玄武岩纤维、聚丙烯腈纤维和聚乙烯醇纤维对混凝土性能影响的对比研究

李林香，谭盐宾，李 康，杨 鲁，杜香刚

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081）

混凝土是一种脆性材料，其抗拉强度低，极限延伸率小，在施工和服役过程中很容易开裂。在混凝土中掺加纤维是提高混凝土抗裂性的有效措施之一［1-7］。常用的一些有机纤维为聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇纤维等，如在混凝土栏杆中，设计文件中明确规定在混凝土配合比中要掺加聚丙烯腈纤维。在一些标准中也规定了纤维混凝土的使用方法，如JGJ/T 221—2010《纤维混凝土应用技术规程》、GB/T 21120—2007《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》等标准。

玄武岩纤维是近年来发展起来的一种新型环保绿色无机纤维，以天然玄武岩矿石为原料，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维。玄武岩纤维不仅具有优良的力学性能，而且具有电绝缘性、保温隔热、抗腐蚀、耐高温等多种优异性能［8］。用在水泥混凝土领域，玄武岩纤维具有2大突出优点：①玄武岩纤维有其他有机纤维所不可比拟的抗拉强度，抗拉强度高达4 000 MPa；②玄武岩纤维具有二氧化硅、氧化铝、氧化铁和氧化钙等化学成分，使得玄武岩纤维具有优良的耐碱性和混凝土材料的相容性［9-10］。研究结果表明［11-13］，在混凝土中加入玄武岩纤维可以有效防止混凝土产生离析，提高混凝土抗折强度和断裂韧性。在公路领域，已编制了行业标准JT/T 776.1—2010《公路工程玄武岩纤维及其制品第1 部分：玄武岩短切纤维》。因此，玄武岩纤维被认为是代替聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维和聚乙烯醇纤维而用于增强水泥混凝土抗裂性的优良材料。

在有机纤维中，聚丙烯腈纤维和聚乙烯醇纤维具有较高的抗拉强度和弹性模量，所以本文选择聚丙烯腈纤维和聚乙烯醇纤维为参比对象，研究玄武岩纤维对混凝土拌和物性能、力学性能、抗裂性能和耐久性能的影响，为玄武岩纤维在水泥混凝土中的应用提供数据参考。

1 试验

1.1 原材料

采用北京金隅P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其主要性能指标见表1。矿渣粉由唐山唐龙生产，S95 级，主要性能指标见表2。粉煤灰为元宝山发电有限公司生产，F 类Ⅰ级，细度9.5%，需水量比94%。采用天然河砂，细度模数2.6，含泥量1.0%。碎石为5～20 mm 连续级配碎石，含泥量为0.2%。采用河北三楷聚羧酸减水剂，减水率29.4%。消泡剂为广东龙湖科技股份有限公司提供的P841粉体消泡剂，有效组分42%。玄武岩纤维由吉林通鑫玄武岩纤维有限公司生产，长度18 mm。聚丙烯腈纤维由常州市天怡工程纤维有限公司生产，长度12 mm。聚乙烯醇纤维由常州市天怡工程纤维有限公司生产，长度12 mm。3种纤维的主要性能见表3。

表1 水泥的主要性能

表2 矿渣粉的主要性能

表3 3种纤维的主要性能

1.2 配合比设计

共设计5组配合比，见表4。其中外加剂的掺量未体现在表4中，在混凝土中拌制过程中外加剂根据混凝土状态调整。聚丙烯腈纤维和聚乙烯醇纤维的掺量均选择目前施工中普遍用的掺量1.0 kg/m3，由于玄武岩纤维的密度是聚丙烯腈纤维和聚乙烯醇纤维的2倍多，要保证掺入的纤维具有大致相同的体积掺量，所以玄武岩纤维的掺量选1.5，3.0 kg/m3。试件编号中，JZ表示不掺纤维的混凝土，BF-1.5表示掺1.5 kg/m3的玄武岩纤维，BF-3.0 表示掺3.0 kg/m3的玄武岩纤维，PANF-1.0 表示掺1.0 kg/m3的聚丙烯腈纤维，PVAF-1.0表示掺1.0 kg/m3的聚乙烯醇纤维。

表4 混凝土配合比 kg·m-3

在混凝土拌制过程中，通过调整外加剂（减水剂和消泡剂）的掺量，控制各组混凝土的坍落度为（160±20）mm，含气量为（4.5±0.5）%。

1.3 试验方法

1）混凝土搅拌方法。采用强制式搅拌机搅拌，先将称量好的水泥、粉煤灰、矿粉、砂、碎石放入搅拌机内，然后加入纤维，干拌1 min，随后加入外加剂和水再搅拌3 min。

