普通的素混凝土脆性较大、耐久性差, 且混凝土基体内部界面过渡区的存在极大地影响混凝土的力学性能及耐久性。玄武岩纤维作为一种新型无机材料具有性价比高、抗拉强度高、耐腐蚀性强、耐高温、抗裂性能好等优点;且玄武岩纤维和水泥基复合材料具有天然的相容性, 能与混凝土很好地复合在一起形成多相、多性能的复合材料。掺入玄武岩纤维的混凝土力学性能有较大提升, 玄武岩纤维可在混凝土内部形成稳定的空间网状结构, 改善混凝土内部应力重分布, 并使其破坏形式发生改变, 穿过界面薄弱区的玄武岩纤维会提高界面过渡区的力学稳定性, 改善混凝土的微观结构, 使混凝土的力学性能得以提升。因此, 本文通过SEM电镜扫描研究玄武岩纤维对混凝土微观结构的影响, 并探究微观结构对混凝土强度的影响规律具有重大意义。

本试验采用P·O42.5水泥, 细度模数为2.6的中粗砂, 粒径为5～15mm碎石, 普通自然水。基准配合比如表1所示, 其基本参数如表2所示。

基本强度试验选用基于100mm×100mm×100mm立方体的立方体抗压强度试验、基于150mm×150mm×150mm立方体的立方体劈裂抗拉强度试验和基于100mm×100mm×400mm长方体的抗折强度试验。试验共分5组, 编号0～4分别对应掺量为0, 3, 6, 9, 12kg/m³的5组玄武岩纤维混凝土试块。3种试验方法均参照CECS13∶2009《纤维混凝土试验方法标准》中的有关规定。考虑到抗压强度试验为非标准试件, 故参考《纤维混凝土试验方法标准》, 其对应的抗压强度折减系数取0.9。

采用YES-2000混凝土试块压力机对5组不同掺量的玄武岩纤维混凝土28d基准强度试验结果如表3所示。

由表3所示数据可知, 当纤维掺量为3, 6, 9, 12kg/m³时其抗压强度分别为48.79, 43.71, 41.35, 39.12MPa。由图1所示抗压强度曲线可以看出, 纤维掺量的变化对玄武岩纤维混凝土抗压强度的影响较为明显, 且存在最佳掺量3kg/m³, 此时曲线到达峰值即玄武岩纤维混凝土抗压强度达到最大值, 该掺量下玄武岩纤维混凝土抗压强度相对于素混凝土提高28.2%。当纤维掺量达到3kg/m³后, 随着纤维掺量的增加, 曲线呈现下降趋势;当纤维掺量达到12kg/m³时, 曲线值基本和初始值持平。此时, 玄武岩纤维对混凝土抗压强度的增益效果基本为0。

玄武岩纤维在混凝土基体内部均匀分散, 形成的三维骨架可抑制集料沉降, 减少了基体收缩变形, 因此当短切玄武岩纤维以适当掺量掺入混凝土时, 混凝土抗压强度得到明显提升, 但随着玄武岩纤维掺量的增加, 部分纤维易粘连结团, 使混凝土内部形成新的缺陷, 对混凝土的力学性能产生减益效果, 因此玄武岩纤维混凝土抗压强度随着纤维掺量的增加呈现先上升后下降趋势。

玄武岩纤维的掺入对混凝土立方体劈裂抗拉强度 (以下简称劈拉强度) 的提升有显著效果, 由表3可知, 素混凝土28d劈拉强度为4.72MPa, 掺量为3kg/m³的玄武岩纤维混凝土劈拉强度为5.54MPa, 提升率为17.4%, 当纤维掺量增至6kg/m³时, 劈拉强度相比于纤维掺量为3kg/m³的玄武岩纤维混凝土略有下降, 但玄武岩纤维对玄武岩纤维混凝土的增幅仍较为显著, 当纤维掺量为12kg/m³时, 玄武岩纤维混凝土劈拉强度最大为5.79MPa, 增幅达22.7%。

