掺玄武岩纤维混凝土的耐久性试验研究

(湖南省第二工程有限公司， 湖南 长沙 410000)

0 引言

纤维混凝土作为一种新型建筑材料，可有效地提高混凝土力学性能，保证结构整体使用性能，在居民建筑、道路等工程中得到越来越多的应用[1-4]；但由于纤维材料技术性质不同，在改善混凝土性能的同时也会对混凝土产生不利影响，比如钢纤维耐腐蚀性差[5-6]，致使钢纤维混凝土在盐碱含量较高地区使用具有一定的限制性。而玄武岩纤维由硅酸盐矿物成分组成，与混凝土结合性良好且能适应特殊环境，对提高混凝土抗压强度、抗拉强度具有显著作用[7-10]。随着我国对基础设施建设力度逐渐加大，对结构使用质量及寿命要求日益提高[11]，因此，对玄武岩纤维混凝土耐久性展开详细研究是十分必要的。本文通过研究玄武岩纤维长度及掺量对混凝土耐久性的影响规律，为工程应用提供数据支撑。

1 原材料与研究方案

1.1 试验材料

细骨料选用江西赣江中砂，细度模数为2.78，满足《建设用砂》(GB/T 14684—2011)技术要求；粗骨料选用安徽和县生产的连续级配碎石，公称粒径为5～25 mm，压碎值≤10%、吸水率≤2%，满足《建设用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)技术要求。水泥选用海螺牌P.O42.5R普通硅酸盐水泥，技术指标见表1。粉煤灰选用Ⅱ级灰，细度≤25%。减水剂选用江苏苏博特新材料有限公司生产的PCA-10混凝土高效减水剂，技术指标见表2。纤维选用短切玄武岩纤维，直径为15 μm。

表1 水泥技术指标类别凝结时间/min初凝终凝比表面积/(m2·kg-1)安定性/mm28 d抗压强度/MPa28 d抗折强度/MPa实测值651503361.648.37.4技术要求≥45≤390≥300≤5≥17.0≥3.5

表2 减水剂技术指标固体含量/%总碱含量/%Cl-含量/%SO2-4含量/%pH37.5～41.1<2<0.1<0.45～7

1.2 方案设计

为研究玄武岩纤维长度及掺量对纤维混凝土耐久性影响规律，拟采用抗渗试验、冻融试验和早龄期抗裂试验评价玄武岩纤维混凝土耐久性。设计2组试验：第1组纤维长度不变，为18 mm，纤维掺量分别为0.05%、0.1%、0.12%、0.15%；第2组纤维掺量不变，为0.1%，纤维长度分别为12、18、24 mm。

1.3 配合比设计

玄武岩纤维混凝土配合比设计采用外掺法，根据C50混凝土配合比设计条件：坍落度为180 mm、水胶比为0.33、砂率为0.39，确定的混凝土配合比见表3。

表3 玄武岩纤维混凝土基准配合比kg水泥粉煤灰砂碎石水382486841 070158

1.4 试验方法

1.4.1抗渗试验

采用《普通混凝土长期性能和耐久性实验方法标准》(GB/T 50082—2009)中渗水高度法，试件采用尺寸为顶面直径175 mm、底面直径185 mm、高150 mm的圆台形试件。试件置于温度(20±2)℃、湿度95%以上的养生室中养生28 d。试验仪器采用无锡建仪仪器机械有限公司生产的HS-4型混凝土抗渗仪。

1.4.2冻融试验

采用GB/T 50082—2009中快冻法，试件采用100 mm×100 mm×400 mm的小梁试件。仪器选用冻融箱。试验前，试件在温度(20±2)℃、湿度95%以上的养生室养生24 d后取出，于(20±2)℃水中浸泡4 d；试验过程中，每冻融循环25次后用湿布擦拭试件表面水分，并称取质量，测定其动弹性模量。当试件质量损失超过5%时，停止试验。

1.4.3早龄期抗裂试验

采用《纤维混凝土试验方法标准》中平板法，试件尺寸为600 mm×600 mm×63 mm。试件成型后，置于温度(20±5)℃、湿度40%的环境中24 h，通过裂缝综合测试仪观测试件裂缝。

