玄武岩纤维双快水泥混凝土性能试验研究

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玄武岩纤维双快水泥混凝土性能试验研究ExperimentalResearchesonPropertiesofBasaltFiberFastSettingandHardeningCementReinforcedConcrete学科专业：建筑材料研究生：谭党联指导教师：朱涵教授天津大学建筑工程学院二零一二年十一月 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日 中文摘要双快水泥混凝土（FCRC）因具有快凝快硬、早期强度高等特点，被广泛应用于道路快速修复、机场跑道维修以及地下管道维修等民用和工业工程，但也存在抗拉强度不高和因养护不当易引起干燥收缩等问题。大量研究表明，在混凝土中掺入玄武岩纤维，可以提高混凝土的韧性，抑制混凝土的收缩，减少裂缝的产生，改善混凝土的耐久性。本文通过研究不同体积掺量(0,0.1%,0.2%,0.3%和0.4%)、不同长度(6mm、18mm)的玄武岩纤维对双快水泥混凝土的立方体抗压强度和抗折强度的影响以及玄武岩纤维双快水泥混凝土(BFFCRC)的氯离子渗透性能和低温性能，得到了如下结论：1.随着BF体积掺量的增加，6mm玄武岩纤维双快水泥混凝土抗压强度(龄期1d、28d)呈先增再缓慢下降的趋势，当BF体积掺量为0.1%时，立方体抗压强度最大。2.BF的加入改善了双快水泥混凝土的延性，一定程度上延缓了混凝土裂缝的开展，起到了良好的阻裂作用。同时，对双快水泥混凝土的抗折强度起到了一定的增强作用，增强作用的提高幅度根据掺入不同长度的纤维而有所不同。3.双快水泥混凝土本身就具有非常好的抗氯离子渗透性能。纤维长度在一定程度上也能影响混凝土试件的氯离子渗透性能。4.随着玄武岩纤维体积掺量的增加，混凝土试件的相对动弹性模量越来越大,即玄武岩纤维的掺入，纤维混凝土的低温性能能力得到了提高。同时，纤维的掺入能有效地改善混凝土试件经连续低温后强度下降的趋势。此外，本文还针对玄武岩纤维对双快水泥混凝土的增强增韧机理作了简要分析，对玄武岩纤维双快水泥混凝土的耐久性机理进行了简要的阐述，除了双快水泥混凝土本身就具有良好的抗渗性以外，另一个原因是玄武岩纤维的掺入改善了混凝土结构，减少了混凝土内部孔隙的形成提高了其抗渗能力。另外，也分析了玄武岩纤维双快水泥混凝土两种不同龄期(1d、28d)下的低温抗冻性能机理。关键词：玄武岩纤维；双快水泥；力学性能；氯离子渗透性能；低温性能 ABSTRACTFastsettingandhardeningCementReinforcedConcrete(FCRC)canbegenerallyappliedinsomecivilianandindustrialprojects,suchasquickrestorationofhighway,airportrunwayandundergroundpipeline,becauseofitscharacteristicsoffastsetting,fasthardeningandhighstrengthinearlytime.Buttensilestrengthofthiskindofconcreteisslowandthisconcretecaneasilycausedryingshrinkagewithoutsuitablemaintenance.AlargenumberofresearchesshowthatBasaltFibers(BF)canimprovethetoughnessofconcrete,reducethecontraction,restrainthecrackgeneration,andimprovethedurabilityofconcrete.ThepurposeofthisworkwastotesttwobasicmechanicalpropertiesofFCRCbydifferentvolumetricfractions(0,0.1%,0.2%,0.3%and0.4%)anddifferentlength(6mm,18mm)ofBF,besides,chloridionimpermeabilityandfrostresistanceinlowtemperatureofBasaltFibersFastsettingandhardeningCementReinforcedConcrete(BFFCRC)arealsostudied,Mainresearchworksandimportantresultsareasfollows:1.WhenthelengthofBFis6mm,thecompressivestrength(onedayandtwenty-eightday’sstrength)ofBFFCRCisregardedtofirstlyincreaseandthendecreaseastheincreaseofvolumetricfractionofBF.Whenitsvolumetricfractionis0.1%,thecompressivestrengthwillreachthemaximum.2.TheductilityofFCRCisgreatlyimprovedbecauseofBFaddedto,andtheaddingBFhasdelayedtheappearanceofcrack,whichhasagreateffectoncrackingresistance.Besides,theFlexuralStrengthofBFFCRChasincreasedcomparedtothatofFCRCwithoutBF.TheenhancementofBFFCRCvariesfromthedifferentvolumetricfractionofBF.3.ThetestresultsshowthatFCRChasaperfecteffectonchloridionimpermeability,andthelengthofBFcaninfluencethechloridionimpermeabilityofconcretespecimens.4.RelativedynamicelasticitymodulusofBFFCRCisgraduallystrengthenedastheincreasingvolumetricfractionofBF,thatis,theabilityofconcrete'santifreezeisimprovedaftertheaddingofBF.Furthermore,basaltfibercaneffectivelyimprovethetrendoffallingstrengthoftheconcretespecimens,whichwastreatedbycontinuouslowtemperature.Besides,thispapersimplyanalyzesthestrengtheningandtougheningmechanismofBFFCRCandelaboratesthedurabilitymechanismofit.Exceptfortheexcellent impermeabilityinitself,theaddingBFhasgreatlyimprovedtheconcretestructure,whichdecreasesinternalcrevicesoftheconcrete,thusstrengtheningtheimpermeabilityoftheconcrete.What’smore,thispaperalsoanalyzestheantifreezemechanismofBFFCRCintwodifferentages(onedayandtwenty-eightday)aftercontinuouslowtemperature.KEYWORDS：BasaltFiber;FastSettingandHardeningCement;MechanicalProperties;ChloridionImpermeability;Low-temperatureProperty 目录第一章绪论.........................................................11.1课题研究的背景及意义...........................................................................11.2玄武岩纤维及玄武岩纤维混凝土应用状况...........................................21.2.1玄武岩纤维的应用.........................................................................21.2.2玄武岩纤维混凝土的应用.............................................................31.3双快水泥的分类、特征及其应用...........................................................41.3.1快凝快硬水泥分类.......................................................................41.3.2性能特点.......................................................................................41.3.3应用...............................................................................................41.4本文研究的主要内容...............................................................................5第二章配合比设计与试验方法.........................................72.1引言...........................................................................................................72.2玄武岩纤维双快水泥混凝