玄武岩纤维掺杂混凝土材料特性的研究

陈 歆，郑秀华，韩 凯

1)苏交科集团股份有限公司在役长大桥梁安全与健康国家重点实验室，江苏南京 211112；2)哈尔滨工业大学交通科学与工程学院, 黑龙江哈尔滨，150090；3)中设设计集团股份有限公司道桥新技术研究中心，江苏南京，210014

混凝土具有抗压强度高、易成型和价格便宜等优点，是当今世界应用最广泛的建筑材料，但同时具有抗拉强度低、脆性大和韧性差等缺点.复合化是水泥基材料高性能化的主要途径，纤维增强是其核心[1].玄武岩纤维是以天然玄武岩为原料的无机纤维，在1 450～1 500 ℃熔融后，由铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成，具有抗拉强度高、弹性模量大、温度与化学稳定性好、密度与混凝土相近、经济及生产过程对环境影响小等优点.合理地在混凝土中掺入短切玄武岩纤维，能提高混凝土的抗拉强度和变形能力，约束混凝土的收缩和开裂，有效提高混凝土的性能[2-6].

在力学性能上，业界普遍认为混凝土的抗折强度和动力学性能会随纤维掺量增加而提高[2-6]，但针对玄武岩纤维对混凝土抗压强度的影响规律，尚无广泛认可的结论.文献[2-3, 5-6]研究表明，玄武岩纤维对混凝土抗压强度的提高作用有限，但有文献[7]认为玄武岩纤维对混凝土抗压强度有显著的提高作用.在耐久性方面，文献[8-10]认为玄武岩纤维能明显提高混凝土的抗氯离子渗透性能，但文献[11]持反对意见.另外，玄武岩纤维的阻裂性能已有文献研究[12-13]，但关于混凝土早期收缩约束的研究反而较少.

本研究以抗压强度和抗折强度作为力学指标、以抗氯离子渗透性能和早期收缩应变作为耐久性指标，探究不同玄武岩纤维掺量和规格对混凝土强度与耐久性的影响规律，评价玄武岩纤维掺杂混凝土材料的各项性能，为玄武岩纤维在混凝土工程中的推广应用提供数据基础与理论支持.

1 材料与方法

1.1 原材料

试验选用哈尔滨水泥厂生产的天鹅牌P·O 42.5水泥、级配合格的中砂、5～20 mm表面比较粗糙且质地坚硬的连续级配玄武岩碎石和自来水等，应用天津雍阳化工厂生产的UNF-5高效减水剂和上海枫杨实业有限公司生产的SJ-2型引气剂.

试验选用四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司生产的水泥混凝土用短切玄武岩纤维，由玄武岩高温熔融拉丝制成，其主要性能指标见表1，所涉及的纤维规格见表2.

表1 玄武岩纤维主要性能指标Table 1 Main properties of basalt fiber

表2 试验用玄武岩纤维尺寸Table 2 Sizes of basalt fiber in tests

1.2 基准配合比

对照组混凝土的配合比见表3，强度等级为C40.试验以此配合比为基础，掺入玄武岩纤维，对混凝土进行改性，并对玄武岩纤维掺杂混凝土材料特性进行试验研究.

表3 对照组配合比Table 3 Mix proportion for reference

1.3 试验方法

研究玄武岩纤维对混凝土强度的影响时参照GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，采用7 d和28 d龄期的抗折、抗压强度作为评价指标. 研究玄武岩纤维对混凝土耐久性的影响时，参照GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，采用抗氯离子渗透性能(6 h电通量)与早期收缩应变(28 d)作为评价指标.其中，抗氯离子渗透性试验采用电通量法，早期收缩试验采用接触法(立式收缩仪).

选择纤维规格为d13-15的玄武岩纤维混凝土，进行纤维掺量对混凝土强度与耐久性影响的试验研究.试验中设置不掺纤维的对照组，及纤维掺入体积分数分别为0.04%、0.08%和0.12%的3个试验组，研究在该范围内玄武岩纤维掺量对混凝土性能的影响.在对不同纤维掺量的玄武岩纤维混凝土的试验中发现，纤维掺入体积分数为0.08%时，混凝土的性能较好.故在探究纤维规格对混凝土性能的影响时，统一采用纤维掺入体积分数为0.08%.

