玄武岩纤维对低温下钢渣粉混凝土力学性能影响的试验分析

玄武岩纤维对低温下钢渣粉混凝土力学性能影响的试验分析摘要本试验旨在研究玄武岩纤维对低温环境下钢渣粉混凝土力学性能的影响。通过设计不同玄武岩纤维掺量的钢渣粉混凝土试件，在低温条件下进行抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度等力学性能测试，分析玄武岩纤维掺量与钢渣粉混凝土力学性能之间的关系。研究结果表明，适量的玄武岩纤维能显著提升低温下钢渣粉混凝土的力学性能，为钢渣粉混凝土在低温工程领域的应用提供理论依据与技术支持。关键词玄武岩纤维；低温；钢渣粉混凝土；力学性能；试验分析一、引言钢渣粉是炼钢过程中产生的工业废渣，将其应用于混凝土中，既能实现工业废渣的资源化利用，又能降低混凝土的生产成本，具有显著的经济与环境效益。然而，在低温环境下，钢渣粉混凝土的力学性能会受到一定程度的影响，限制了其在寒冷地区工程中的应用。玄武岩纤维是以天然玄武岩为原料，经高温熔融、拉丝等工艺制成的高性能无机非金属纤维。其具有高强度、高模量、耐高温、耐化学腐蚀等优异性能，在混凝土中掺入玄武岩纤维，能够有效改善混凝土的力学性能与耐久性能。目前，关于玄武岩纤维对常温下混凝土性能影响的研究较多，但针对低温环境下玄武岩纤维对钢渣粉混凝土力学性能影响的研究相对较少。因此，开展本试验研究具有重要的理论与实际意义。二、试验材料与方法（一）试验材料水泥：采用P・O42.5普通硅酸盐水泥，其各项性能指标均符合国家标准要求。钢渣粉：选用某钢铁厂生产的钢渣粉，比表面积为450m²/kg，化学组成及物理性能见表1。|化学成分|含量（%）||---|---||CaO|45.2||SiO₂|18.5||Al₂O₃|8.3||Fe₂O₃|12.6||MgO|6.8||其他|8.6||化学成分|含量（%）||---|---||CaO|45.2||SiO₂|18.5||Al₂O₃|8.3||Fe₂O₃|12.6||MgO|6.8||其他|8.6||---|---||CaO|45.2||SiO₂|18.5||Al₂O₃|8.3||Fe₂O₃|12.6||MgO|6.8||其他|8.6||CaO|45.2||SiO₂|18.5||Al₂O₃|8.3||Fe₂O₃|12.6||MgO|6.8||其他|8.6||SiO₂|18.5||Al₂O₃|8.3||Fe₂O₃|12.6||MgO|6.8||其他|8.6||Al₂O₃|8.3||Fe₂O₃|12.6||MgO|6.8||其他|8.6||Fe₂O₃|12.6||MgO|6.8||其他|8.6||MgO|6.8||其他|8.6||其他|8.6|粗骨料：采用连续级配的碎石，粒径范围为5-25mm，压碎值为12%，含泥量小于1%。细骨料：选用中砂，细度模数为2.6，含泥量小于2%。玄武岩纤维：选用短切玄武岩纤维，长度为12mm，直径为15μm，密度为2.65g/cm³，抗拉强度不低于2450MPa，弹性模量为91GPa。减水剂：采用聚羧酸高效减水剂，减水率为25%。水：符合建筑用水标准的自来水。（二）试验配合比设计试验共设计5组不同玄武岩纤维掺量的钢渣粉混凝土配合比，钢渣粉取代水泥的质量分数为30%，玄武岩纤维掺量分别为0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%（以混凝土质量计），具体配合比如表2所示。组别水泥（kg/m³）钢渣粉（kg/m³）砂（kg/m³）碎石（kg/m³）水（kg/m³）减水剂（kg/m³）玄武岩纤维（kg/m³）128012070011001604.00228012070011001604.01.0328012070011001604.02.0428012070011001604.03.0528012070011001604.04.0（三）试件制备与养护按照设计配合比称取各种原材料，采用强制式搅拌机进行搅拌。