土(BFFCRC)配合比设计.............................72.2.1原材料.............................................................................................72.2.2BFFCRC配合比设计....................................................................102.3试件制备与养护.....................................................................................112.3.1试件制备........................................................................................112.3.2试件养护........................................................................................112.4最佳配合比确定.....................................................................................112.5本章小结.................................................................................................14第三章玄武岩纤维双快水泥混凝土基本力学性能试验....................153.1引言.........................................................................................................153.2基本力学试验配合比.............................................................................153.3立方体抗压强度试验.............................................................................163.3.1试验方法.......................................................................................163.3.2试验结果与理论分析...................................................................173.4抗弯折强度试验.....................................................................................223.4.1试验方法........................................................................................223.4.2试验结果与理论分析...................................................................24-i- 3.5本章小结.................................................................................................28第四章玄武岩纤维双快水泥混凝土耐久性能研究........................294.1概述.........................................................................................................294.2玄武岩纤维双快水泥混凝土氯离子渗透性能试验研究.....................294.2.1试验设计.......................................................................................294.2.2试验方法和仪器...........................................................................304.2.3试验结果及分析...........................................................................334.3玄武岩纤维双快水泥混凝土低温性能试验研究.................................344.3.1试验设计........................................................................................344.3.2试验方法及性能指标....................................................................354.3.3试验结果及分析............................................................................374.4本章小结.................................................................................................42第五章结论与展望..................................................445.1本文主要结论.........................................................................................445.2展望.........................................................................................................44参考文献...........................................................46发表论文和科研情况说明.............................................50致谢.......................................................51-ii- 第一章绪论第一章绪论1.1课题研究的背景及意义混凝土材料因具有造价低廉、原材料丰富、拌合物可塑性好、抗压强度高、[1][2][3]耐火性能好等优点被广泛应用在现代建筑工程中。但混凝土材料阻裂能力[4][5][6]较差，抗拉强度很低，大概只有其抗压强度的1/10～1/20。同时韧性也较[7]差，破坏时一般呈脆性破坏,其脆性随混凝土强度等级的提高而加大。我们知道，混凝土结构一般是带裂缝工作的，在此状态下，并不会影响结构的使用，但如果[8]裂缝宽度超过规范要求，结构将不能正常工作。随着结构一直处于非正常工作状态，久而久之，混凝土结构耐久性将迅速降低，进而影响混凝土结构的使用寿命。近几十年时间来，国内外研究人员一直在为混凝土性能的改进做不懈的努力，中国工程院院士吴中伟教授是探索改进混凝土性能方法和途径的先行者，经过长期的研究，他认为复合化的超叠加效应技术是水泥基材料高性能化的主要途[9]径，而纤维增强是这一技术的核心。在众多混凝土增强方案中，在混凝土中使用纤维增强受到了国内外学者广泛接受和大批应用,在混凝土中加入纤维能够抑制混凝土收缩，减少收缩裂缝的产生，提高混凝土抗拉强度，并能增加混凝土的[10][11][12][13]抗弯及抗冲击强度。20世纪80年代美国合成材料化学工业生产了一种由聚丙烯制成的纤维丝(称为Fibermesh)，并将其应用于混凝土结构中，该纤维丝的掺入显著增强了塑性混凝土抗拉强度，同时显著降低了其塑性流动性以及减少了纤维混凝土微裂纹的产生。纤维也能改变混凝土的破坏形态，具有阻裂、增韧的作用，在破坏时使混凝土这种脆性材料表现出一定的延性破坏性能。在混凝土材料中添加纤维可以解决混凝土自身的拉压比低、韧性差和收缩大的问题，[14][15]因此有学者预测，纤维混凝土将是21世纪混凝土发展的主要趋势。玄武岩纤维(BasaltFiber，简称BF)是一种新型的纤维材料，它具备了以上所述纤维应有的优良性能，并且与其他纤维(比如碳纤维、芳纶纤维)相比，优势更[16]加明显：耐温性能好，可在-269-700℃范围内连续工作；理化性能也好，耐酸、耐碱、耐腐蚀；抗拉强度高，弹性模量大，耐磨性好,耐冲击和成本低的优势，在混凝土中掺入短切玄武岩纤维，可有效降低混凝土的脆性，提高其承载力，改[17][18][19][20]善其抗裂性能的抗冲击性能力。玄武岩纤维混凝土作为一种新型混凝-1- 第一章绪论土，其良好的增强、增韧效果，已被应用到很多重要工程领域。随着基础经济建设和道路建设的飞速发展,城市道路和国道干线公路上的车辆荷载及密度越来越大,行驶速度越来越快,路面被压坏或被磨损坏的现象越来越严重，为了维持交通的畅通，路面必须在短时间内恢复正常。一般的普通混凝土在短期内强度肯定达不到，在普通混凝土中加入速凝剂的方法8h强度也仅为2[21]MPa～10MPa，用上述混凝土修补后的路面仍不能立即使用,而且混凝土的凝结时间难以控制。因此,研制一种新型的快速凝结、快速硬化、且具有较高早期强度的混凝土材料就非常有必要了。中国建筑材料科学研究总院自主研发的双快水泥(快凝快硬水泥，分为Ⅰ型和Ⅱ型)满足了上述要求，同时在短时间内双快水泥混凝土能达到较高的强度，本文以双快水泥混凝土为基础，在其中掺入玄武岩纤维，研究其基本力学性能和部分耐久性能。在双快水泥混凝土中添加玄武岩纤维，改善了混凝土的弯折强度，延缓了裂缝的开展、能减少早期混凝土收缩，加上其良好的耐久性（例如耐冲击、抗渗、抗冻）以及水泥的快凝快硬性能成功地应用于许多重要领域，军事维护、水利防护、建筑加固、机场维修、公路抢修等领域。在节约材料的同时，更能给人们提供较大的便利。