2）混凝土拌和物性能测试方法。混凝土拌和物性能包括混凝土坍落度和混凝土含气量。混凝土搅拌出锅后，立即测试混凝土坍落度和含气量。如果混凝土坍落度不满足（160±20）mm 的要求，需调整减水剂的用量重新搅拌测试；如果混凝土含气量不满足（4.5±0.5）%的要求，需调整消泡剂（或引气剂）的用量重新搅拌测试，直到混凝土坍落度和含气量满足（160± 20）mm，（4.5± 0.5）%的要求为止。混凝土坍落度和含气量的具体测试方法参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》［14］进行。

3）混凝土力学性能测试方法。混凝土立方体抗压强度试验采用100 mm×100 mm×100 mm 的非标准试块，每组3 块。抗折强度试验采用100 mm×100 mm×400 mm 的非标准试块，每组3 块。立方体抗压强度和抗折强度参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》［15］进行。

4）混凝土抗裂性能测试方法。混凝土抗裂试验参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》［16］中的平板开裂试验方法进行。采用800 mm×600 mm×100 mm 的平面薄板型试件，在试件成型30 min 后，置于温度为20℃、相对湿度为60%的恒温恒湿环境中，立即调节风扇位置和风速，使风向平行于试件表面和裂缝诱导器，在吹风24 h 后测量裂缝长度和宽度。

5）混凝土耐久性能测试方法。参照GB/T 50082—2009 中的7.2 条电通量法，通过测试混凝土试件的电通量确定混凝土的抗氯离子渗透性能。试件采用直径（100±1）mm、高度（50±2）mm 的圆柱体试件，每组3块。养护到28 d，56 d龄期时，进行测试。

6）混凝土抗冻性测试方法。参照GB/T 50082—2009 中4.2 条快冻法，测定混凝土试件在水冻水融条件下经受的快速冻融循环次数，用来反映混凝土的抗冻性能。采用100 mm×100 mm×400 mm 的棱柱体试件，每组3块，试件养护到56 d后进行测试。

2 结果与讨论

2.1 混凝土拌和物性能

各组配合比混凝土的拌和物性能测试结果见表5，表中列出了减水剂和消泡剂的用量。

由表5可见：要保证各组配合比的混凝土保持大致相同的坍落度，掺加了3 种纤维后对减水剂的需求量都略有提高，但提高幅度不大。这说明如果采用相同的减水剂掺量，掺纤维混凝土的坍落度会略有降低。但当纤维掺量较大时，如BF-3.0对减水剂的需求量增加会大些，增加了约12.5%，同时为了保证该组混凝土与其他组混凝土有大致相同的含气量，还需加入0.37 g/20L的消泡剂。这说明玄武岩纤维掺量较大时会降低混凝土的坍落度，增加混凝土的含气量。

表5 混凝土拌和物性能测试结果

2.2 力学性能

各组配合比混凝土3，7，28 d 的抗压强度见表6。各组配合比混凝土7，28 d的抗折强度见表7。

表6 混凝土不同龄期抗压强度

表7 混凝土不同龄期抗折强度

由表6可见，掺加3 种纤维后对混凝土抗压强度没有明显影响。由表7可见：与基准混凝土相比，混凝土中掺加了玄武岩纤维后，抗折强度没有明显变化；混凝土中掺加了聚丙烯腈纤维和聚乙烯醇纤维后，混凝土抗折强度有一定程度的降低，掺聚丙烯腈纤维混凝土28 d 龄期时抗折强度降低了14%，掺聚乙烯醇纤维混凝土28 d龄期时抗折强度降低了12%。

玄武岩纤维是亲水性的无机纤维，与水泥混凝土有良好的相容性，不会在纤维周围形成缺陷区，聚丙烯腈纤维和聚乙烯醇纤维是憎水性的有机纤维，在纤维周围形成微小的泌水区，增加了混凝土内部的微缺陷，因此掺聚丙烯腈纤维和聚乙烯醇纤维的混凝土抗折强度较基准混凝土有所降低。

2.3 抗裂性能

混凝土抗裂性能采用平板开裂试验方法进行评价，抗裂板裂缝的试验数据见表8。混凝土平板抗裂试验的试件见图1。

表8 抗裂板裂缝的试验数据

图1 混凝土平板抗裂试验的试件

由表8和图1可见：单掺3种纤维均降低了混凝土单位面积上的总开裂面积，其中掺玄武岩纤维和掺聚丙烯腈纤维的抗裂性优于掺聚乙烯醇纤维。基准混凝土JZ出现了3条裂缝，裂缝最大宽度为0.80 mm；掺玄武岩纤维混凝土BF-1.5出现了1条裂缝，裂缝最大宽度为0.62 mm，裂缝降低系数为0.33；掺玄武岩纤维混凝土BF-3.0出现了1 条裂缝，裂缝最大宽度为0.43 mm，裂缝降低系数为0.61；掺聚丙烯腈纤维混凝土PANF-1.0 也出现了1 条裂缝，裂缝最大宽度为0.52 mm，裂缝降低系数为0.45；掺聚乙烯醇纤维混凝土PAVF-1.0出现了4条裂缝，最大裂缝宽度为0.40 mm，裂缝降低系数为0.18。

