玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料的耐久性研究*

李 飞，陈鲤波，马建宁，曾晓辉,4，王 平，龙作虹，周 昊，李建辉

(1.中国铁路南宁局集团有限公司，南宁 530029；2.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031；3.四川昊龙高科轨道交通新材料科技股份有限公司，成都 610000；4.中南大学 土木工程学院，长沙 410074)

0 引 言

传统混凝土因其具有便宜的价格、较高的强度，已在全球范围内得到广泛应用，但其也存在抗拉强度低、易开裂、脆性大等缺点[1]，为克服传统混凝土的固有缺点而发展起来的高强高韧性水泥基材料，其极限拉伸应变能达到3%～5%，具有高延展性、高韧性、良好的耐久性等特征[2-3]，拥有更加广阔的应用前景。

国内外学者对水泥基材料耐久性研究主要集中在单掺增强纤维或改变其具有活性功能矿物填料方面[4-5]。Jiang W G等[6]将加入聚乙烯醇纤维和氧化石墨烯的水泥基材料与不加纤维的水泥基材料进行了比较，发现掺杂纤维的水泥基材料具有良好的抗冻性能、较大的极限拉伸强度和韧性降低幅度较小等优点；朱华军[7]通过单掺玄武岩纤维，研究了其抗氯离子渗透和抗冻融性能，结果表明玄武岩纤维在增强混凝土抗渗性、抗氯离子侵蚀、抗冻融性能等方面均优于普通混凝土。刘曙光等[8]通过改变硅粉、粉煤灰掺量，探究了其对聚乙烯醇纤维水泥基材料抗渗性的影响，结果表明，粉煤灰的过量掺入，减小了聚乙烯醇纤维水泥基材料的抗渗能力，而硅粉能够减缓水化反应，提高了聚乙烯醇纤维水泥基复合材料的密实度，从而有助于增强聚乙烯醇纤维水泥基材料的抗渗性。目前水泥基材料主要以单掺增强纤维为主，而单一纤维的掺入对提高水泥基材料的综合性能有限，往往只能改善某种性能[9-10]。张广泰等[11]通过对钢纤维-聚丙烯混杂纤维混凝土的研究发现，混杂纤维对抵抗高性能混凝土约束收缩裂缝有较好的效果，能够抑制冻融微裂缝的产生并提高混凝土的含气量。胡星宇[12]通过对玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维混凝土的性能研究发现，混杂纤维混凝土的抗折强度要高于单掺玄武岩纤维，其韧性也要明显优于单掺纤维。

目前，国内外对掺玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料的耐久性研究较少，本文选用玄武岩纤维和聚乙烯醇纤维，辅以一定活性的矿物掺合料，通过实验对

玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料的耐久性展开了相关研究，主要包括其抗冻性、抗渗性、抗碳化和抗氯离子渗透性等方面的研究。

1 实 验

1.1 实验原材料

水泥：P·O42.5R硅酸盐水泥，成都都江堰市拉法基水泥厂；粉煤灰：Ⅰ级粉煤灰，四川金堂沃能精细粉煤灰材料有限公司，其性能指标符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》( GB/T1596—2017)；硅灰：成都合锋新材料有限公司，其物化性能指标符合《砂浆和混凝土用硅灰》( GB/T 27690—2011)；偏高岭土：成都复兴建材有限公司，其性能指标如表1所示；砂：实验骨料采用优质石英砂，粒径范围70～140目；聚乙烯醇纤维：中国石化集团四川维尼纶厂；玄武岩纤维：四川航天拓鑫集团，两种纤维的性能指标如表2所示；减水剂：KS-JS系列高效聚羧酸减水剂，西卡集团；实验用水为自来水，满足JGJ63-2006《混凝土用水标准》。

表1 偏高岭土的化学组成/%(质量分数)Table 1 Chemical composition ofmetakaolin/wt%

表2 纤维基本指标Table 2 Basic index of fiber

1.2 配合比

玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料配合比参考高强高韧水泥基材料制备工艺和力学性能实验，确定最优配合比如表3所示。