符合国家节约能源、保护环境的可持续发展战略要求，有较强的现实意义和一定的理论价值。1.2玄武岩纤维及玄武岩纤维混凝土应用状况1.2.1玄武岩纤维的应用玄武岩纤维的生产近年来发展势头迅猛，世界范围内都意识到这种纤维的突出优势，都加快了研究和发展的步伐。1953～1954年，苏联莫斯科玻璃和塑料研究院迈出了研究和生产玄武岩纤维的第一步，1985年，第一台工业化生产炉于乌克兰实验室(TZI)建成投产，采用200孔漏板、组合炉拉丝工艺。在2002年之前，由于生产玄武岩纤维条件的限制，前苏联每年仅生产500t连续玄武岩纤维，这些纤维主要也只用于军事行业。然而，随着玄武岩纤维生产技术的提高，漏板拉丝技术提高到了400孔，俄罗斯现在玄武岩纤维生产产量发展到年产700t[22]规模，而且应用范围不仅限于军事行业，其他民用行业也有涉及到。美国研究玄武岩纤维起步较晚，但在已有的生产技术的水平上，能创造性的改进生产技术，目前其生产池窑现已发展到1000～1500t规模，漏板拉丝技术也达到了800孔，是俄罗斯的两倍。另外，德国、意大利、日本等国最近几年也相继展开了这方面的研究工作，并在其研究和应用领域取得了显著的成果，为玄武岩纤维的应-2- 第一章绪论用和发展创造了更加有利的条件。目前，我国借鉴其他国家对玄武岩纤维的发展成果，独创性的提出了自己对玄武岩纤维的开展和研究，虽然我国目前的玄武岩纤维研究开发、制备和应用尚处于较为初级的阶段，但部分技术已经达到了国际[18][23]先进水平，且其应用领域也在不断拓展。研究结果表明，连续玄武岩纤维综合性能突出，当它与其他材料共同工作时，它比玻璃纤维、碳纤维等有更强的亲和力，因此用玄武岩纤维与其他材料一起加工制成的复合材料具有明显的优异性能。由于具有这些优异的性能，它为玄武岩纤维材料在各领域的应用提供广阔的前景，可用作各种复合材料制品，如管道、风机、高压容器、隔热、防水、消声等，用于建筑、地下工程、航空航天、军事、[16][24][25]工业设备、电子、环保等多种领域。1.2.2玄武岩纤维混凝土的应用经过近半个世纪的探索，目前国内外学者对于玄武岩纤维增强混凝土的研究[26]方面已经取得了相当的成果。美国V.Ramakrishnan等人的研究表明，当玄武岩纤维体积掺量为0.5%时，经过搅拌机搅拌，玄武岩纤维能均匀分布于混凝土中，能有效阻止混凝土的离析，提高混凝土的粘聚性和保水性。同时在混凝土中掺入玄武岩纤维能够明显减少其早期收缩，对提高混凝土的早期抗裂极为有利，[27]研究表明，掺入一定量玄武岩纤维后，混凝土裂缝降低百分率最高可达98%。[28]Zielinski与Olszewski在试验室制备了玄武岩纤维混凝土(BasaltFiberReinforcedConcrete,BFRC)，研究了玄武岩纤维对混凝土塑性收缩、抗折强度和[29]抗压强度等一系列物理与力学性能的影响。Dias指出当玄武岩纤维掺量体积分数超过1.0%时，由于纤维的掺量比较高，通过SEM发现，纤维与水泥机体之间的粘结不紧密，试验结果发现纤维混凝土的静态抗压强度和劈裂抗拉强度较素混凝土有大幅度降低。[30][31][32]在国内研究成果方面：廉杰、潘慧敏、邓宗才等研究发现，掺入一定量的玄武岩纤维，能显著提高混凝土的抗折强度，明显改善混凝土的韧性。吴[20]钊贤、袁海庆等研究发现在不同BF体积掺量下，在一定范围内，随着纤维掺量的增加混凝土的早期强度提高得越明显，同时他们还进一步分析了玄武岩纤维[33]对混凝土基本力学性能的增强机理。李为民、许金余研究表明，均匀分布的玄武岩纤维对于冲击力学性能具有一定的改善效果，通过对玄武岩纤维混凝土(BFRC)和碳纤维混凝土(CFRC)冲击力学性能的对比发现：玄武岩纤维对混凝土的增强、增韧效果明显优于碳纤维，玄武岩纤维的体积掺量为0.1%时，纤维的增强、增韧效果最佳。因此玄武岩纤维可用于机场跑道、高速公路等经常受到冲击荷载作用的混凝土工程中，同时也可以在国防工程中发挥重要的作用。-3- 第一章绪论1.3双快水泥的分类、特征及其应用双快水泥系列，是一种凝结硬化速度快，强度发展迅猛，凝结时间可以调节[34]的水硬性水泥，即所谓“小时水泥”。其2～3小时的抗压强度相当于普通水泥28d的强度，主要用于紧急战时抢修工程、地下快速修复工程、隧道抢建工程、锚喷支护工程等。为了满足工程市场以及民用军用项目的要求，中国建筑材料科学研究总院水泥科学与新型建筑材料研究院从1965年开始自主研发了这一系列水泥，经过长时间的探索和研究，以锂盐激发无水石膏矾土水泥的早期强度，研制出了早期的双快水泥品种。1.3.1快凝快硬水泥分类双快水泥基本包括快凝快硬型砂水泥、快凝快硬硅酸盐水泥、快凝快硬氟铝[35]酸盐水泥、快凝快硬锚固水泥Ⅰ型、Ⅱ型及堵漏水泥、新型双快水泥等。1.3.2性能特点①凝结硬化速速快，凝结时间可以调节，早期强度高是这个系列水泥的主要特点。双快水泥在数分钟内开始凝结硬化，一般抢修工程可以满足要求。对于要求凝结时间较长的工程，可采用酒石酸、柠檬酸或硼酸作为缓凝剂；②后期强度稳定增长，在低温条件下仍能发挥较高的小时强度；③水泥具有微膨胀性。双快水泥在水化过程汇中形成较多的水化硫铝酸钙，使水泥产生微膨胀，从而具有良好的密实性、抗渗性；④耐蚀性能好，其中以双快氟铝酸盐水泥为最好。1.3.3应用结合双快水泥自身的优良特点和目前工程的实际情况，双快水泥被应用到大型重要工程。例如，机场跑道的快速维修、高速公路的快速通车以及桥隧和建筑加固维修等等。同时，双快水泥也能运用到比较特殊的环境下，例如海水环境、低温环境等恶劣的条件下，双快水泥的复合制品依旧能保持非常良好的耐久性能。就目前的研究资料表明，国内外学者对玄武岩纤维混凝土的静态力学性能和动态力学性能作了相当多的科研，也得出了令人满意的结论。但上述研究成果都是以普通混凝土或高性能混凝土为基础的，混凝土的早期强度不能快速提高，从而不能达到某些特殊重大工程需要在短时间内恢复工作的要求，这就限制了玄武-4- 第一章绪论岩纤维混凝土的应用。而双快水泥混凝土能很好地解决混凝土早期强度高的问题，并且其自身优良的耐久性能扩宽其应用领域。同时在双快水泥混凝土中添加玄武岩纤维，增强增韧效果也会更加显著，综合两者的优良特性，这在很大程度上满足工程要求。目前，关于两者组合后的性能研究鲜有报道。1.4本文研究的主要内容[36]玄武岩纤维混凝土是一种新型的复合材料，混凝土的力学性能一直是工程[37][38]应用中最关键的指标，也是国内外工程界学者所关注的科研热点。对于属于脆性材料的混凝土来说，首先应该具备足够的强度，用以承受一定荷载作用的承载力，以满足混凝土结构的适用性要求。同时，但我们也应该关注混凝土是否具有优异的耐久性以及更加安全的可靠性，以用来抵御因恶劣的环境、有害的介质对其产生的不利影响，以达到增强材料的安全性能和延长材料的使用寿命的目的。由以上所述，强度和耐久性是混凝土结构的两个重要指标。通过研究不同体积掺量、不同长度的玄武岩纤维对双快水泥混凝土(BFFCRC)综合力学性能的影响，有助于了解玄武岩纤维在双快水泥混凝土中的作用机理和效果，为玄武岩纤维双快水泥混凝土的应用提供理论依据。通过研究不同掺量、不同长度的玄武岩纤维双快水泥混凝土的氯离子渗透性能和低温性能，对于其在工程实践中的应用提供了参考依据。(1)BFFCRC配合比设计研究。比较纤维混凝土在不同配合比设计情况下的基本力学试验结果，确定一种最优配合比进行混凝土抗压强度和抗折强度试验。最优配合比，即在满足设计要求的条件下，能节省各材料的用量，特别是水泥的用量。(2)通过开展BFFCRC两种不同龄期(1d、28d)下的两种基本力学性能试验，即立方抗压强度和抗折强度试验，研究直径15μm，长度6、18mm的玄武岩纤维在0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%等5种体积掺量下对双快水泥混凝土力学性能的影响，分析玄武岩纤维不同龄期(1d、28d)、不同体积掺量(0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%)和不同纤维长度(6mm、18mm)的变化对双快水泥混凝土力学性能的影响规律，根据所研究的基本力学规律与纤维体积掺量的关系，总结出最佳纤维掺量。(3)通过双快水泥混凝土1d的氯离子渗透试验(每种工况3个试件)，研究直径15μm，长6、18mm的玄武岩纤维，在0、0.1%、0.3%三种体积掺量下对双快水泥混凝土抗氯离子渗透性能的影响；通过混凝土1d和28d低温性能试验(每种工况3个试件)，研究不同体积掺量(0～0.4%)的纤维混凝土在-30℃连续受冻7d后的低温性能，然后通过抗折试验对经过低温条件后的试件进行剩余强度研究，-5- 第一章绪论与未经低温的试件进行对比，分析低温条件对BFFCRC试件的强度影响规律。-6- 第二章配合比设计与试验方法第二章配合比设计与试验方法2.1引言纤维增强混凝土(FiberReinforcedConcrcte,FRC)简称纤维混凝土，它是以水[39]泥净浆、砂浆或混凝土为基体，以各种纤维为增强材料组成的复合材料。在纤维混凝土配合料中，与普通混凝土一样，也具有基本的原材料，如水泥、水、砂、石、以及一些必要的掺和料，除了这些，还掺入一定量的纤维，因此在纤维混凝土配合比设计时，要考虑纤维在混凝土处于分散的状态，这样纤维混凝土的整体性将全面地表现出来。纤维混凝土在科学研究和工程生产、使用之前，必须要经过精挑细选出生产纤维混凝土一系列原材料，原材料的物理特性和化学特性都会对混凝土的使用状态、基本的力学性能及耐久性能均会产生直接或间接的影响[40]。纤维混凝土配合比设计通过对纤维的理化性质、掺量的选择，与混凝土其它基本材料进行组合，根据试验或工程要求和工程经验，进行材料比例的最优化设计，使纤维在混凝土中的优良特性完全显示出来，最终制备出满足所需要求的纤维混凝土的工作性能和强度性能。同样，优秀试验方案的设计将为研究内容起到关键性的作用。本文研究玄武岩纤维对于双快水泥混凝土的基本力学性能和部分耐久性能，采用单因素试验方法分析，结合国家相关标准规范和相关理论依据，全面整体地探究玄武岩纤维对双快水泥混凝土性能影响。2.2玄武岩纤维双快水泥混凝土(BFFCRC)配合比设计BFFCRC配合比设计包括原材料的选取和配合比的确定，根据不同配合比的试验结果，选择一组最佳配合比进行后续的基本力学试验和耐久性能试验。2.2.1原材料1.水泥采用中国建筑材料科学研究总院水泥科学与新型建筑材料研究院自主研制的双快水泥(Ⅱ型)，其各项具体指标见表2-1所示。-7- 第二章配合比设计与试验方法表2-1双快水泥(Ⅱ型)技术指标及检验结果凝结时间抗压强度抗折强度(min)(MPa)(MPa)项目初凝终凝4h1d3d28d4h1d3d28d≥≥≥≥≥≥≥技术指标≤9≤12≥1.05.025.042.542.54.66.46.4检验结果7.58.678.229.852.555.11.25.07.57.8结论符合技术指标要求2.