量，在常温下充分搅拌均匀后制成浆料。材料配制过程中将粉煤灰、芒硝、脱硫石膏、玄武岩纤维按照等质量替代水泥的方法进行改性配比的设计。将各种物料准备好后，将浆料进行充分拌合，然后倒入立方体和棱柱体模具中，并在标准养护环境中进行养护。本实验采用的立方体混凝土样品的数码照片如图1所示。

混凝土试件养护28 d后，对脱模的试件进行强度测试，对每组样品先后开展棱柱体试件的抗折强度测试和立方体的抗压强度测试，试验仪器与样品如图2所示。同时，在混凝土棱柱体试样养护成型后，测量试件的长度，并计算干燥收缩率。混凝土的干燥收缩率：

=(0-)/0×100% (1)

式中，为试样标准长度，在本实验中取为160mm，为养护后28 d的试件长度。

图 1 混凝土立方体试样

图 2 力学测试中的仪器和混凝土样品

2 试验方案与结果

2.1 正交实验设计

正交实验设计要求根据试验中的不同试验条件、因素和水平制定试验计划，从而获取正交实验表，并按照表格进行试验。正交试验可以在有限试验次数的情况下获取最优的试验结果。在研制改性材料的实验中，采用正交试验的方法可以大幅减少试验的组数，从而有效地节约了材料研制所需要的人力和物力[12-14]。在改性玄武岩纤维混凝土材料研制中，根据材料的具体情况设计了4因素4水平的正交试验方案，主要研究粉煤灰、脱硫石膏、芒硝和玄武岩纤维对复合混凝土材料综合性能的影响规律，正交试验表如表2所示。

表 2 改性混凝土的配合比

2.2 改性试验结果

如表3所示，通过四水平、四因素的正交试验表可以得到12组不同配合比，即配制了12组不同配合比的玄武岩纤维混凝土。对着12组试样分别开展抗折强度、抗压强度和干燥干缩率的测试。得到的试验结果如表3所示。从表3得到以下结论：（1）各外掺量对混凝土的抗折强度影响的大小排序为：纤维＞粉煤灰＞石膏＞芒硝；（2）对抗压强度影响的大小排序为：纤维＞粉煤灰＞石膏＞芒硝；（3）对收缩性能影响的大小排序为：芒硝＞石膏＞粉煤灰＞纤维。

在改性试验中，各设计因素和水平与抗折强度、抗压强度和收缩性能指标有关，选择最有利于重点关注指标的水平才能达到最佳的改性目的。在本研究中重点研究了普通玄武岩纤维混凝土材料强度和变形性能不足的解决方法，从表4的正交试验结果可知，抗折强度的最优配比为：玄武岩纤维掺量2.0%、芒硝掺量0.5%、石膏掺量8.0%、粉煤灰掺量15.0%。抗压强度的最优配比为：玄武岩纤维掺量2.0%、芒硝掺量0.5%、石膏掺量12%、水泥掺量10%。收缩性能的最优配比为：即玄武岩纤维掺量1.0%、芒硝掺量0.5%、石膏掺量8%、粉煤灰掺量15%。

表 3 玄武岩纤维混凝土改性试验结果

2.3 最优配合比试样的性能

综合考虑各因素以及实际工程的需要，确定最优配比为：玄武岩纤维掺量2.0%、芒硝掺量0.5%、石膏掺量8%、粉煤灰掺量15%。对最优配合比下的改性玄武岩纤维混凝土试样进行强度和收缩试验，改性前后的各性能指标如图3的直方图所示。可以看出经过外掺料最优配合改性的膏体充填，各项指标均有明显提高。其中，抗折强度和抗压强度分别提高了0.48和2.1倍；干缩率减小了0.56倍。说明经过最优配合比外掺量改良的混凝土材料，解决了普通玄武岩纤维混凝土材料在收缩变形较大的不足。

表 4 改性前后混凝土性能指标的直方图

3 改性机理分析

通过对不同玄武岩纤维掺量和不同养护龄期试样进行X射线衍射图谱进行分析与SEM微观形态观察，结果如图3和图4所示

根据图3所示的混凝土材料的X衍射图谱，可以分析养护过程中的材料矿物成分变化。改性混凝土材料中富含水化硅酸钙（C-S-H(I)）、石英、方解石、Ca(OH)2和钙矾石等物质。随着龄期增长，Ca(OH)2与石英含量明显减少，而水化硅酸钙和钙矾石含量逐渐增加。此现象说明由于玄武岩纤维芒硝、石膏、粉煤灰等物质与水泥中的物质发生了化学反应，加速了混凝土的水化反应速率，并生成大量具有膨胀性质的钙矾石，这是改性混凝土强度和收缩性改变的根本原因[15]。

