高温条件下玄武岩纤维混凝土性能研究

徐冬梅

（辽宁理工职业大学，辽宁 锦州 121007）

玄武岩纤维具有优异的力学性能，耐腐蚀、耐高温且造价低廉[1]。在混凝土中掺入适量的玄武岩纤维可显著提高混凝土的抗压强度，且玄武岩纤维的长度对混凝土的抗压强度也有一定影响[2]。玄武岩纤维混凝土以其优异的耐高温性能，越来越受到研究者的重视[3]。与普通混凝土相比，具有更高的强度、韧性和耐久性。然而，在高温环境下，玄武岩纤维混凝土的性能会发生不同程度的变化，其中主要表现为韧性的下降[4]。这对其在高温环境下的应用带来了一定的挑战。研究发现，火灾是建筑结构的主要风险之一[5]。因此，研究高温条件下玄武岩纤维混凝土的断裂韧性具有重要的理论意义和现实意义。近年来，对于高温条件下玄武岩纤维混凝土性能的研究方兴未艾。学者们在不断探索不同因素对这种混凝土在高温下的性能影响，并得到了阶段性的成果。例如，设置不同温度条件进行玄武岩纤维混凝土的抗弯强度、抗压强度和变形特性等力学性能指标变化观察，发现随着温度升高，混凝土抗弯强度和抗压强度下降，变形能力下降，而孔隙度和表观孔径增加[6]。在不同纤维掺量条件下，玄武岩纤维混凝土的强度和挠曲性能并不会产生显著的影响，但随着温度的提高，该混凝土的晶粒尺寸、结晶度发生逐渐减小，孔隙度在不断增加，其微观结构也在发生不同程度的变化，且长时间的高温处理对该混凝土的性能的影响显著强于短时间高温处理[7]。随着工程建设技术不断提高及对建筑防火安全性需求的不断增加，玄武岩纤维混凝土作为一种防火性能良好的新型材料，应用范围也越来越广泛[8]。然而，在其实际应用中，往往会遇到各种高温环境，如火灾、地震等，抑或者是高温工艺生产等需求，因此，研究玄武岩纤维混凝土在高温环境下的力学性能，对于促进其应用和推广具有十分重要的意义。

1 试验研究

1.1 试验材料

本研究选取强度等级为P·O 42.5 的普通硅酸盐水泥，粗骨料选取玄武岩骨料，粒径大小为5～20 mm，吸水率为1.24%，相对密度为2.88 g/cm3，细骨料选用细度模数为2.6的M40 级机制沙，玄武岩纤维采用18mm 长的玄武岩纤维，含量为1%，纤维抗拉强度为1 000 MPa，纤维拉伸模量为45 GPa。混凝土配合比为水泥：砂：骨料 = 1:2.84:4.07，水灰比为0.5，具体配合比见表1。由此研究不同纤维掺量（0.5%、1.0%、1.5%、2.0%）长度为16 mm，直径为12 mm 的玄武岩纤维。

表1 混凝土配合比

玄武岩纤维的掺量根据所选的百分比进行计算。例如，0.5%的掺量为1 000 g×0.5%=5 g。水泥、砂、骨料的具体用量则根据配合比计算。例如，水泥：砂：骨料=1:2.84:4.07 表示在1 000 g混凝土中，水泥用量为143.18 g，砂用量为406.59 g，骨料用量为584.33 g。水的用量则需要根据水灰比计算，水泥用量为143.18 g，则水的用量为143.18×0.5=71.59 g。

1.2 试验方法

收集强度符合GBT 14684—2011 标准规定的水泥、砂、骨料和玄武岩纤维材料按照试验材料中设置的混凝土配合比进行配制。然后制作尺寸为150 mm×150 mm×150 mm 的立方体试样和尺寸为150 mm×150 mm×300 mm 的棱柱体试样，将混凝土试样置于室温（20±2）℃下浇筑，并在模具中放置24 h。脱模后进行7 d 的干燥，然后在室温下养护28 d。养护期结束后，将试样置于高温环境中进行热处理，每组试件均经历5 种温度（25、100、200、300、400℃），恒温时间为2 h。

2 试验结果与分析

2.1 物理性能变化

为保证试验结果的有效性，在试验之前选取含量为1%的纤维掺量的混凝土样品置于不同温度下恒温2 h，观察混凝土的物理变化。当温度为25 ℃时，玄武岩混凝土无明显的物理变化；当温度为100 ℃时，混凝土的质地和颜色略有变化，但是强度基本没有下降，质量仅有轻微的损失；当温度为200 ℃时，混凝土的物理性能开始明显下降，其强度、韧性和稳定性都有所减弱，外观颜色也可能出现变化；当温度为300 ℃时，混凝土物理性能持续下降，出现裂纹、变形和烧结等现象，颜色也可能发生深度改变；当温度为400 ℃时，混凝土的强度急剧下降，可见明显破裂，局部甚至出现溶解或炭化的现象。