细集料细集料在混凝土中主要起填充作用，级配良好的细集料能改善混凝土的流动性和粘聚性，同时能在很大程度上增强混凝土的强度，因此细集料需具有较好的细度模数和颗粒级配。本课题所用的细集料来自天津市北辰区，为天然河砂，细3度模数为2.9，密度为2670kg/m，筛分试验结果见表2-2.表2-2砂的筛分试验结果筛孔直径(mm)9.54.752.361.180.60.30.16底盘筛余量(g)028.9353.82140.81119.7682.2242.8229.54分计筛余(%)05.810.7928.2324.0116.448.565.92累计筛余(%)05.816.5944.8268.8385.2793.8399.753.粗集料粗集料在混凝土中主要起着骨架支撑作用，混凝土力学强度的高低主要取决于粗集料的级配是否良好，同时，粗集料的物理化学性质也能影响混凝土的强度。级配良好的粗集料与水泥浆体有良好的粘结能力，从而提高混凝土的强度。本试验中采用的粗集料来自天津市北辰区，为石灰岩质碎石，粒径为5～20mm，表3观密度2680kg/m。-8- 第二章配合比设计与试验方法4.减水剂减水剂使水泥颗粒分散，改善和易性，降低用水量，从而提高水泥基材料的致密性和硬度，增大其流动性。本试验采用的减水剂为中国建筑材料科学研究总院水泥科学与新型建筑材料研究院生产的奈系高效减水剂，减水率为20%，其具体指标见表2-3所示。表2-3减水剂的主要物理性能指标化学名称外观溶解性净浆流动度氯离子含量萘磺酸盐甲醛缩合物棕黄色粉末易溶于水≥230mm≤0.5%5.缓凝剂本试验采用的缓凝剂为中国建筑材料科学研究总院水泥科学与新型建筑材料研究院生产的LB高效缓凝剂，专用于硫（铁）铝酸盐水泥及由此水泥配制的砂浆或混凝土。其主要技术性能指标见表2-4所示。表2-4LB缓凝剂主要技术指标凝结时间差抗压强度比掺量减水率含气量项目(min)(%)钢筋锈蚀(%)(%)(%)初凝终凝3d28d0.5～5～20～20～＞＞指标＜2无锈蚀1.5201001001101106.玄武岩纤维由于本课题研究的是玄武岩纤维对FCRC性能的试验研究，因此纤维的选择至关重要。江苏天龙玄武岩连续纤维高新科技有限公司生产的短切玄武岩纤维理化性能优良，满足本课题研究的要求，其短切长度为6mm和18mm两种，其具体的性能指标见表2-5.表2-5玄武岩纤维性能参数长度直径密度拉伸强度弹性模量最高使用伸长率3(mm)(μm)(g/cm)(MPa)(GPa)温度(℃)6/18152.65~3.053000~350090~1103.2650-9- 第二章配合比设计与试验方法图2-118mm玄武岩纤维图2-26mm玄武岩纤维2.2.2BFFCRC配合比设计混凝土配合比设计的任务，就是根据原材料的技术性能及施工条件，合理选择原材料，并确定出满足工程条件所要求的技术经济指标的各组成材料的用量[41]。具体说来混凝土配合比设计要满足以下基本要求：①满足混凝土结构设计强度等级；②满足施工所要求的新拌混凝土的和易性；③满足混凝土耐久性等其他相关特殊性能；④经济成本要求，主要是水泥的成本。[42]根据试验要求，本试验采用纤维体积率法进行配合比设计。纤维体积率法是在已设计的普通混凝土配合比的基础上，根据混凝土的体积分数直接以外掺方式将纤维添加到混凝土拌合物中，这种纤维外掺方式完全不用改变原有基准混凝土配合比中组成材料的用量，以纤维理化性质的差异、体积掺量不同来研究纤维对混凝土的增强增韧效果。该设计方法实用、简单、直观，能够直接反映出纤维掺量变化对混凝土性能的影响规律，同时纤维体积率配合比设计方法还适用于抑制混凝土早期开裂、防止收缩作用的低掺量纤维混凝土或混杂合成纤维混凝土的配合比设计。目前在一些工程领域和试验研究中，纤维体积率法是应用最广泛的一种配合比设计方法，本课题也以体积率法为标准，在基准混凝土原材料中外掺一定体积率的玄武岩纤维，试验配合比见表2-6。-10- 第二章配合比设计与试验方法3表2-6不同水灰比的纤维混凝土配合比kg/m试件水灰比砂率水水泥砂石纤维减水剂缓凝剂编号C30.325%19063339511705.47.63.2C40.430%19047551512005.45.72.4C50.533%19038059511955.44.61.9C60.638%19031770011455.43.81.62.3试件制备与养护2.3.1试件制备[43]根据《钢纤维混凝土试验方法》(CECS13:89)的要求，试件制备和试验方法应按标准进行。在试件在制作过程中，要注意投料的先后顺序，特别是纤维的顺利，若在加水后再加纤维，必定会造成纤维在混凝土中分散不均匀。再者，搅拌方式、搅拌时间的不同也会影响混凝土的各种性能。因此，为保证混凝土拌合物的均匀性以及成型后混凝土试件的质量，其投料顺序及搅拌时间如图2-3所示，搅拌方式采用混凝土强制式搅拌机拌和。BF碎石搅拌搅拌搅拌搅拌自来水减水剂混凝土30s双快水泥60s60s90s砂图2-3纤维混凝土投料顺序2.3.2试件养护试件成型完毕后，放在温度为25℃左右条件下静置4h，然后拆模编号，依[43]据《钢纤维混凝土试验方法》(CECS13:89)养护方式，将试件放入标准条件下养护至所需龄期。2.4最佳配合比确定在进行玄武岩纤维双快水泥混凝土基本力学性能之前，双快水泥混凝土由于-11- 第二章配合比设计与试验方法不存在普通混凝土强度与W/C的对应关系，因此必须通过试配来确定混凝土的配合比，以确定所有试验的最佳配合比。本次试验的基准混凝土设计等级为C40，选用玄武岩纤维长度为18mm、体积掺量为0.2%，探究在四种不同水灰比(W/C=0.3,0.4,0.5,0.6)条件下纤维混凝土龄期为1d的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度，最后根据试验结果和配合比设计要求确定最佳水灰比，纤维混凝土配合比设计如上表2-6所示。试件成型拆模后放置在标准条件下养护，试验龄期为1d的纤维混凝土试件的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度，试验结果如表2-7所示。表2-7玄武岩纤维混凝土1d的基本力学强度试件抗压强度劈裂抗拉强度抗折强度编号(MPa)(MPa)(MPa)C342.22.485.5C433.62.084.6C528.81.693.6C619.31.222.8一般说来，混凝土的水灰比不同,其强度也会有差异。通常情况下,水灰比越[44]小，强度越高，双快水泥拌制的早强混凝土也应该有这个性质。由表2-7和图2-4，2-5，2-6可知，随着水灰比逐渐增大，玄武岩纤维双快水泥混凝土试件立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度逐渐降低。当纤维混凝土水灰比为0.5时，混凝土试件的立方体抗压强度为28.8MPa，满足早强混凝土24h后强度为[44]17~30MPa的要求，同时，相比混凝土水灰比为0.3和0.4时的水泥用量，水灰比为0.5时水泥用量较少，更加经济。-12- 第二章配合比设计与试验方法5042.240MPa33.6/28.8强度3019.320立方体抗压1000.30.40.50.6水灰比图2-4水灰比对混凝土立方体抗压强度的影响32.482.52.08MPa/21.69强度1.51.22裂抗拉1劈0.500.30.4水灰比0.50.6图2-5水灰比对混凝土劈裂抗拉强度的影响65.554.643.6MPa/2.83强度抗折2100.30.40.50.6水灰比图2-6水灰比混凝土抗折强度的影响基于以上试验研究结果和经济因素的考虑，选择水灰比为0.5的纤维混凝土的配合比为基准配合比。-13- 第二章配合比设计与试验方法2.5本章小结本章介绍了玄武岩纤维双快水泥混凝土各种材料的理化性能和力学性能，根据双快水泥混凝土的特点以及试验的设计目的，阐述了纤维混凝土的试件制备过程及养护方法与条件。设计不同水灰比条件下的混凝土配合比，以单一变量为原则，通过试验，探究在纤维掺量一定、纤维长度一定、水灰比不同的条件下，混凝土各种基本力学强度随水灰比的变化的情况。最后根据试验结果和经济因素考虑，选择最佳水灰比条件下的混凝土配合比作为各种基本力学性能的基准配合比。本试验中，最终选择水灰比W/C=0.5时的配合比作为基准配合比，下一章研究混凝土基本力学性能以此为基础。-14- 第三章玄武岩纤维双快水泥混凝土基本力学性能试验第三章玄武岩纤维双快水泥混凝土基本力学性能试验3.1引言[45]混凝土抗压强度是衡量混凝土力学性能的重要指标。目前，混凝土的立方体抗压强度是进行混凝土结构设计中所考虑的主要因素，混凝土的强度等级也是按照混凝土的立方体抗压强度标准值的大小来进行划分的。在混凝土施工、浇筑过程中，若存在检测质量问题，一般会进行试块取样检测，而检测的标准就是看试样的立方体抗压强度是否符合设计要求，以此来确保工程质量，提高工程结构的可靠性及安全度。同时，为了了解玄武岩纤维双快水泥混凝土受弯构件的破坏状态，抗折强度也成为纤维混凝土构件基本力学性能的主要指标，试验研究的结果为玄武岩纤维双快水泥混凝土在建筑结构上的应用提供了试验依据。3.2基本力学试验配合比在第二章中，分析纤维混凝土的强度试验结果与混凝土不同水灰比W/C的关系可知，纤维混凝土水灰比W/C=0.5时，已达到设计要求，同时也是最经济的。因此，在做纤维混凝土立方体抗压强度和抗弯折强度试验时，均采用以下配合比，如表3-1所示。表3-1玄武岩纤维双快水泥混凝土基本力学性能配合比3纤维掺量材料用量（kg/m）组号(%)纤维水水泥砂石减水剂缓凝剂B000190380595119500B10.12.7190380595119531.9B20.25.419038059511953.81.9B30.38.119038059511954.561.9B40.410.819038059511954.561.9-15- 第三章玄武岩纤维双快水泥混凝土基本力学性能试验3.3立方体抗压强度试验由于纤维在混凝土中呈乱象随机分布，因此纤维混凝土的受力特性和尺寸效应较为复杂，其混凝土构件在实际应用中一般处于复杂的应力状态。在此复杂的[43]应力状态下，纤维混凝土的强度破坏机理尚不易阐明，同时在规范中也并没有采用复杂应力状态下的理论分析，为简化研究难度，本试验以单轴受力时的破坏强度作为设计标准，以此反映玄武岩纤维双快水泥混凝土的抗压强度。3.3.1试验方法本次玄武岩纤维双快水泥混凝土立方体抗压强度的试验参考《钢纤维混凝土[43]试验方法》的方法进行。