表3 玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料配合比Table 3 Mix proportion of basalt PVA hybrid fiber cement-based materials

1.3 耐久性实验方法

水泥基材料抗冻性采用快速冻融循环方法,实验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/T50082—2009)中快速冻融实验方法进行；抗渗性实验参照《水工混凝土实验规程》(SL352—2006)中相对抗渗性实验方法执行；抗碳化性实验根据《普通混凝土长期性能和耐久性能实验方法》(GB/T50082—2009)中碳化实验标准方法进行；氯离子渗透实验方法采用《普通混凝土长期性能和耐久性能实验方法》(GB/T50082-2009)中的电通量法进行。

2 结果与讨论

2.1 玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料的抗冻性能分析

对比玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料与普通混凝土试件的质量损失和相对动弹性模量损失结果，如图1所示。

图1 冻融循环下试件的质量损失和相对动弹性模量损失结果Fig 1 The results of mass loss and relative dynamic modulus loss of specimens under freeze-thaw cycles

从图1(a)可以看出，在不到150次冻融循环中，普通混凝土的质量损失接近5%，而玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料在300次冻融循环后，质量损失不到1.5%。从图1(b)可以看出，在经过200次冻融循环后，普通混凝土的动弹性模量降低己经超过40%，而玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料经过300次冻融循环后其动弹性模量降低不到15%。在往复的冻融循环累积作用下，毛细孔中的水分转变为固态体积增长而产生膨胀力，易造成水泥基材料原有微细裂纹扩张或直接产生开裂。向其中掺入一定量的混杂纤维后，膨胀力可由毛细孔附近的玄武岩和聚乙烯醇混杂纤维受拉抵消，能对基体起到良好的约束作用，从而比普通混凝土有更好的抗冻能力，玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料的相对动弹性模量和质量损失远小于普通混凝土。

2.2 玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料的抗渗性能分析

普通混凝土和玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料的渗透性能实验结果如表4和图2所示。

从表4和图2可以看出，在实验龄期为28 d时，普通混凝土的渗透系数为8.86×10-10cm/s，而玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料的渗透系数为4.69×10-10cm/s，混杂纤维水泥基材料是普通混凝土的53%；在实验龄期为56 d时，混杂纤维水泥基材料和普通混凝土渗透系数同时下降，此时，混杂纤维水泥基材料渗透系数为1.99×10-10cm/s，普通混凝土渗透系数为7.55×10-10cm/s，混杂纤维水泥基材料渗透系数仅为普通同强度等级混凝土的26%，可知普通混凝土的抗渗能力远弱于水泥基材料。主要原因是混杂纤维水泥基材料全部采用细集料构成，并且掺入了活性矿物掺和料，其内部发生水化反应后，生产的水化产物和细集料能够填充生成的孔隙，增强结构密实性，减小孔隙率，从而提高混杂纤维水泥基材料的抗渗性。而玄武岩聚乙烯醇混杂纤维掺入到水泥基材料中，混杂纤维横跨裂缝受拉，能有效抑制扩展水泥基材料在凝结塑化和硬化过程中产生的微裂缝，从而有效提高混杂纤维水泥基材料的抗渗性能。

表4 普通混凝土和玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料抗渗透实验结果Table 4 Permeability test results of ordinary concrete and basalt PVA hybrid fiber cement-based materials

图2 随龄期变化普通混凝土和混杂纤维水泥基材料的渗透系数测试结果Fig 2 The test results of permeability coefficient of ordinary concrete and hybrid fiber cement-based materials with age change