2 结果与分析

2.1 抗压强度

选取规格为d13-15的玄武岩纤维，对纤维掺入体积分数分别为0、0.04%、0.08%和0.12%的混凝土进行7 d与28 d龄期的抗压强度试验，结果见图1.结果表明，0.04%体积分数的玄武岩纤维对混凝土的抗压能力有微弱的增强作用，该掺量下的玄武岩纤维混凝土较之对照组混凝土抗压强度提高约3.5%.随着纤维掺量增加，这种增强效果减弱.该趋势与文献[2-6]的结果大体一致.

图1 纤维(d13-15)体积分数对混凝土抗压强度的影响Fig.1 Effects of fiber (d13-15) content on compressive strength

低掺量玄武岩纤维对混凝土抗压的增强主要是因为玄武岩纤维有较高的弹性模量，在混凝土单轴受压的裂缝稳定发展阶段(即应力在弹性极限往峰值点发展的过程)，能在一定程度上约束混凝土的横向变形，抑制微裂纹的扩展[14].但由于低纤维掺量不足以改变材料脆性，弹性段后的裂缝稳定发展段(应变不可恢复段)较小，玄武岩纤维所能起的作用有限.此外，随着纤维掺量的增加，纤维分布均匀性和混凝土密实性会有所下降，在增大混凝土的含气量的同时引入了界面薄弱区，玄武岩纤维对混凝土抗压的增强效果减弱.

对5种纤维规格(d13-15、 d13-20、 d18-15、 d18-25和d18-30)的玄武岩纤维混凝土(纤维掺入体积分数为0.08%)进行7 d与28 d龄期抗压强度试验，结果见图2.从图2可见，在试验范围内纤维规格不同所带来的混凝土强度差异有限.试验结果验证了文献[3]中关于纤维长度对混凝土抗压强度影响的分析.一方面玄武岩纤维对混凝土抗压的增强效果有限，另一方面试验结果受纤维在基体中的形态及纤维-基体界面性能等因素的干扰，故难以从统计学意义上做出各规格纤维之间的优选比对.

图2 纤维规格对混凝土抗压强度的影响Fig.2 Effects of fiber size on compressive strength

2.2 抗折强度

选取规格为d13-15的玄武岩纤维，对其体积分数分别为0、0.04%、0.08%和0.12%的混凝土进行7 d与28 d龄期抗折强度试验，结果见图3.结果表明，掺入玄武岩纤维后，混凝土的抗折强度明显提高，玄武岩纤维混凝土的抗折强度在试验条件下随纤维掺量增加而提高.该趋势与文献[2-5]的研究结果类似.当纤维掺入体积分数为0.12%时，混凝土抗折强度提高25.8%.这是由于玄武岩纤维具有较高的抗拉强度与弹性模量，在混凝土受拉区承担了部分拉应力，提高了混凝土的抗折能力.

图3 纤维(d13-15)体积分数对混凝土抗折强度的影响Fig.3 Effects of fiber (d13-15) content on flexural strength

图4 纤维规格对混凝土抗折强度的影响Fig.4 Effects of fiber size on flexural strength

对5种纤维规格(d13-15、d13-20、d18-15、d18-25和d18-30)的玄武岩纤维混凝土(纤维掺入体积分数为0.08%)进行7 d与28 d龄期抗折强度试验，结果见图4.由图4可见，长度较长及长径比较大的玄武岩纤维对混凝土有更好的增强效果，该规律与文献[3]所述相似. 试验中，掺入直径18 μm纤维的混凝土比掺入直径13 μm纤维的混凝土规律性更明显.

考虑纤维拔断(强化效果最佳)的情况，假设基体中仅有一根纤维，作用在纤维表面的剪应力τ被其截面上的拉应力σf平衡，随着基体所受拉应力σm的增加，剪应力沿纤维全长达到界面的结合强度或基体的屈服强度τmy. 当τmy引起的纤维截面拉应力σf大于纤维的拉伸屈服应力σfy时，纤维对基体才能充分强化，即

考虑纤维拔出的情况，若以纤维拔出所需的能量Gc来表示纤维的增强增韧作用， 由文献[15]， 有

其中，Vf、Lf和df分别为纤维的体积、长度和直径；g和τ为界面参数.

由此可知，在纤维直径相同、体积恒定、分布理想且界面性能优良的前提下，纤维长度越长，其对混凝土的增强增韧效果越好.