试验用的粗骨料最大粒径为20mm，所用纤维的最大[43]长度为18mm，由规范可知，可采用100mm×100mm×100mm非标准试件进行试验，试验机为NYL-2000D型压力试验机。[43]试验步骤如下:(1)将试件从养护室中取出，擦掉表面水分后，检查试件外观并测量尺寸，精确至1mm。(2)将试件成型时的侧面作为承压面，安放时试件轴心应对准试验机下压板中心。开动试验机，当上压板与试件接近时，调整球铰座，使接触均衡。(3)加荷时应连续、均匀。加荷速度取12KN/s-18KN/s，当试件接近破坏时，应停止调整油门，直到试件破坏。记录最大荷载，精确至0.5KN.混凝土立方体试件的抗压强度计算公式如下:Fmaxf=(3-1)cuA式中f——BFFCRC试件立方体抗压强度(MPa)；cuFmax——试件最大破坏荷载(N);2A——试件承压面积(mm)计算结果精确至0.1MPa，由于试件尺寸为100mm×100mm×100mm,应乘以尺寸换算系数0.9。以３个试件测值的算术平均值作为该组试件的抗压强度值，若其中的最大值或最小值与中间值之差大于中间值的15%，则取中间值为该组试件的抗压强度值；如果二者与中间值相差均大于中间值的15%，则试验结果无效[43]。-16- 第三章玄武岩纤维双快水泥混凝土基本力学性能试验图3-1立方体抗压强度试验3.3.2试验结果与理论分析本次以未掺入玄武岩纤维的双快水泥混凝土试件作为对比组，纤维长度有18mm和6mm两种，分别测定了两种纤维的体积掺量为0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%的双快水泥纤维混凝土1d、28d的抗压强度，试验结果见表3-2。表3-2BFFCRC立方体抗压强度实测值及提高率BF体积抗压强度(MPa)强度提高率(%)序掺量Vf1d28d1d28d号(%)6mm18mm6mm18mm6mm18mm6mm18mm1025.725.741.641.6----20.127.227.344.942.15.846.237.881.0830.227.024.344.639.55.06-5.377.14-5.1740.326.622.144.439.03.50-14.26.73-6.3550.425.921.342.737.50.78-17.02.64-9.86通过玄武岩纤维双快水泥混凝土1d和28d的抗压强度试验研究，分析玄武岩纤维长度对试验结果的影响如图3-2、3-3所示。-17- 第三章玄武岩纤维双快水泥混凝土基本力学性能试验/%率变化强度抗压1dBF体积掺量Vf/%图3-2两种长度BF的体积掺量与龄期1d抗压强度变化率的关系/%率变化强度抗压28dBF体积掺量Vf/%图3-3两种长度BF的体积掺量与龄期28d抗压强度变化率的关系由表3-2和图3-2、3-3可知，当BF体积掺量为0.1%,两种长度的BFFCRC1d抗压强度均有较大幅度的提升，6mm玄武岩纤维双快水泥混凝土抗压强度提高了提高了5.84%，18mm玄武岩纤维双快水泥混凝土抗压强度提高了6.23%。这[46]与李为民，许金余研究的玄武岩纤维掺量为0.1%时，其对混凝土的增强、增韧效果最佳的结论一致。对于BFFCRC1d的抗压强度，BF体积掺量超过0.1%-18- 第三章玄武岩纤维双快水泥混凝土基本力学性能试验时，6mm玄武岩纤维双快水泥混凝土抗压强度变化不大，18mmBFFCRC抗压强度逐渐降低，当BF体积掺量为0.4%时，18mmBFFCRC抗压强度仅为未加BF时双快水泥混凝土的83%，下降了17%。对于BFFCRC28d的抗压强度，BF体积掺量为0.1%时，6mmBFFCRC抗压强度迅速提高，提高幅度为7.88%，随着BF体积掺量的增加，抗压强度增长较为平缓，当BF体积掺量为0.4%时，6mm抗压强度下降至42.6MPa,与未加BF时双快水泥混凝土的抗压强度相当。对于18mm玄武岩纤维双快水泥混凝土28d抗压强度,由图3-3所示，随着BF体积掺量的增加，抗压强度呈下降趋势，当BF体积掺量为0.4%时，BFFCRC相对于未加BF时双快水泥混凝土的抗压强度下降了9.86%。对于玄武岩纤维双快水泥混凝土抗压强度减弱的现象，有以下原因：首先，在直接外掺方式下，通过SEM观察发现，纤维与水泥石界面联结性差，混凝土内部极易形成大小不一的孔洞(图3-4,3-5)，直接导致混凝土强度的明显降低。对于18mmBF，随着纤维体积掺量的加大,纤维在搅拌过程中结团的几率也比较大，玄武岩纤维不易均匀分布于混凝土中,且部分黏结成团,从而产生了众多薄弱界面，从而降低了抗压强度；其次，在搅拌过程中还发现，随着搅拌的进行，由于纤维受到粗骨料和细骨料挤压和摩擦，部分玄武岩纤维从条状变成绒状，从而改变了BF的物理性质，也造成了BFFCRC抗压强度的减少;第三，搅拌后,部分玄武岩纤维由于粗细骨料之间的相互挤压和摩擦呈绒状,BF更易表现出亲水能力，这样水泥进行水化作用的水相对减少了,水化作用不充分,从而造成了混凝土强度的降低。但从图3-2中可以看出,随着BF体积掺量变化,两种长度的纤维混凝土1d的抗压强度均出现一个峰值,此峰值对应着一个较优的BF体积掺量，这与沈[47]刘军,许金余等人研究的最优体积掺量较为符合，对于该最优BF体积掺量的确定和研究具有极其重要的理论意义，但目前很多学者对BF最优掺量的确定意见不统一，这方面的研究还在进一步开展之中。图3-4BFRC中纤维-水泥石截面图3-5BFRC中纤维-水泥石截面（50×）（2000×）-19- 第三章玄武岩纤维双快水泥混凝土基本力学性能试验对于玄武岩纤维双快水泥混凝土抗压强度增强的现象，有以下原因：第一，由于振荡不充分以及粗细骨料连续性不佳，硬化后的混凝土内部会产生一系列的孔径，这些孔径严重影响了抗压强度的增长，玄武岩纤维的掺入，在一定程度上减少了这些孔径的形成，在最佳掺量范围内还能增加混凝土抗压强的的增加。第二，玄武岩纤维在混凝土内部呈乱象分布,玄武岩纤维增强增韧作用主要归因于BF的“微加筋”作用。当试件承受的荷载达到破坏荷载时,混凝土试件便开始出现微裂缝,当裂缝扩展至有纤维连接的界面时，跨越此微裂纹的BF开始承担拉应力，抑制裂纹的进一步进行,直至BF被拉断或拨出，从而延缓混凝土裂纹扩展。当现有裂纹驱动力受到抑制导致基体内部能量积聚,将再次寻求基体薄弱点出现新裂纹释放能量。新裂纹出现,纤维立即发挥抑制作用,如此反复作用,在混凝土内部形成了大量的微裂纹。玄武岩纤维混凝土一方面通过新的微裂纹将能量释放,另一方面通过每一次受荷载过程中的微裂纹的开与合增加纤维与基体界面的摩[48]擦进而消耗能量。在试件受压破坏时，观察BFFCRC外观特征和裂缝出现情况，可以比较BFFCRC和未掺入BF双快水泥混凝土的破坏情况，以此突出BFFCRC的优良性能。五种混凝土破坏形式如图3-6所示。由图3-6可以看出，随着BF掺量的增加，混凝土试件破坏时，试件外形越来越完好，体积掺量为0.3%和0.4%，几乎看不到明显的竖向裂缝。未掺BF混凝土试件，破坏时，出现较多的竖向裂缝，且最外层混凝土明显脱落。-20- 第三章玄武岩纤维双快水泥混凝土基本力学性能试验a)不掺b)掺0.1%c)掺0.2%d)掺0.3%e)掺0.4%图3-6BF各体积掺量下混凝土破坏形态-21- 第三章玄武岩纤维双快水泥混凝土基本力学性能试验对于未掺入BF双快水泥混凝土而言，在单轴竖向压力作用下，混凝土会产生微弱的变形，表现出纵向压缩和横向膨胀两种特点。随着轴向压力的增大，混凝土横向膨胀越来越明显，当施加的轴向荷载超过混凝土极限荷载时，混凝土随即宣告破坏，其外观也发生不同程度的变化，表现出混凝土表面有脱落现象。同时当试件中部的横向应变达到极限值时，试件将被拉裂，表现为在混凝土表面产生纵向裂纹;若此时继续施加荷载，裂纹将进一步延伸并伴随有新的纵向裂纹产生，最后混凝土试件丧失承载能力而破坏。当在混凝土试件中掺入玄武岩纤维后，BF在混凝土试件中可以起到“类加筋”作用。当试件出现纵向微裂缝时，贯通微裂缝的纤维承担了部分拉应力，从而可以延缓混凝土发生进一步横向变形，起到了推迟混凝土破坏的作用。同时由于玄武岩纤维的存在，因其较强的抗拉强度，拉应力作用下纤维不容易被拉断，从而迫使裂缝在试件的其他地方产生，以至于原先出现的裂缝不会继续发展贯通，较好的保持了试件外观，体现了纤维混凝土的韧性。3.4抗弯折强度试验纤维混凝土抗弯性能最能反映出纤维的增强、增韧效果，同时应用最多的弹性地基上的板式结构如路面、机场道面、码头铺面、工业地面等，均以弯拉强度（抗折强度、抗弯强度、折断模量）为设计依据，所以对于研究纤维混凝土力学性能的试验来看，以抗弯性能试验为最多。世界各国和国际学术团体的标准，规定的试验方法基本相同，大体可以分二类，一类是棱柱体模筑试件：尺寸为150mm×150mm×550mm，支点跨距450mm，或尺寸为100mm×100mm×400mm,支点跨距300mm；另一类为喷射混凝土的切割试件，梁式试件尺寸为：截面宽为150mm，厚75mm，板式试件为方板或圆板，专门用于做韧性试验。本文抗弯折强度试验的试验对象是尺寸为100mm×100mm×400mm模筑混凝土棱柱体试件。3.4.1试验方法[43]玄武岩纤维双快水泥混凝土抗弯折强度试验，按照规范的试验方法进行。与立方体抗压强度试验和纤维混凝土劈裂抗拉强度试验一样，抗弯折强度试验也是掺入两种不同纤维长度(18mm和6mm)、不同体积掺量（0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%）进行，采用100mm×100mm×400mm非标准试件进行试验，试验机为WE-30型300KN液压式万能试验机。纤维混凝土劈裂抗拉强度尺寸折算系数为0.82。[43]试验步骤如下：-22- 第三章玄武岩纤维双快水泥混凝土基本力学性能试验(1)、从养护地点取出试件，擦净后检查外观，不得有明显缺损，在跨中1/3的受拉区内不得有直径大于7mm、深度大于2mm的表面孔洞。试件承压面的不平度应为每100mm不大于0.05mm，承压面与相邻面的不垂直度不应大于１度。(2)、将试件成型时的侧面作为承荷面，安放在支座上。按图3-7所示尺寸和三分点加荷的规定，检查支座及压头位置，所有间距尺寸偏差均不得大于±1mm。试件放稳对中后开动试验机，当压头与试件接近时，调整压头和支座，使接触均衡。若压头及支座不能前后倾斜，各接触不良处应予垫平。P图3-7抗折试验示意图(3)、对试件连续、均匀加荷，当试件的抗压强度低于30MPa时，加荷速度取0.02～0.05MPa/s；当试件抗压强度等于或高于30MPa时，取0.05～0.08MPa/s。当试件临近破坏、变形速度增快时，应停止调整试验机油门，直至破坏。记录最大荷载和破坏位置，精确至0.01MPa。模筑棱柱体混凝土试件的抗折强度计算为：Flmaxf=（3-2）fcm,2bh式中：ffcm,——玄武岩纤维双快水泥混凝土抗折强度(MPa)；F——纤维混凝土破坏荷载(KN)maxl——支座间距(mm);b——试件截面宽度(mm)；h——试件截面高度(mm).