2.3 玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料的抗碳化性能分析

图3为玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料和普通混凝土碳化深度与碳化时间的关系。从图3可以看出，在实验前期，普通混凝土在的碳化速率要低于混杂纤维水泥基材料，但之后混杂纤维水泥基材料碳化速度逐渐降低，56 d时混杂纤维水泥基材料碳化深度为14.9 mm，已经低于普通混凝土的碳化深度(16.4 mm)，混杂纤维水泥基材料的碳化深度为普通C40混凝土的90%。主要是因为：一方面，无粗骨料，碳化扩散过程几乎无阻碍因素，较容易进行；另一方面，由于混杂纤维水泥基材料中掺入了粉煤灰等活性混合矿物掺和料，随着龄期增长，粉煤灰的火山灰效应开始发挥作用，粉煤灰中的活性SiO2开始与Ca(OH)2生成水化硅酸钙填充原有孔隙，逐步使其趋于密实，从而减缓碳化速率。

图3 混杂纤维水泥基材料与普通混凝土随碳化时间变化的碳化深度测试结果Fig 3 The test results of carbonation depth of hybrid fiber cement-based materials and ordinary concrete with carbonation time

2.4 玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料的抗氯离子渗透性能分析

钢筋腐蚀是引起传统混凝土结构破坏和降低耐久性的一个重要原因，而氯离子渗透侵入是引起钢筋腐蚀的首要原因。玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料虽然本身不含钢纤维，但是在应用时有可能与钢材混合使用，因此开展了玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料抗氯离子渗透性能研究。氯离子渗透性能电通量实验结果如图4所示。

图4 随龄期变化混杂纤维水泥基材料与普通混凝土的氯离子渗透性能电通量测试结果Fig 4 The electric flux test results of chloride ion permeability of hybrid fiber cement-based materials and ordinary concrete with age change

从图4可以看出，28 d龄期时，混杂纤维水泥基材料的电通量为普通混凝土电通量的65%，56 d龄期时，混杂纤维水泥基材料的电通量为普通混凝土电通量的49%。混杂纤维水泥基材料的电通量在28和56 d龄期时的电通量均小于普通混凝土，说明混杂纤维水泥基材料的抗氯离子性能强于普通混凝土。而随着龄期的增加，两组材料的抗氯离子渗透性能都在增强，普通混凝土的电通量降低了约25%，混杂纤维水泥基材料则降低了约45%，说明随龄期增加，混杂纤维水泥基材料抗氯离子性能增强得更快。随着龄期的增加，混杂纤维水泥基材料内部的粉煤灰、硅灰的火山灰活性效应逐渐体现，生成了强度更高、稳定性更好的低碱度水化硅酸钙凝胶，有效堵塞空隙和毛细管道，硅灰的高细度、高SiO2含量以及高度的无定形性也能起到良好的填充性，同时，硅灰大大降低了混杂纤维水泥基材料内部的Ca(OH)2含量，形成无定形的致密的C-S-H相，有效降低孔隙率，提高其抗氯离子渗透性能。

3 结 论

(1)在不到150次冻融循环中，普通混凝土的质量损失接近5%，而玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料在300次冻融循环后，质量损失不到1.5%；在经过200次冻融循环后，普通混凝土的动弹性模量降低己经超过40%，而玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料经过300次冻融循环后其动弹性模量降低不到15%，玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料抗冻性能明显优于普通混凝土。

(2)玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料龄期为28和56 d时的渗透系数分别为4.69×10-10和1.99×10-10cm/s，为普通同强度等级混凝土的53%和26%，可知混杂纤维水泥基材料具有较强的抗渗透能力，抗渗性随着龄期增长逐渐增强。

(3)碳化时间28 d以前，玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料的碳化深度要高于普通混凝土，随着碳化时间增长，混杂纤维水泥基材料的碳化速率逐渐降低；碳化时间为56 d时，混杂纤维水泥基材料的碳化深度为普通C40混凝土的90%。

(4)28和56 d龄期时，玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维水泥基材料的电通量分别为普通混凝土电通量的65%和49%，混杂纤维水泥基材料的抗氯离子性能明显高于普通混凝土。