2.2 质量损失率

质量损失率是指在某一物理或化学作用下，物体的质量减少的百分比。对于混凝土来说，质量损失率反映了混凝土受到高温作用后质量的变化。在高温环境下，混凝土中的水分和有机质会失去，化学反应会发生变化，从而导致混凝土的质量损失，其具体范围标准为：温度为25 ℃对应的质量损失率范围为0%～1%；温度为100 ℃对应的质量损失率为1%～3%；温度为200 ℃对应质量损失率为4%～7%；温度为300 ℃对应的质量损失率为9%～15%；温度为400 ℃对应的质量损失率范围为16%～25%。通过观察记录的不同温度下玄武岩混凝土质量损失率均在正常范围之内，具体结果如表2。

表2 不同温度下玄武岩混凝土质量损失率

2.3 抗压强度和断裂韧性

试验结果表明，随着温度的升高，玄武岩混凝土的抗压强度逐渐降低，其中纤维掺量的不同也会影响其表现。在温度为400 ℃时，与室温相比，不同纤维掺量的混凝土抗压强度均有明显的下降，且随着纤维掺量的增加，其强度下降的程度稍有减缓。具体结果详见表3。

表3 不同纤维掺量玄武岩混凝土的抗压强度变化（ 单位：MPa）

断裂韧性是混凝土的重要性能参数之一。试验结果表明，随着温度的升高，纤维混凝土的断裂韧性整体呈现下降趋势。在温度为400 ℃时，纤维掺量为1%时样品的断裂韧性与室温相比降低约20%。具体结果详见表4。

表4 不同纤维掺量玄武岩混凝土的断裂韧性变化（单位：MPa·m1/2）

从试验结果来看，在不同纤维掺量下，随着温度的升高，玄武岩纤维混凝土的抗压强度有所降低，温度超过300 ℃时降幅尤为明显。这是由于纤维和混凝土的热膨胀系数不同，温度升高引起了内部应力的集中，从而导致了玄武岩纤维混凝土的强度下降。同时，在高温下，混凝土内部出现大量微裂纹和裂缝，基本上覆盖了整个混凝土。这也是导致混凝土断裂韧性下降的主要原因。在纤维掺量一定的情况下，纤维的加入可以提高混凝土的断裂韧性，但是在高温条件下，不同纤维掺量的影响出现差异。当纤维掺量为1.5%时，断裂韧性达到最高值，随后有所下降。当温度超过300 ℃时，不同掺量的纤维的断裂韧性均有所下降。这表明，在高温下，纤维的加入可以部分抵消混凝土强度和断裂韧性的降低，但是高温还是会对其性能产生影响，而纤维掺量的选择也需要根据具体情况进行考虑。

2.4 显微结构特征

SEM（Structural Equation Modeling） 和XRD（X-ray diffraction）分析显示，在高温条件下，混凝土出现大量微裂纹和裂缝，表面出现异常明显的高温腐蚀现象，纤维表面形貌和晶体结构也发生明显的变化。SEM 观察结果表明，在高温处理后，混凝土表面的部分晶体出现熔融和烧蚀现象，微裂纹和裂缝的数量也增加许多。而且随着温度的升高，微观破坏程度也逐渐加剧，样品表面光滑度下降，纤维之间的连接锚固效果减弱，加剧了混凝土的劣化程度。总体来讲，高温下，混凝土会经历一系列的物理和化学反应，导致混凝土的微观结构发生变化。此外，在高温下，纤维在混凝土中也会发生形貌和结构变化，纤维表面出现熔融或损伤，连接和固结效果减弱，失去对混凝土的加强作用。

3 结语

试验结果显示，高温环境下，玄武岩纤维混凝土的断裂韧性随温度的升高而降低，但仍然具有一定的可用性。因此，在实际工程中，可以根据具体需求考虑将其运用于高温环境下的建筑和结构工程中，但在使用过程中也需要考虑其高温性能的影响，并采取相应的保护措施。

玄武岩纤维混凝土在工程建设中具有非常好的应用前景，尤其是在大型工程、节能环保建设等方面。但在高温环境作业环境下，需要把握以下几点。第一，纤维掺量。过多的纤维会影响混凝土的流动性和强度，因此，需要根据具体情况调整纤维掺量。第二，纤维种类。不同种类的纤维具有不同的耐高温性能，需要根据高温环境的温度和时间选择性能合适的纤维种类。第三，混凝土配合比。在高温环境下，混凝土的强度和稳定性会受到影响，需要调整配合比，增加水泥掺量和减少水灰比，以增强混凝土的力学性能和抗高温性能。第四，预防裂缝。高温环境下，混凝土容易裂开，需要预先做好裂缝的预防措施。第五，合理施工。高温下混凝土反应速度较快，操作时间相对较短，需要调整施工工艺，加强工期管理，避免出现时间过长导致混凝土性能变劣的情况。