试验结果的取值方法与3.3.1条完全相同，此处不予累述。试验计算值精确至0.01MPa.如试件的折断面位于两个集中荷载之外，则试验结果无效，按另两个试件结果计算。如有两个试件出现上述情况，则该组结果无效。抗弯折试件的安装如图3-8所示。-23- 第三章玄武岩纤维双快水泥混凝土基本力学性能试验图3-8抗弯拉强度试验试验时，难免会出现试验试件表面不平整的现象，进而影响试验测试结果。因此，笔者在试验方法上做了一点改进，即在荷载承压面上安放了一个球铰支座，当施加荷载时，球铰支座根据施加荷载情况自动找平，这样做的目的是防止试件局部受压破坏，从而导致与试验前受力均匀的设想不一致。3.4.2试验结果与理论分析对于本次抗弯折试验，在双快水泥混凝土试件中掺入两种不同长度(6mm和18mm)的BF，研究BF体积掺量为0、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%时，玄武岩纤维双快水泥混凝土试件1d和28d抗折强度随纤维体积掺量的影响。试验结果如表3-5所示表3-5玄武岩纤维混凝土抗折强度实测值抗折强度(MPa)BF体积序号1d28d掺量Vf(%)6mm18mm6mm18mm103.23.25.75.720.13.43.85.86.230.23.54.06.06.740.33.74.26.07.250.43.74.55.97.5-24- 第三章玄武岩纤维双快水泥混凝土基本力学性能试验玄武岩纤维的掺入，对双快水泥混凝土的抗折强度起到了一定的增强作用，增强作用的提高幅度根据掺入不同长度的纤维而有所不同。由表3-5和图3-8、3-9所示，6mm纤维混凝土抗折强度随纤维掺量变化不大，而18mm纤维混凝土抗折强度随纤维体积掺量的增大而有所提高。对于玄武岩纤维双快水泥混凝土试件1d的抗折强度，BF体积掺量为0.4%时，抗折强度为4.5MPa，相对未掺入BF的混凝土试件的抗折强度提高了40.6%；而28d的抗折强度随纤维掺量增长较多，几乎成斜直线增长，BF体积掺量为0.1%时，抗折强度增长了8.8%，当BF体积掺量为0.4%时，抗折强度增长49.1%。由以上我们可以看出，在一定的体积掺量范围内，玄武岩纤维可以提高双快水泥混凝土的抗裂能力。研究发现，6mm纤维混凝土抗裂能力提高不明显，而18mm纤维混凝土抗裂能力的提高非常明显。/MPa强度抗折1dBF体积掺量Vf/%图3-8不同长度BF的体积掺量对FCRC1d抗折强度的影响-25- 第三章玄武岩纤维双快水泥混凝土基本力学性能试验/MPa强度抗折28dBF体积掺量Vf/%图3-9不同长度BF的体积掺量对FCRC28d抗折强度的影响纤维混凝土的抗弯性能最能反映出纤维的增强、增韧效果，混凝土中掺入玄武岩纤维后弯曲性能增强，抗折强度有所提高。在进行抗折三分点弯曲试验中，对于未掺BF的基准混凝土试件在荷载增加时，纯受弯区段会发生微小的变形，当荷载达到混凝土破坏荷载时，试件应变迅速增大，达到极限应变后便立即开裂，并迅速延伸至整个破坏截面，试件会迅速裂为两半，并伴随“啪”的声音。破坏后的试件断面比较平坦，呈现典型的脆性断裂特征。对于掺入了BF的双快水泥混凝土试件，在受荷初始阶段，只有基体混凝土承担荷载，整个试件处于弹性工作阶段，试件还未出现裂缝。当继续施加荷载，受弯构件纯弯区段的拉应变达到混凝土初裂应变时，混凝土试件大致从中间底部开始出现裂微缝，但跨越裂缝的BF仍能通过界面承担部分拉应力，纤维混凝土试件还能继续承受一部分荷载，从而使BFFCRC试件的抗折破坏荷载增大，进而其抗折强度有了一定的提高，弯曲韧性得到显著的增强。由于玄武岩纤维的加入，抗折试验中混凝土试件的破坏形态也发生了变化，破坏时没有任何“啪”的声音，断裂过程非常缓慢，呈现出一定的延性破坏。抗折试件具体破坏形态见图3-10。从图中可以看到，随着BF掺量的增加，抗折试件破坏裂缝越来越小，BF体积掺量为0.3%和0.4%时，只有微弱的裂缝的出现。-26- 第三章玄武岩纤维双快水泥混凝土基本力学性能试验a)不掺b)掺0.1%c)掺0.2%d)掺0.3%e)掺0.4%图3-10抗折试件裂缝分布情况-27- 第三章玄武岩纤维双快水泥混凝土基本力学性能试验3.5本章小结根据试验研究结果，确定混凝土试件二种力学试验的最佳基准配比，在此基础上，研究不同长度(6mm和18mm)、不同体积掺量(0、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%)的BF对双快水泥混凝土立方体抗压强度和抗弯折强度的影响。通过试验数据结果，总结纤维长度和纤维体积掺量对上述二种基本力学强度的影响规律和BF在双快水泥混凝土中表现出的优良性能。(1)当BF体积掺量为0.1%时，6mm玄武岩纤维双快水泥混凝土抗压强度(1d、28d)提高较多，18mmBFFCRC1d抗压强度也有提高，但28d抗压强度提高不明显；当BF体积掺量超过0.1%时，6mm玄武岩纤维双快水泥混凝土抗压强度开始有下降的趋势，而18mmBFFCRC抗压强度（1d、28d）逐渐降低。(2)BF的掺入增强了双快水泥混凝土的韧性。随着BF掺量的增加，混凝土试件破坏时，试件外形越来越完好，体积掺量为0.3%和0.4%，几乎看不到明显的竖向裂缝。未掺BF混凝土试件，破坏时，出现较多的竖向裂缝，且最外层混凝土明显脱落。(3)玄武岩纤维的掺入，对双快水泥混凝土的抗折强度起到了一定的增强作用，增强作用的提高幅度根据掺入不同长度的纤维而有所不同。玄武岩纤维还可提高双快水泥混凝土的抗裂能力，研究发现，6mm纤维混凝土抗裂能力提高不明显，18mm纤维混凝土抗裂能力提高非常明显。-28- 第四章玄武岩纤维双快水泥混凝土耐久性能研究第四章玄武岩纤维双快水泥混凝土耐久性能研究4.1概述普通混凝土材料由于存在抗拉强度低、脆性强、易收缩开裂等诸多缺陷，从而缩短了其在公路、桥梁、隧道等工程中的使用年限，造成了大量混凝土材料的浪费，同时也造成了环境的污染。由于混凝土结构的强度可以设计得比较高，混凝土的耐久性可能也会被认为是自然地得到改善。但事实上，强度和耐久性是两种不同的概念，它们是混凝土性能不同方面的反映。对于大多数混凝土结构，强度和耐久性都应在设计阶段得到考虑，有时耐久性还成为更主要的设计参数。有诸多文章报道，在普通混凝土中加入一定量的玄武岩纤维，能有效抑制混凝土塑性收缩开裂，也能改善混凝土抗冻、抗氯离子渗透、抗冲磨、抗冲击等性[49]能。朱华军等通过试验发现BFRC的抗氯离子渗透性能明显优于OC，并且在试验中玄武岩纤维混凝土的总电通量为980C比普通混凝土低442C，玄武岩纤维的掺入改善了混凝土结构提高了其抗氯离子渗透能力。朱华军通过冻融循环试验还发现，玄武岩纤维的掺入改善了混凝土结构，减少了其内部孔洞的形成，较大幅度地提高了混凝土抗冻能力，使BFRC抗冻性能明显优于OC。本文以玄武岩纤维双快水泥混凝土为载体，探索研究不同纤维长度（6mm和18mm）、不同体积掺量(0、0.1%、0.3%)的BFFCRC早期(1d)抗氯离子渗透性能以及两种纤维长度、不同体积掺量(0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%)在低温下纤维混凝土的低温性能，为BFFCRC在工程中的应用提供理论和试验依据。4.2玄武岩纤维双快水泥混凝土氯离子渗透性能试验研究4.2.1试验设计由于受试验条件限制，本次试验只取BF三种掺量(0、0.1%、0.3%)，试验配[50]合比同第三章所述配合比。试验按ASTMC1202-97所述方法进行，龄期为1d。ASTMC1202-97是美国试验与材料协会选定的标准试验方法，试验的具体方法50mm厚，100mm直径的混凝土试件.试验试件组数和个数如表4-1所示。-29- 第四章玄武岩纤维双快水泥混凝土耐久性能研究表4-1试件数量种类纤维长度(mm)编号BF体积掺量(%)试件尺寸组数件数FCRC--D0013D6-10.1136mm直径100，高50D6-30.313BFFCRC的圆柱体D18-10.11318mmD18-30.3134.2.2试验方法和仪器(1)试验方法将圆柱体混凝土试件(直径100mm，高50mm)一面接入3%的NaCl溶液中，另一面接入0.3N的NaOH溶液中，两端保持60V电位差，持续通电6小时后测定过混凝土试件的总电量，用通过混凝土的电量的高低来判断混凝土的抗氯离子渗透能力。接通整个装置后记录初始电流I0，然后每隔30分钟记录一次数据，一直持续到6h为止。试验结果在电脑显示器上以中流曲线和电流数值两种方式显示，中流曲线，以电流I（A）为纵轴、时间t(min)为横轴自成一平滑曲线，曲线与横轴包围的面积（用求积仪推算）即为总的电通量。可以用条形法将所记录的电流值代入下式(4-1)即可获得累计电量Q。Q=900(I0+2I30+2I60+2I90+……+2I300+2I330+2I360)(4-l)根据计算机自动计算的混凝土6小时通过的总导电量，对照ASTMC1202-97电-导率测定Cl渗透性标准表（表4-2所示），表中根据总电量大小把混凝土对氯离子渗透性分成不同等级，可以判断氯离子渗透性高低。-表4-2ASTMC1202基于电导率测定判断Cl渗透性标准-总通电量（C）Cl渗透性＞4000高2000～4000中等1000～2000低100～1000很低＜100不渗透-30- 第四章玄武岩纤维双快水泥混凝土耐久性能研究(2)试验仪器设备本试验采用北京耐尔公司生产的混凝土电通量测定仪及真空保水机(图4-1和图4-2)图4-1NEL—PER型混凝土电通量测定仪图4-2NEL—VJ型真空保水仪(3)试验步骤a)从养护室取出试件后放入60℃恒温箱中烘8个小时，尽量让试件处于相对干燥的状态。8小时后，取出试件，待其降温后，将圆柱体试件侧面进行封蜡处理(图4-3)。-31- 第四章玄武岩纤维双快水泥混凝土耐久性能研究图4-3封蜡处理后的试件b)然后将圆柱体试件放入真空保水仪中，启动真空泵，让真空泵连续工作6小时，确保真空保水仪内部处于真空环境。取适量蒸馏水，通过外接玻璃软管将蒸馏水抽入真空保水仪中，蒸馏水要完全淹没试件，保水18h。c)18h后，将试件安装在试样夹具上(图4-4)，用粘贴胶将试件密封，以确保试件与外界空气隔离。图4-4试件安装d)在两试验夹具中分别倒入NaCl、NaOH溶液至夹具端口，插上正负电极，连接测试计算机，通电，通过NELElec测试软件控制，6小时后停止测试，数据自动保存，导出EXCEL数据表格。-32- 第四章玄武岩纤维双快水泥混凝土耐久性能研究4.2.3试验结果及分析根据导出的EXCEL数据表格，得到的数据结果如下表4-3所示。