玄武岩纤维劈拉强度数值和纤维掺量的增加基本呈现稳定的上升趋势, 这是因为在素混凝土立方体劈裂抗拉试块加载过程中, 在荷载作用下混凝土基体内部微裂纹缓慢发展, 随着荷载增加, 微裂纹发展成为微裂缝并彼此连接形成肉眼可见裂缝, 当裂缝足够多时形成破坏面, 试块失去承荷力。而从图2可以看到, 大量均匀乱向分布在混凝土基体内部的玄武岩纤维可有效抑制裂缝尖端应力集中, 图2中玄武岩纤维混凝土基体内部1和2两条微裂纹发展轨迹较普通的素混凝土曲折, 且当其发展至纤维处, 裂纹驱动力被抑制, 裂纹停止发展, 同时玄武岩纤维还阻止了1, 2微裂纹连通, 延缓了薄弱面形成, 提升了玄武岩纤维混凝土的劈拉强度。

由表3可以看出, 玄武岩纤维对混凝土的抗折强度影响规律与劈拉强度的规律相似, 随着玄武岩纤维掺量的增加, 玄武岩纤维混凝土的抗折强度持续增加。当纤维掺量为12kg/m³时, 玄武岩纤维混凝土抗折强度达到最大值8.12MPa, 相对于素混凝土7.04MPa提升了15.3%。

对于抗折试块来说, 玄武岩纤维不仅提高了其初裂强度, 还使抗折试块的破坏形态发生了很大变化。图3体现了玄武岩纤维混凝土抗折试块纤维作用机理模型:当荷载达到初裂强度, 玄武岩纤维下部受弯曲段出现裂缝, 此时开裂区混凝土丧失承荷力, 跨越裂缝的纤维通过脱粘滑移做功阻止裂缝发展, 随着荷载增加, 骨料咬合区发展为开裂区, 中和轴上移, 抗折试块逐渐丧失承载力直至试块被压坏。整个破坏过程相较于素混凝土呈现明显的韧性。因此, 玄武岩纤维对混凝土的韧性有较大提升。

水泥在水化反应过程中, 游离石灰、硫酸盐和铝酸盐各物质立即溶解形成AFT (钙矾石) 以及熟料的各中间相。硅酸三钙、硅酸二钙与水发生反应, C₃S和C₂S的水化能被描述成反应式 (1) 和式 (2) :

$\begin{array}{l}\text{C}{}_3\text{S}+(3-x+n)\text{Η}\to \text{C}{}_x\text{S}\text{Η}{}_n+\\ (3-x)\text{C}\text{Η}(\text{Δ}{\rm H}=-121\text{k}\text{J}/\text{m}\text{o}\text{l})(1)\\ 2\text{C}{}_2\text{S}+4.3\text{Η}\to \text{C}{}_{1.7}\text{S}\text{Η}{}_4+\\ 0.3\text{C}\text{Η}(\text{Δ}{\rm H}=-43\text{k}\text{J}/\text{m}\text{o}\text{l})(2)\end{array}$

式中:C代表CaO;S代表SiO₂;H代表H₂O。

当接触溶液相对于结晶的CH呈饱和时, x=1.7以及n=4。混凝土水化反应生成C-S-H凝胶 (水化硅酸钙) 和氢氧化钙晶体 (CH) , 这些结晶相互填充以一种较为密集的状态结合, 但通过图4a所示素混凝土基体微观结构电镜扫描图发现, 组成混凝土基体的各晶体之间仍有较大间距, 在一些结晶结合不良处, 极易因混凝土硬化收缩出现微裂隙, 这些微裂隙的存在造成混凝土的内部缺陷, 导致混凝土力学性能下降。

混凝土内部骨料与浆体结合部位存在如图4b中Ⅰ区域的骨料接触层, 其厚度为1～3μm, 在接触层外存在厚度为5～10μm高孔隙层, 接触层与高孔隙层组成界面过渡区 (ITZ) 。ITZ是一个富水区域, 通过对图4a中深色方框区域进行XRD光谱分析, 结果如图4c所示:相较于水泥石本体, 该区域水灰比高、孔隙率大, CH和AFt多且结晶颗粒大, 从XRD中可以看出该区域C-S-H凝胶中钙硅比较高, 因此随着水化反应的进行以及干燥作用, 当CH浓度达到饱和浓度的2～3倍时呈层状结晶取向, 其比表面积减小, 相应范德华分子结合力减小, 从而黏结力降低, 另外, 因CH晶体的定向排列使之更倾向于开裂, 因此导致浆体-骨料边界容易出现图4b所示裂缝。ITZ的存在是导致混凝土抗拉强度比抗压强度低一个数量级的原因。