2.3 抗氯离子渗透

选取规格为d13-15的玄武岩纤维，分别对其体积分数分别为0、0.04%、0.08%和0.12%的混凝土进行抗氯离子渗透性试验，得到纤维掺量对混凝土抗氯离子渗透性能的影响规律，见图5.由图5可见，掺加玄武岩纤维后混凝土的6 h电通量有所上升，即抗氯离子渗透性降低，与文献[11]中的试验结果相似.本研究条件下，玄武岩纤维掺量越大，对混凝土的抗渗透性越不利.造成混凝土抗渗透性下降的原因是纤维在投料搅拌过程中引入了界面，同时附着于纤维上的微小气泡使纤维与混凝土的界面存在相对薄弱的区域，为氯离子渗透提供了通道.随着纤维掺量增加，更多的界面被引入，薄弱区域增多，同时纤维分布均匀性与混凝土密实性也有所下降[3]，故混凝土抗渗性进一步下降.

图5 纤维(d13-15)掺量对混凝土氯离子电通量的影响Fig.5 Effects of fiber (d13-15) content on Cl- electric flux

玄武岩纤维对混凝土抗渗性的影响体现在两方面.一方面，内掺的玄武岩纤维能约束混凝土微裂纹的扩展[14]，减缓混凝土在服役过程中的抗渗性能下降；另一方面，掺入的纤维会在混凝土中增加界面，降低混凝土材料本身的密实性，对抗渗透性不利.因此，在玄武岩纤维混凝土配合比设计时，可考虑提高混凝土的抗氯离子渗透性，如掺入矿物掺合料等[16].

对5种纤维规格(d13-15、 d13-20、 d18-15、 d18-25和d18-30)的玄武岩纤维混凝土(纤维掺入体积分数为0.08%)进行抗氯离子渗透性试验，得到纤维规格对混凝土抗氯离子渗透性能的影响规律，见图6.试验发现，纤维越长，混凝土的电通量越大.纤维长度大于25 mm时，混凝土6 h电通量大于4 000 C.这是由于随着纤维长度增加，界面处薄弱区的氯离子渗透通道得以延长，贯通度有所提高.另外，长度较长的玄武岩纤维更难在混凝土中均匀分布并保持笔直形态，从而形成更多的薄弱区域，造成抗氯离子渗透性下降.因此，在选用玄武岩纤维规格时，纤维长度不宜过长.

图6 纤维规格对混凝土氯离子电通量的影响Fig.6 Effects of fiber size on Cl- electric flux

图7 纤维(d13-15)掺入体积分数对混凝土早期收缩的影响Fig.7 Effects of fiber (d13-15) content on early-age shrinkage

2.4 早期收缩

选取规格为d13-15的玄武岩纤维，分别对其体积分数分别为0、0.04%、0.08%和0.12%的混凝土进行早期收缩(28 d)试验，结果见图7.由图7可见，玄武岩纤维对混凝土的早期收缩有较好的约束作用.这主要是因为玄武岩纤维分担了混凝土的收缩应力，约束了混凝土的收缩变形.掺加玄武岩纤维后，28 d收缩应变减少约15%.收缩应变的减少值与纤维掺量并未呈明显线性关系，纤维掺入体积分数为0.08%的玄武岩纤维混凝土收缩应变最小，但优势较其他试验组的玄武岩纤维混凝土不明显.

在氯离子渗透性实验中发现，d18-25与d18-30两种规格的玄武岩纤维会降低混凝土的抗氯离子渗透性，故在早期收缩试验里舍弃，只研究d13-15、d13-20和d18-15三种规格的纤维(体积分数为0.08%)对混凝土早期收缩的影响，试验结果见图8.由图8可见，这3种规格的玄武岩纤维在相同掺量下，对混凝土早期收缩的约束能力大体一致.

图8 纤维规格对混凝土早期收缩的影响Fig.8 Effects of fiber size on early-age shrinkage

3 结 论

综上研究可见：

1) 玄武岩纤维对混凝土抗压强度的提高不明显，但能显著提高混凝土的抗折能力.纤维掺入体积分数为0.12%时，混凝土抗折强度约提高25%.本试验条件下，长度较长和长径比较大的玄武岩纤维对混凝土抗折强度有更好的增强效果.

2) 玄武岩纤维会降低混凝土的抗渗性，电通量随纤维掺量增加而提高.本试验条件下，纤维越长，混凝土电通量越大.

3) 玄武岩纤维能有效减少混凝土的早期收缩.掺入玄武岩纤维后，混凝土28 d收缩应变减少约15%.本试验条件下，纤维规格对混凝土早期收缩影响不大.