表4-3电通量试验结果试件编号6h后的电通量（C）氯离子渗透性评定D0646.45很低D6-1611.05很低D6-3601.55很低D18-1689.62很低D18-3699.46很低通过表4-3可以发现，未掺入BF的双快水泥混凝土6h的电通量远小于[51]1000C，双快水泥混凝土本身就具有非常好的抗氯离子渗透性能，掺入BF后，玄武岩纤维双快水泥混凝土6h的电通量相对未掺入BF的双快水泥混凝土变化不大，抗氯离子渗透性能也较强。影响双快水泥混凝土氯离子渗透性能的因素较多，如混凝土水灰比、试件的保水处理以及试件的成型过程等都对混凝土氯离子渗透性能由一定的影响。但分析其主要原因，双快水泥自身的特性和混凝土的孔隙率是对氯离子渗透的扩散阻碍能力的决定因素。双快水泥主要矿物组分是氟铝酸钙（11CaO·7Al2O3·CaF2）、无水硫铝酸钙（3CaO·3Al2O3·CaSO4）、硅酸三钙（3CaO·SiO2）、β型硅酸二钙（β-2CaO·SiO2）、[51]石膏（CaSO4）。这些矿物质与水发生下列反应：2(3CaO·SiO2)+6H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)22(3CaO·SiO2)+4H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)211CaO·7Al2O3·CaF2+6Ca(OH)2+6CaSO4+68H2O=6（3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O）+2Al(OH)2FAl2O3·CaSO4·12H2O+2CaSO4+20H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O3CaO·3Al2O3·CaSO4+8CaSO4+6Ca(OH)2+90H2O=3（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）无水硫铝酸钙在Ca(OH)2存在的条件下，在一定量的石膏促进下，很快形成钙矾石。C3S单独水化时速度较慢，C2S更慢。在双快水泥水化反应中，因为氟铝酸钙、无水硫铝酸钙水化时消耗了大量的Ca(OH)2，使其水化生成物浓度减小，从而加快了硅酸钙的水化速度。因此，其水泥石结构是以钙矾石晶体为骨架，其-33- 第四章玄武岩纤维双快水泥混凝土耐久性能研究中填充以硅酸钙凝胶和铝胶，故能迅速达到很高的致密程度。双快水泥混凝土内部本身的高致密性使得其具有不透水性、抗氯离子渗透性强以及高抗冻性能等特点。从表4-3中还可看出，6mm纤维混凝土6h总电通量最小，18mm纤维混凝土6h总电通量最高，无纤维混凝土6h介于两者之间。说明纤维长度在一定程度上影响了混凝土试件的氯离子渗透性能。分析其原因，由于18mm纤维较长，在混凝土搅拌过程中，掺入的纤维容易拧合成团，增大了混凝土试件的孔隙率；而对于6mm纤维，掺入混凝土后在拌制过程中非但很难拧结成团，反而会填充试件内部部分空隙，从而减小了混凝土试件的孔隙率。4.3玄武岩纤维双快水泥混凝土低温性能试验研究混凝土的抗冻性是指混凝土在饱水状态下，能够经受多次冻融循环而不破[52]坏，同时强度也不严重降低的性能。在寒冷地区，混凝土抗冻性工程设计显得特别重要,尤其是混凝土在含水量较高时的冻融环境作用下,其内部极容易形成水、冰、骨料的多相损伤介质,不均匀冻胀力和冻胀变形所引起的巨大破坏作用,对混凝土强度和结构安全性将产生显著的影响。[53]文献指出，影响混凝土抗冻性的因素为：混凝土内部含气量、混凝土水灰比、混凝土的保水程度、混凝土的受冻龄期、所用水泥的品种及集料质量以及掺入的外加剂，其中混凝土含气量是影响混凝土抗冻性的主要因素。同时，冻融循环次数和受冻环境是影响混凝土抗冻性能的外因，冻融循环次数越多，抗冻性越差。对于纤维混凝土而言，纤维的物理、化学性能是影响纤维混凝土抗冻性能重要的因素。目前国内学者对混凝土抗冻性能方面研究较多。当混凝土经过相同次数冻融循环后，质量损失和龄期成反比，随着龄期的增长，质量损失逐渐减少，龄期对[54]早期受冻混凝土的影响会造成不可恢复的强度损失。随冻融次数的增加，混[55]凝土单轴抗压强度、双轴抗压强度以及劈裂抗拉强度均有不同程度的下降。[56]本试验立足于目前现有的试验方法及相关规程，初步研究玄武岩纤维双快水泥混凝土试件在持续低温环境下抗低温性能以及经持续低温环境后、纤维混凝土试件的剩余强度。4.3.1试验设计选择玄武岩纤维长度为18mm、体积掺量分别为0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%，初步探究BFFCRC试件经过1d和28d的养护龄期、分别在-30℃的条件下连续放-34- 第四章玄武岩纤维双快水泥混凝土耐久性能研究置7d后的低温性能以及经持续低温环境后、纤维混凝土试件的剩余强度。混凝土试件尺寸为100mm×100mm×400mm，每种龄期分为五组，每组3个试件。4.3.2试验方法及性能指标(1)试验方法本试验根据天津大学建筑材料试验室现有的设备材料进行，BF长度为18mm，BFFCRC试件经过1d和28d的龄期养护，然后在-30℃低温环境下连续受冻7d。主要根据纤维混凝土7d前的频率(初始频率)和7d后的频率(最终频率)对混凝土耐久性能进行评估，同时，经过7d受冻的试件，将进行抗折强度试验，试验结果与未经过受冻的试件进行比较，以探究玄武岩纤维的掺入对双快水泥混凝土连续低温后强度下降程度的影响。(2)试验步骤a)将玄武岩纤维双快水泥混凝土试件放在标准养护室养护至设计龄期(1d和28d)，在试验前2h将试件放入水中浸泡(试件放入水中浸泡的原因：一是使混凝土处于吸水饱和状态，以便研究纤维混凝土低温性能；二是测频率时必须保持试件处于相当湿润，否则所测的频率值离散性较大)。图4-5电子秤b)2h后取出试件，将试件表面水分擦干，擦干后用电子秤(图4-5所示)对所有试件进行初始称重(试件的质量在测频率时需要用到)。然后用天津市惠达试验仪器厂自制的DT-16动弹仪(图4-5所示)进行频率的初始测量，测量之前要在动弹仪上设置试件的尺寸和初始质量，完成上述工作后，开始测量试件频率(图4-6所示)，每个试件测三次，最后频率值取三次的平均值f0。-35- 第四章玄武岩纤维双快水泥混凝土耐久性能研究图4-6DT-16动弹仪图4-7试件频率试验c)初始频率测量完毕后，将试件放入冰箱中(箱内温度为-30℃，图4-8所示)连续受冻7d，试件与试件之间用短钢筋隔开存放，以保证所有试件的所有表面都能与低温环境直接接触。图4-8冰箱室内温度d)7d后，从冰箱中取出试件，放入水中让其表面及内部冰片自动融化(图4-9)，融化过程要在45分钟内完成。从水中取出试件，擦干，测量最终质量。在动弹仪上设置试件尺寸和最终质量，完成上述工作后，开始测量试件最终频率,每个试件测三次，最后频率值取三次的平均值fp。-36- 第四章玄武岩纤维双快水泥混凝土耐久性能研究图4-9试件融化过程e)试件的测频率试验结束，将试件放在WE-30型300KN液压万能试验机上进行抗折强度试验，试验方法与荷载取值与第三章基本力学试验方法一样。(3)试验性能指标混凝土的受冻后劣化是混凝土内部由致密到疏松的物理过程，而动弹性模量的下降便是这种物理过程的反映，动弹仪测得的频率值就是动弹性模量的直观表示。另一方面，抗折强度是混凝土结构设计的重要指标。当试件产生严重剥蚀时，其内部结构可能已经破坏，最终导致混凝土强度的下降。综上考虑，本文低温试验主要采用试件的动弹性模量和混凝土试件的剩余抗折强度这两个指标来评定混凝土内部与表面受到损伤的程度。动弹性模量的计算[43]方法是用DT-16动弹仪测得试件的基频振动频率来表示的。根据规定，相对动弹性模量的计算如式4-1。式中E——试件的相对动弹性模量(%);f——试件的最终横向基频(Hz);pf——试件的初始横向基频(Hz)0以3个试件的平均值为试验结果，结果精确至0.1%。4.3.3试验结果及分析(1)抗冻试验结果根据试验目的和要求，测得玄武岩纤维双快水泥混凝土1d和28d龄期下、7d前和7d后的初始频率和最终频率如表4-4所示。-37- 第四章玄武岩纤维双快水泥混凝土耐久性能研究表4-4BFFCRC横向基频测试结果1d龄期28d龄期序BF体积掺量初始频最终频相对动弹初始频最终频相对动弹号Vf(%)率(Hz)率(Hz)模E(%)率(Hz)率(Hz)模E(%)102483211372.42420209675.020.12444216478.42390215681.430.22463220580.22407219883.440.32455225684.42398221485.250.42469229386.32488235689.5由表4-4和图4-8的试验结果可知，随着玄武岩纤维体积掺量的增加，混凝土试件的相对动弹性模量越来越大。未掺入BF的混凝土试件，1d龄期的相对动弹性模量仅为72.4%，28d龄期的相对动弹性模量为75%；但当BF体积掺量为0.4%时，两种龄期的纤维混凝土试件的相对动弹性模量提高较多，分别为86.3%和89.5%。由于相对动弹性模量反映了混凝土的抗低温性能的能力，因此有试验结果可知，玄武岩纤维的掺入，纤维混凝土的抗低温性能得到了较大幅度的提高。/%量模性动弹对相BF体积掺量Vf/%图4-8相对动弹性模量与BF体积掺量的关系由表4-4和图4-8的试验结果还可发现，经过7d连续低温(-30)℃抗冻试验后，对于同一纤维掺量，28d龄期的纤维混凝土试件相对动弹性模量比1d龄期要大，即纤维混凝土养护龄期越长，低温性能越好。(2)BFFCRC低温试验结果分析-38- 第四章玄武岩纤维双快水泥混凝土耐久性能研究为了弄清BFFCRC低温受冻机理的合理分析，必须要深刻认识混凝土冻害机理。因为后者是前者的基础，在已有的理论认识前提下，对分析BFFCRC冻害机理打下了坚实的基础。(a)混凝土受冻破坏机理在混凝土抗冻性能问题上，国内外学者做了大量的研究工作，各自展开了理论假说，并没有形成统一的理论体系，但大多数学者认为，混凝土的冻融是一个物理过程。目前提出的混凝土受冻破坏理论主要有静水压经典理论、渗透压理论、[16]饱水度理论和温度应力理论。[57]1945年，Powers提出了混凝土受冻破坏的静水压假说。假说认为，混凝土孔隙中的孔溶液因为结冰时产生的推力在可渗的水泥浆体中移动，移动过程中，必须要克服了粘滞阻力，进而产生静水压。孔溶液移动会有一个流程长度，显然，静水压力随孔隙水的流程长度的增加而增加，因粗会有一个极限流程长度，如果流程长度大于该极限流程长度，此时的静水压力将会超过混凝土材料的抗拉强度而破坏。[58]此后，Powers通过一系列研究，和Helmuth提出了渗透压理论。