玄武岩纤维与混凝土具有天然的相容性, 因此玄武岩纤维混凝土中的玄武岩纤维可以均匀分布在混凝土内部, 形成较为稳定的三维骨架, 阻止骨料沉降, 降低了骨料周围的水胶比, 同时稳定的纤维骨架改善了应力分布, 提高了ITZ的力学稳定性, 降低了界面区的不利影响, 增强了界面过渡层的稳定性, 提高了玄武岩纤维混凝土的强度。

玄武岩纤维混凝土SEM电镜扫描如图5所示, 该图标注的Ⅰ, Ⅱ2条较大主裂缝将中央的1/5区域分割为较为松散的几何可变体, 图示中标注出的6根纤维在图示的混凝土区域形成一个较为稳定的三维空间网状结构。在外部荷载作用下, 混凝土Ⅰ, Ⅱ2条裂纹发展, 当裂纹渐渐发展至图示规模, 纤维1区域混凝土基体因此失去承受荷载能力, 此时跨越裂纹的纤维将外力传递至裂纹两端, 并做功承受荷载, 裂纹驱动力被抑制导致基体内部能量慢慢积聚, 当能量积聚到一定程度会在基体内部寻找薄弱点产生多条新裂纹并释放能量, 图中其余纤维③～⑥ 4处微裂纹即为混凝土基体薄弱点, 其发展初期因为裂纹尖端经过纤维或有玄武岩纤维跨越微裂纹, 裂纹尖端应力集中被抑制, 微裂纹停止扩展。因此, 玄武岩纤维极大地提高了混凝土基体抗裂性能。

由前面的数据可知, 玄武岩纤维对混凝土的抗压、立方体劈拉、抗折强度均有较大提升, 且玄武岩纤维提升了混凝土基体抗裂能力。但玄武岩纤维的掺入同样会使混凝土基体出现更多缺陷, 由图6a可清楚地看到, 玄武岩纤维在混凝土基体内部形成较为稳定的三维乱向骨架, 提升了混凝土性能, 但是纤维在与混凝土基体结合时同样会形成图示的薄弱面, 在接触面外包裹纤维的区域则是图6b中的ITZ, 因此随着玄武岩纤维掺量的增加, ITZ明显增加导致混凝土内部缺陷增加。表3所示数据为不同纤维掺量试块孔隙率测定结果:随着纤维掺量增加, 混凝土孔隙率呈上升趋势, 这是因为纤维的掺入会在混凝土内部形成更多的界面缺陷区域, 增加了混凝土缺陷。因此, 当纤维掺量为3kg/m³时玄武岩纤维混凝土的抗压强度最高, 而随着纤维掺量增加, 纤维会使混凝土孔隙率增加, 使得玄武岩纤维混凝土抗压强度随之降低。

1) 玄武岩纤维对混凝土的抗压强度、劈拉强度以及抗折强度均有较大提升, 最大增幅分别为28.2%, 22.7%和15.3%。掺入纤维的抗折试块较普通的素混凝土具有一定韧性, 改变了其破坏形态。

2) 均匀分布在混凝土基体内部的玄武岩纤维使混凝土内部应力发生重分布, 有效抑制了应力集中, 同时跨越裂缝的纤维在混凝土退出工作后会继续承受荷载, 阻止裂缝发展与贯通, 防止玄武岩纤维混凝土因过早出现薄弱面破坏, 提高了混凝土抵抗静态损伤能力。

3) 混凝土内部集料与浆体之间存在不利于混凝土性能的界面过渡区, 玄武岩纤维在混凝土内部形成的三维网状结构抑制了集料沉降, 降低了界面过渡区的水胶比, 同时提高了界面过渡区的稳定性, 一定程度上弥补了混凝土缺陷, 使混凝土劈拉强度以及抗折强度得到稳定提升。

4) 玄武岩纤维的掺入同样会使混凝土基体内部产生更多界面过渡区, 使混凝土内部孔隙增加, 造成更多缺陷, 随着玄武岩纤维掺量增加, 玄武岩纤维对混凝土的增益效果逐渐被减益效果抵消, 使玄武岩纤维混凝土的抗压强度呈现先上升后下降趋势。