图 3 不同养护时间的混凝土XRD衍射图谱

此外，从图4(a)所示的微观图像，养护28 d后的复合混凝土材料内部形成的硬化物结构较为致密，水化物胶结程度较高，排列整齐。这一方面是由于水泥与水反应形成了硬化产物，另一方面是由于芒硝与脱硫石膏发生化学反应形成了大量钙矾石。钙矾石的形成有效提升了混凝土的早期强度。从图4（b）可以看出玄武岩纤维在改性水泥砂浆中起到连接不同骨料和由水泥和石膏凝胶体的作用。而随着养护龄期的延长，玄武岩纤维中的斜硅钙石的水化速度较慢，在水化反应的中后期对材料强度有贡献。玄武岩纤维在材料内部具有很好的连接作用，使得复合混凝土材料内可以形成整体性较好的粘结强度，对材料的抗折性能有直接的改善效果。从图4（c）可以看出不规则的骨料之间存在球状的粉煤灰颗粒，由于骨料颗粒尺寸相对较大，颗粒堆积形成大量孔隙，粉煤灰的细颗粒填充在孔隙中。颗粒的填充效果大大增强了材料的致密程度，从而改善了其强度性能，尤其是抗压强度性能。另外，由于芒硝促进了钙矾石的形成，使得凝胶结构整体性提高，混凝土结构吸附结合水的能力提升，从而有效改善了玄武岩纤维混凝土材料收缩性能[16]。

图 4 玄武岩纤维混凝土的SEM扫描图像

3 结 论

采用正交试验进行掺杂改性，研制了新型改性玄武岩纤维混凝土材料。得到以下结论：

（1）通过对改性后的混凝土开展力学测试和收缩率测量，发现玄武岩纤维对材料的抗折与抗压强度具有最显著的改良作用，芒硝对干燥收缩率的改良效果最佳；

（2）由正交设计实验得到了混凝土材料的改性最佳配合比为：粉煤灰10%、石膏8.0%、玄武岩纤维1.5%、芒硝0.5%。改性后混凝土的抗折强度和抗压强度分别提高了0.48和2.1倍；干缩率减小了0.56倍；

（3）根据矿物成分分析发现随着龄期增长，复合混凝土材料内部的Ca(OH)2与石英含量明显减少，水化硅酸钙和钙矾石含量逐渐增加；

（4）由SEM图像观测微观结构发现，改性复合混凝土材料中存在着大量的水泥和石膏水化凝胶产物包裹着玄武岩纤维，芒硝起到促进钙矾石形成的作用，粉煤灰对微观孔隙有填充效果。矿物水化程度和微观结构改变是复合混凝土材料干缩性和强度改善的根本原因。

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Study on Mechanics, Deformation Property and Microscopic Mechanism of the Modified Basalt Fiber Concrete

MA Feng-hua

451464,

In order to improve the strength and shrinkage properties of basalt fiber concrete, basalt fiber, mirabilite, gypsum, fly ash and basic materials were used as experimental materials to make up the concrete. The optimum proportion of three admixtures in cement mortar was studied by orthogonal tests. The microcosmic mechanism of modified materials was studied by XRD and SEM. The results showed that the optimal proportions of modified high-water backfill materials were consisted of basalt fiber content of 1.5%,sal glauberi content of 0.5%, desulfurization gypsum content of 10%, fly ash content of 10%. The flexural strength and compressive strength of the material were increased by 3.58 times and 1.62 times respectively and the shrinkage rate was reduced by 0.82 times after modification. There were many gel products wrapped basalt fiber and cement and gypsum particles filled in the pores. The degree of mineral hydration and microstructure changes were the fundamental reasons for the improvement of shrinkage and strength of modified basalt fiber concrete.

Basalt; fiber concrete; deformation; microscopic mechanism

TU528.572

A

1000-2324(2020)03-0542-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2020.03.032

2018-12-19

2019-02-04

马凤华(1980-),女,硕士,讲师,主要研究方向:建筑设计及其理论. E-mail:49375923@qq.com