该理论认为，混凝土孔溶液的冰水饱和蒸气压差及孔溶液的盐浓度差共同形成了渗透压，在此压力下会使小孔中的溶液向大孔迁移，而使毛细孔或胶凝孔壁受到压力作用导致混凝土收缩破坏。[59]1975年，Fagerland提出了混凝土抗冻性的临界水饱和度理论，他认为混凝土的受冻破坏存在一个临界水饱和度，这个临界水饱和度是与极限平均气孔间隔系数相对应的临界值，当混凝土的水饱和度小于此临界值时，混凝土不会遭到冻害，一旦超过临界值就迅速发生破坏。[60]2008年，张士萍主要针对高强或高性能混凝土冻融破坏现象提出了温度应力假说。她认为，高强说高性能混凝土冻融破坏主要是因为集料与胶凝材料之间热膨胀系数相差较大，在温度变化过程中变形量相差较大，从而产生温度疲劳应力破坏。以上四种理论在一定条件下，都有其合理性，但同时存在一定的局限性，且每种理论都没有给出计算抗冻性能指标的理论公式。但前两种理论普遍被研究界所接受，公认程度比较高。(b)纤维混凝土低温受冻机理分析对于纤维混凝土的受冻机理分析，主要是从混凝土的外因和内因两方面来考虑的。外因包括受冻温度、环境湿度和混凝土自身湿度、受冻时间和冻融循环次数等;内因就是纤维混凝土本身的特性，包括纤维的理化性质和纤维掺量。如图4-9所示，在吸水饱和状态下，未掺纤维的混凝土抗冻性能低于玄武岩纤维混凝-39- 第四章玄武岩纤维双快水泥混凝土耐久性能研究土，未掺纤维的混凝土含气量比较小，对于纤维混凝土，纤维在混凝土中呈乱象分布，纤维之间相互交错搭接，在混凝土拌合、入模过程中，交错搭接的细纤维可以减少内部空气的溢出，使混凝土的含气量增大，缓解了低温过程中的静水压力和渗透压力；另外，乱象分布的混凝土纤维起到了“承托”骨料的作用，纤维的这种分布类似于“微加筋”，对混凝土微裂缝的继续开展起着良好的抑制作用，进而避免了连通毛细孔的形成。通过SEM观察，玄武岩纤维的掺入改善了混凝土的内部结构(图4-9)，降低了孔隙率，减少连通孔的产生，从而提高了混凝土的抗渗性能。抗渗能力的提高，减小了纤维混凝土内部水环境与外界水环境的交换，由于水化反应消耗了一定量的自由水，而混凝土孔内的可冻水减少，从而改善了混凝土抗冻性能。图4-9BFRC中纤维水泥石截面（500×）另外，由于玄武岩纤维的弹性模量高于混凝土试件凝结初期时的弹性模量，某种程度上增加了硬化初期复合体的抗拉强度，BFFCRC试件在受冻膨胀过程中，因其复合体抗拉强度的增大，使得混凝土内部应膨胀应力产生的微裂缝减少;最后，合理的BF体积掺量和搅拌工艺保证了纤维在混凝土中的均匀分散及BF之间较小的间距，增加了混凝土冻融损伤过程中的能量损耗，有效地抑制了混凝土的冻胀开裂.(3)试件经低温后剩余抗折试验结果两种龄期的纤维混凝土试件分别经过7d低温受冻后，测量了其初始横向基频和最终横向基频，然后进行试件的抗折强度试验，以了解经低温后试件的剩余抗折强度，抗折强度试验结果如表4-5.-40- 第四章玄武岩纤维双快水泥混凝土耐久性能研究表4-5BFFCRC受冻后抗折强度试验结果抗折强度(MPa)序号BF体积掺量Vf(%)1d28d102.155.1220.13.125.9630.23.326.3440.33.436.8950.43.547.03由表4-5、图4-10可知，两种龄期(1d、28d)的纤维混凝土试件经过连续7d低温受冻后，试件抗折强度有不同程度下降。但1d龄期的试件抗折强度下降幅度明显大于28d龄期的，未掺入BF的混凝土试件1d龄期的抗折强度下降幅度最大，达41%，掺入BF后，下降幅度有所改善。28d龄期纤维混凝土试件抗折强度下降较为平缓，两条曲线比较接近。说明，纤维的掺入能有效地改善混凝土试件经连续低温后强度下降的趋势。/MPa强度抗折1dBF体积掺量Vf/%图4-101d剩余抗折强度与BF体积掺量的关系-41- 第四章玄武岩纤维双快水泥混凝土耐久性能研究/MPa强度抗折28dBF体积掺量Vf/%图4-1128d剩余抗折强度与BF体积掺量的关系(3)剩余抗折试验结果分析[61]混凝土经过连续的低温环境后，其内部结构发生不同程度的损伤。施士升通过SEM显微镜观察发现，混凝土试件受冻后，骨料—水泥浆接触面发现微小裂纹，微观结构的改变进而降低了混凝土的强度。从混凝土本身的角度考虑，对于混凝土早期强度的发展，由于水泥水化还不完全，当水化不完全的混凝土试件连续处于低温环境中，水化反应即将停止，混凝土强度发展也即将停止，最终导致低温下混凝土早期强度远低于常温下的混凝土强度。当试件经过28d龄期，水泥水化反应已接近完全，混凝土强度发展也已接近完全。这时将混凝土试件置于低温环境下，混凝土强度几乎不受影响（图4-11）。再从掺入纤维这一角度考虑，纤维的掺入改善了混凝土的内部缺陷，降低了原生裂缝尺度，提高了混凝土的抗拉极限应变，改善了混凝土的拉伸断裂行为。4.4本章小结本章通过BFFCRC的抗氯离子渗透试验和低温抗冻性能试验，分析研究纤维的不同体积掺量对双快水泥混凝土氯离子渗透和低温抗冻这两方面耐久性的影响，根据试验结果，分析课得到以下结论：(1)未掺入BF的双快水泥混凝土6h的电通量远小于1000C，双快水泥混凝土本身就具有非常好的抗氯离子渗透性能。掺入BF后，玄武岩纤维双快水泥混凝土6h的电通量相对未掺入BF的双快水泥混凝土变化不大，抗氯离子渗透性能也较强。6mm纤维混凝土6h总电通量最小，18mm纤维混凝土6h总电通量最高，无纤维混凝土6h介于两者之间。说明纤维长度在一定程度上影响了混凝土试件的氯离子渗透性能。-42- 第四章玄武岩纤维双快水泥混凝土耐久性能研究(2)随着玄武岩纤维体积掺量的增加，混凝土试件的相对动弹性模量越来越大。未掺入BF的混凝土试件，1d龄期的相对动弹性模量仅为72.4%，28d龄期的相对动弹性模量为75%；但当BF体积掺量为0.4%时，两种龄期的纤维混凝土试件的相对动弹性模量提高较多，分别为86.3%和89.5%。由于相对动弹性模量反映了混凝土的抗低温性能的能力，因此有试验结果可知，玄武岩纤维的掺入，纤维混凝土的抗低温性能得到了较大幅度的提高。(3)两种龄期(1d、28d)的纤维混凝土试件经过连续7d低温受冻后，试件抗折强度有不同程度下降。但1d龄期的试件抗折强度下降幅度明显大于28d龄期的，未掺入BF的混凝土试件1d龄期的抗折强度下降幅度最大，达41%，掺入BF后，下降幅度有所改善。28d龄期纤维混凝土试件抗折强度下降较为平缓，两条曲线比较接近。说明，纤维的掺入能有效地改善混凝土试件经连续低温后强度下降的趋势。-43- 第五章结论与展望第五章结论与展望5.1本文主要结论本文通过研究不同体积掺量、不同长度的玄武岩纤维对双快水泥混凝土两种基本力学性能的影响以及玄武岩纤维双快水泥混凝土的氯离子渗透性能和低温抗冻性能，得到了如下结论：(1)、随着BF体积掺量的增加，6mm玄武岩纤维双快水泥混凝土抗压强度(龄期1d、28d)呈先增再缓慢下降的趋势，当BF体积掺量为0.1%时，立方体抗压强度最大。(2)、BF的加入改善了双快水泥混凝土的延性，一定程度上延缓了混凝土裂缝的开展，起到了良好的阻裂作用。(3)、玄武岩纤维的掺入，对双快水泥混凝土的抗折强度起到了一定的增强作用，增强作用的提高幅度根据掺入不同长度的纤维而有所不同。(4)、双快水泥混凝土本身就具有非常好的抗氯离子渗透性能。掺入BF后，玄武岩纤维双快水泥混凝土6h的电通量相对未掺入BF的双快水泥混凝土变化不大，抗氯离子渗透性能也较强。6mm纤维混凝土6h总电通量最小，18mm纤维混凝土6h总电通量最高，无纤维混凝土6h介于两者之间。说明纤维长度在一定程度上影响了混凝土试件的氯离子渗透性能。(5)、随着玄武岩纤维体积掺量的增加，混凝土试件的相对动弹性模量越来越大。即玄武岩纤维的掺入，纤维混凝土的抗低温性能的能力得到了提高。(6)、纤维的掺入能有效地改善混凝土试件经连续低温后强度下降的趋势。5.2展望鉴于作者科研水平以及科研时间有限，在整个试验和科研成果整理过程中，发现了不少问题，同时也想到一些改进的方法，以期为后来者继续相关试验提供参考。(1)、对于混凝土的基本力学性能，本文只涉及到了两种，还有劈裂抗拉试验和混凝土轴心抗压强度还未涉及，为了完善整个BFFCRC的基本力学体系，有必-44- 第五章结论与展望要对以上两种力学性能进行研究。(2)、论文中对于抗冻性的试验，只做了连续低温下BFFCRC的抗低温性能。[55]但根据相关规范，混凝土的抗冻试验要经过连续的冻融循环试验，因此在试验方案上要做进一步改进。(3)、对于BFFCRC的耐久性能，本文只做了氯离子抗渗性能和低温抗冻性能，个人认为有必要做BFFCRC的抗渗性能，对“玄武岩纤维的掺入改善了水泥石的结构，从而提高了混凝土的抗渗性能，抗渗能力的提高”这个理论机理进行验证。对于玄武岩纤维双快水泥混凝土这种新型材料的其他耐久性，如抗冲耐磨、耐高温性能等还有待进一步的研究，以完善这种新型材料的耐久性理论体系。(4)、由于BFFCRC内部成分的复杂性，增加了它的理论研究的难度，目前其相关理论研究还处于探索阶段，尤其是建立纤维混凝土的本构关系还需要进行更加长久的研究，因此，BFFCRC的静力受压弹性模量试验就显得非常重要了。(5)、本文的第三章探究的是BFFCRC的静态力学性能，对于其动态力学性能，目前国内还是一片空白。因此，要完善其力学体系，必须加以研究其动态力学性能。-45- 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致谢致谢转眼间，在北洋学府求学的两年半就要结束了，两年半的生活和学习让我感受到了天大巍巍学府“实事求是”的精神，终将伴随我度过难忘的一生。在毕业临行之际，心中的感激之情溢于言表。两年半的时间里，我的恩师—朱涵教授教会了我很多知识，给了我很多提高做事和科研能力的机会。从我刚来天大起，朱老师就对我说“很多事情你可以提前做30%，并不一定等事情来了你才开始做”，这样的做事方式一直激励着我，并影响我以后的学习和工作。朱老师的谆谆教诲让我铭记于心，在此真心感谢并感激我的恩师。感谢建材课题组亢景付教授、李志国副教授对于我的试验研究、论文撰写、答辩组织等方面提出了许多宝贵意见。感谢建筑材料实验室王家瑛老师、刘劲松老师、阎春霞老师、徐激抒老师、张爱华老师。在整个试验过程中，老师们给我提供一切方便，保证了我的试验顺利完成。在完成科研项目和试验室做试验期间，课题组赵鹏斌、胡芯国、王帅、赵志勇、薛凯、谢荣等同门对我的试验给予了无私帮助。宿舍同窗张博、袁国栋、王同军以及张雪涛、李海彬同学在试验过程都帮助了我许多，借此机会也向他们表达我的感激之情。另外还感谢我的爸爸、妈妈，感谢他们在生活中对我的照顾，在经济上对我的资助，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。最后，感谢天大母校和祖国的辛勤培养！-51-