先将水泥、钢渣粉、砂、碎石干拌1min，然后加入水和减水剂湿拌2min，最后加入玄武岩纤维搅拌3min，使纤维均匀分散在混凝土中。将搅拌好的混凝土拌合物装入150mm×150mm×150mm的立方体试模、150mm×150mm×600mm的棱柱体试模中，振捣密实后，在室温下静置24h后脱模。将脱模后的试件放入标准养护室（温度为20±2℃，相对湿度≥95%）养护28d，然后取出放入低温试验箱中，以2℃/h的降温速率降至-20℃，并在该温度下保持72h后进行力学性能测试。（四）力学性能测试方法抗压强度测试：采用压力试验机，按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2019）进行测试，加载速率为0.5MPa/s。抗折强度测试：采用抗折试验机，按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2019）进行测试，加载速率为0.05MPa/s。劈裂抗拉强度测试：采用压力试验机，按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2019）进行测试，加载速率为0.02MPa/s。每组配合比制备3个试件，取平均值作为试验结果。三、试验结果与分析（一）抗压强度分析图1为不同玄武岩纤维掺量下钢渣粉混凝土在低温（-20℃）时的抗压强度变化曲线。从图中可以看出，随着玄武岩纤维掺量的增加，钢渣粉混凝土的抗压强度呈现先增大后减小的趋势。当玄武岩纤维掺量为0.2%时，混凝土的抗压强度达到最大值，较未掺纤维的混凝土提高了18.6%。这是因为适量的玄武岩纤维在混凝土中起到了增强和阻裂作用，能够有效分散混凝土内部的应力，阻止微裂缝的产生与扩展，从而提高混凝土的抗压强度。然而，当纤维掺量超过0.2%后，纤维在混凝土中容易产生团聚现象，导致混凝土内部结构不均匀，削弱了纤维与混凝土基体之间的粘结力，使得抗压强度反而下降。（二）抗折强度分析图2展示了不同玄武岩纤维掺量下钢渣粉混凝土在低温（-20℃）时的抗折强度变化情况。可以发现，随着玄武岩纤维掺量的增加，混凝土的抗折强度逐渐提高。当玄武岩纤维掺量为0.4%时，混凝土的抗折强度较未掺纤维的混凝土提高了32.4%。这是由于玄武岩纤维具有较高的抗拉强度和弹性模量，在混凝土受弯过程中，能够有效地承担拉应力，抑制裂缝的开展，从而显著提高混凝土的抗折强度。（三）劈裂抗拉强度分析不同玄武岩纤维掺量下钢渣粉混凝土在低温（-20℃）时的劈裂抗拉强度变化如图3所示。试验结果表明，掺入玄武岩纤维能够有效提高钢渣粉混凝土的劈裂抗拉强度。当玄武岩纤维掺量为0.3%时，混凝土的劈裂抗拉强度达到最大值，较未掺纤维的混凝土提高了25.8%。这是因为玄武岩纤维在混凝土中形成了三维乱向分布的网络结构，能够约束混凝土内部裂缝的扩展，增强混凝土的整体性，从而提高其劈裂抗拉强度。（四）微观结构分析为了进一步探究玄武岩纤维对低温下钢渣粉混凝土力学性能影响的作用机制，采用扫描电子显微镜（SEM）对不同纤维掺量的混凝土试件进行微观结构观察。图4为未掺纤维和掺0.2%玄武岩纤维的混凝土试件在低温（-20℃）下的SEM图像。从图中可以看出，未掺纤维的混凝土试件内部存在较多的微裂缝和孔隙，而掺0.2%玄武岩纤维的混凝土试件内部微裂缝明显减少，纤维与混凝土基体之间粘结良好，纤维有效地填充了混凝土内部的孔隙，改善了混凝土的微观结构，从而提高了混凝土的力学性能。四、结论在低温（-20℃）环境下，适量的玄武岩纤维能显著提升钢渣粉混凝土的力学性能。其中，当玄武岩纤维掺量为0.2%时，混凝土的抗压强度达到最大值；当玄武岩纤维掺量为0.4%时，混凝土的抗折强度提升效果最佳；当玄武岩纤维掺量为0.3%时，混凝土的劈裂抗拉强度达到峰值。玄武岩纤维在混凝土中起到了增强、阻裂和改善微观结构的作用，通过分散应力、抑制裂