2 试验结果与分析

2.1 抗渗试验

玄武岩纤维混凝土抗渗试验结果见图1。

图1 玄武岩纤维混凝土抗渗试验结果

由图1可知，混凝土掺入玄武岩纤维后抗渗性能得到改善。由图1a可知，纤维长度为18 mm时，纤维掺量0.05%对混凝土抗渗性能改善效果最明显，纤维掺量0.15%对混凝土抗渗性能改善效果最小；与素混凝土渗水高度相比，0.05%、0.1%、0.12%、0.15%纤维掺量的混凝土渗水高度分别降低了42%、36%、31%、28%。由图1b可知，纤维掺量为0.1%时，混凝土渗水高度随纤维长度加长有不同程度降低，纤维长度12、18、24 mm的混凝土渗水高度分别降低了3%、36%、28%。说明纤维掺量对混凝土抗渗性能影响明显，主要是由于纤维在混凝土中的分散性，增加了水泥与骨料之间的粘结性，使结构具有良好的连续性，从而使混凝土抗渗性能得到提高；而随着纤维掺量增加，纤维在混凝土中分散不均匀，增大了混凝土的孔隙率，致使其抗渗性能降低。另外，纤维长度18 mm时掺量0.15%的混凝土渗水高度为14.7 mm，与纤维长度24 mm时0.1%掺量的混凝土渗水高度相当，说明混凝土可通过外掺较长长度的纤维来降低纤维掺量。

2.2 冻融试验

玄武岩纤维混凝土冻融试验结果见图2。

图2 玄武岩纤维混凝土冻融试验结果

由图2可知:

1) 相同冻融试验条件下，纤维掺量-动弹性模量和纤维长度-动弹性模量的变化规律一致。随纤维掺量或长度增加，混凝土动弹性模量先增大后降低。由图2a可知，纤维长度18 mm、纤维掺量0.12%时，混凝土动弹性模量为最大值，较素混凝土动弹性模量提高了68%；纤维掺量不超过0.12%时，混凝土动弹性模量与纤维掺量呈线性关系，纤维掺量每增加0.01%，其动弹性模量平均提高8.8%。由图2b可知，纤维掺量0.1%时，纤维长度18 mm的混凝土动弹性模量为最大值，较素混凝土动弹性模量提高了60%，且纤维长度12、24 mm的混凝土动弹性模量比素混凝土动弹性模量分别提高了32%、33%。

2) 与混凝土初始动弹性模量相比，冻融作用300次后，各级纤维掺量混凝土动弹性模量分别降低了61%、50%、39%、40%、46%，各级纤维长度的混凝土动弹性模量分别降低了61%、51%、39%、52%。这是因为混凝土冻缩过程中玄武岩纤维限制了混凝土结构孔隙的膨胀和裂缝的发展，减少了水分的渗入，同时又抵消了孔隙膨胀产生的拉应力，使得混凝土受力减小，从而使混凝土抗冻性能得到提高。由此可知，纤维掺量0.1%～0.12%、纤维长度18 mm的混凝土抗冻性能相对较优。

2.3 早龄期抗裂试验

纤维长度为18 mm 时，不同纤维掺量的混凝土早龄期抗裂试验结果见图3。

图3 玄武岩纤维混凝土早龄期抗裂试验结果

由图3可知，随纤维掺量增加，混凝土裂缝平均宽度、总长度及总面积均逐渐减小，说明玄武岩纤维可显著改善混凝土早龄期抗裂性能。其中，纤维掺量超过0.1%后，对混凝土裂缝平均宽度影响逐渐减弱，裂缝总长度与纤维掺量呈线性关系变化。与素混凝土相比，各级纤维掺量的混凝土裂缝平均宽度分别降低了1.7%、59%、65%、70%，裂缝总长度分别降低了35%、44%、50%、57%。这是因为混凝土微裂缝发展过程中，纤维承担了一部分拉应力，减小了微裂缝处的应力集中，从而限制了裂缝的宽度，降低了裂缝的长度。

3 结论

通过玄武岩纤维混凝土耐久性试验，得到以下结论：

1) 玄武岩纤维可改善混凝土抗渗性能，且纤维掺量对混凝土抗渗性能的影响更明显。纤维长度18 mm时，纤维掺量0.05%的混凝土抗渗效果最佳，较素混凝土渗水高度降低了42%；纤维掺量0.1%时，纤维长度12、18、24 mm的混凝土渗水高度分别降低了3%、36%、28%。

2) 同一冻融试验条件下，纤维掺量及长度对混凝土动弹性模量影响规律一致，动弹性模量随纤维掺量长度先增大后减小，纤维长度18 mm、掺量0.12%的混凝土动弹性模量最大，较素混凝土动弹性模量提高了68%；与混凝土初始动弹性模量相比，冻融300次后混凝土动弹性模量降低率随纤维掺量增加逐渐降低，纤维长度18 mm、掺量0.1%的混凝土动弹性模量降低率最小，为39%。

3) 玄武岩纤维可显著改善混凝土早龄期抗裂性，裂缝平均宽度、总长度及总面积随纤维掺量增加而逐渐减小。与素混凝土相比，纤维长度18 mm、纤维掺量0.1%时的混凝土裂缝平均宽度降低了59%，裂缝总长度降低了44%。