玄武岩纤维对混凝土耐久性影响研究

白玉瑾

中铁十八局集团第四工程有限公司 天津 300350

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能不同，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的加大，结构使用质量及寿命要求日益提高[11-12]，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。

1 原材料与研究方案

1.1 试验材料

细骨料为江西赣江黄砂，细度模数为2.7，属于Ⅱ区中砂；粗骨料为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%。粗细骨料均满足JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检测方法标准》技术要求。水泥为海螺牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰选用Ⅱ级灰，细度≤25%；矿粉选用S95级；减水剂为江苏苏博特新材料有限公司生产的PCA-10混凝土聚羧酸高效减水剂；纤维为短切玄武岩纤维，直径为15 μm。

1.2 方案设计

试验方案见表1，旨在研究玄武岩纤维长度及掺量对纤维混凝土耐久性的影响规律。拟采用抗渗试验、收缩试验和早龄期抗裂试验评价玄武岩纤维混凝土耐久性。

表1 试验方案

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，根据窑上村站底板C35P8混凝土配合比设计条件（坍落度为160～200 mm、水胶比为0.41、砂率为0.42）确定的混凝土配合比为：水泥∶粉煤灰∶矿粉∶砂碎石∶外加剂∶水=300∶46∶39∶767∶1 060∶4.81∶158。

1.4 试验方法

1.4.1 抗渗试验

采用GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中渗水高度法，试件采用顶面直径175 mm、底面直径185 mm、高150 mm的圆台形试件。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 收缩试验

采用GB/T 50082—2009中非接触法，试件采用100 mm×100 mm×515 mm的棱柱体试件，仪器选用混凝土收缩变形测定仪。试验中，控制混凝土初凝试验和收缩试验环境均为温度（20±2）℃、相对湿度（60±5）%。

1.4.3 早龄期抗裂试验

采用CECS 13∶2009《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）℃、相对湿度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。试件置于温度（20±2）℃、相对湿度95%以上的标养室中养护28 d。

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，其中，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0.10%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%、0.10%、0.12%、0.15%纤维掺量的素混凝土渗水高度分别降低了42%、36%、31%、28%；纤维掺量为0.10%时，混凝土渗水高度随纤维长度加长逐渐降低，纤维长度12、18、24 mm的混凝土渗水高度分别降低了3%、28%、22%，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黏结性，使结构具有良好的连续性，从而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条件下，掺量0.15%的混凝土渗水高度为14.7 mm，与纤维长度24 mm下0.10%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 收缩试验

玄武岩纤维混凝土收缩试验结果见图2。试件置于温度（20±2）℃、相对湿度（60±5）%的恒温、恒湿条件下养护3、7、28 d。

图2 玄武岩纤维混凝土收缩试验结果

由图2可知：

1）同一纤维长度下，混凝土3、7、28 d收缩率与纤维掺量变化规律一致，纤维掺量为0.10%，混凝土收缩率达到最小值后逐渐增大。当纤维掺量从0增加至0.10%时，混凝土3、7、28 d收缩率分别降低了15%、16%、16%；纤维掺量从0.10%增加至0.15%时，混凝土3、7、28 d收缩率分别提高了30%、19%、24%，说明适当的纤维掺量有利于改善混凝土收缩性。这是因为玄武岩纤维在混凝土内部形成网络结构，改善其孔隙结构，减小收缩应力。另外，随龄期增长，混凝土收缩率增速逐渐减小，且早期收缩率增速高于后期，说明纤维对混凝土后期收缩抑制效果较好。

2）同一纤维掺量和龄期下，混凝土收缩率减小后增大，且纤维长度为18 mm时，混凝土收缩率达到最小值后逐渐增大。相比于纤维长度18 mm的混凝土，纤维长度12、24 mm的混凝土收缩率至少分别提高13%、20%。由此可知，纤维掺量0.10 %、纤维长度18 mm的混凝土抑制收缩效果最好。

2.3 早龄期抗裂试验

在纤维长度为18 mm条件下，玄武岩纤维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。其中，纤维掺量超过0.10%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。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17%、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 结语

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，且渗水高度随纤维长度加长逐渐降低。纤维长度18 mm条件下，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0.10%条件下，纤维长度12、18、24 mm的混凝土渗水高度分别降低了3%、28%、22%。

2）玄武岩纤维对混凝土收缩性具有良好的抑制效果。纤维掺量为0.10%、纤维长度为18 mm的混凝土抑制收缩效果最好，较素混凝土收缩率平均降低了16%；纤维掺量从0增加至0.10%时，混凝土3、7、28d收缩率分别降低了15%、16%、16%。

3）玄武岩纤维可以显著改善混凝土早龄期抗裂性，裂缝平均宽度、总长度以及总面积随着纤维掺量的增加而逐渐减小。与素混凝土相比，纤维掺量0.10%～0.15%下的混凝土裂缝平均宽度至少降低了59%，裂缝总长度至少降低了44%。