纤维在混凝土拌制过程中分散为絮状单丝结构，在混凝土中交错杂乱分布，并于混凝土内部形成空间网状结构。在混凝土早期收缩过程中，混凝土中微裂缝的发展必然受到纤维的有效约束和阻挡，从而抑制了微裂缝的进一步发展。

2.4 耐久性能

掺玄武岩纤维、聚丙烯腈纤维和聚乙烯醇纤维混凝土28，56 d龄期的电通量试验结果见表9。

表9 混凝土电通量试验结果 C

由表9可见：混凝土中掺入玄武岩纤维对混凝土电通量没有明显影响；混凝土中掺入聚丙烯腈纤维或聚乙烯醇纤维会略增大混凝土的电通量。电通量的大小间接反映了混凝土的密实程度。玄武岩纤维是亲水性的无机纤维，其与水泥混凝土有良好的相容性，在纤维周围不会生成泌水、微孔等缺陷区，因此不会影响混凝土的密实度。聚丙烯腈纤维和聚乙烯醇纤维是憎水性的有机纤维，会在纤维周围形成微小的泌水区，可能会影响混凝土的密实度，从而增大混凝土的电通量。

用冻融循环后混凝土试件的相对动弹性模量来表征混凝土抗冻性能的优劣。混凝土抗冻等级以相对动弹模量下降至60%时的最大冻融循环次数确定，并用符号F表示。不同配合比混凝土的抗冻性能变化曲线见图2。

图2 不同配合比混凝土的抗冻性能变化曲线

由图2可见：与基准混凝土相比，掺加了3 种纤维后，混凝土的抗冻性能都得到了明显提高，其中掺玄武岩纤维和掺聚丙烯腈纤维的混凝土抗冻性优于掺聚乙烯醇纤维。基准混凝土冻融循环到150 次后，相对动弹性模量开始急速下降，冻融循环到200次时，相对动弹性模量为66.6%，冻融循环到225次时，相对动弹性模量已降低至51.5%，因此基准混凝土的抗冻等级为F200。混凝土中掺加了玄武岩纤维后，冻融循环到300 次，玄武岩纤维掺量分别为1.5，3.0 kg/m3时，混凝土的相对动弹性模量分别为64.8%，62.1%，因此掺玄武岩纤维混凝土的抗冻等级为F300，玄武岩纤维掺量的增加对混凝土抗冻性没有明显影响。混凝土中掺加了聚丙烯腈纤维后，当冻融循环到300次时，混凝土的相对动弹性模量为60.4%，因此掺聚丙烯腈纤维的混凝土抗冻等级也为F300。掺加了聚乙烯醇纤维后，当冻融循环到300次时，混凝土的相对动弹性模量已下降至60%以下，其抗冻等级为F250。

在基准混凝土中，随着冻融次数的增加水泥浆体结构疏松程度逐渐增大，水化硅酸钙C-S-H 凝胶网状结构逐渐破坏，孔洞和裂缝数量逐渐增多，混凝土结构损伤程度增大。在混凝土中掺加了纤维后，纤维在混凝土中呈三维乱向分布，可减少混凝土内部微裂纹的产生以及缓解微裂纹的连通扩展。在冻融循环过程中，水泥浆结构被破坏的程度减弱，使微裂缝和孔洞生成的数量相对减少，有利于提高混凝土的抗冻性。

3 结论

1）混凝土中掺入玄武岩纤维、聚丙烯腈纤维或聚丙烯醇纤维均会降低混凝土的坍落度，但降低幅度不大，对混凝土含气量影响也不大。

2）玄武岩纤维对混凝土的抗压强度和抗折强度影响均不大，聚丙烯腈纤维和聚乙烯醇纤维对混凝土抗压强度影响不大，但会降低混凝土的抗折强度，28 d龄期时抗折强度降低约10%。

3）掺入3种纤维对混凝土早期开裂均有明显的抑制作用。玄武岩纤维和聚丙烯腈纤维对混凝土早期开裂的抑制效果优于聚乙烯醇纤维。当玄武岩纤维掺量为3.0 kg/m3时，混凝土裂缝降低系数可达0.61。

4）混凝土中掺入玄武岩纤维，对混凝土电通量没有明显影响，掺入聚丙烯腈纤维或聚乙烯醇纤维略增大混凝土的电通量。掺入3种纤维均可有效提高混凝土的抗冻性，玄武岩纤维和聚丙烯腈纤维对混凝土抗冻性的提高效果优于聚乙烯醇纤维。