玄武巖纖維對新拌混凝土性能影響研究

易 谷

纖維對于抑制混凝土收縮、提高混凝土抗裂性具有明顯的作用效果。目前在工程中使用的纖維增強復合材料主要是碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維。碳纖維由于具有高抗拉強度和彈性模量、質量輕、抗腐蝕能力強等優(yōu)點被廣泛用于各種結構的加固，但其價格較貴且原材料受國外市場波動影響較大。玻璃纖維和芳綸纖維價格相對便宜，但抗拉強度和彈性模量較低，特別是耐久性能不夠理想，一定程度上約束了其應用。

連續(xù)玄武巖纖維是用火山爆發(fā)形成的一種玻璃態(tài)的玄武巖礦石經(jīng)高溫熔融后快速拉制而成的無機纖維材料，具有既耐酸又耐堿，既耐低溫又耐高溫，既絕熱電又隔音，拉伸強度和模量高，抗壓縮強度、剪切強度高，抗老化性好等優(yōu)異的性能，并且成本低廉，是聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維非常有競爭力的替代產(chǎn)品。玄武巖纖維是典型的硅酸鹽纖維，用玄武巖短切纖維與水泥混凝土和砂漿混合時很容易分散，這些優(yōu)越的性能都使得玄武巖纖維增強混凝土不管在性能還是經(jīng)濟效益上都具有巨大的潛在價值。本試驗主要探索不同種類玄武巖纖維對混凝土新拌工作性能的影響，并研究了其對混凝土力學性能的影響［1-3］。

1 試驗設計

1.1 原材料

試驗所用原材料主要為水泥、集料、礦物摻合料、玄武巖纖維和外加劑等。水泥為哈爾濱水泥廠生產(chǎn)的天鵝牌P.O42.5水泥。粉煤灰為哈爾濱第三發(fā)電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰，其性能指標和化學組成見表1。減水劑選用上海花王化學有限公司生產(chǎn)的Mighty 100萘系高效減水劑。

表1 粉煤灰性能指標和化學組成

本試驗所用玄武巖纖維均由四川省航天拓鑫玄武巖實業(yè)有限公司生產(chǎn)短切紗纖維，長度為25mm，直徑為18 μm，其中玄Ⅰ類纖維是經(jīng)常規(guī)加工制造而得，玄Ⅱ類纖維對普通玄武巖纖維采用硬質丙烯酸樹脂改性后加工而成，玄Ⅲ類纖維、玄Ⅳ類纖維是在普通玄武巖纖維基礎上采用不同配方的軟質丙烯酸改性而成，柔性較玄Ⅰ類纖維、玄Ⅱ類纖維更好。試驗所用聚丙烯纖維為江蘇丹陽合成纖維廠生產(chǎn)的“丹陽絲”聚丙烯纖維。

1.2 試件配合比

1)水灰比0.42;2)玄Ⅰ類纖維、玄Ⅱ類纖維、玄Ⅲ類纖維、玄Ⅳ類纖維、聚丙烯纖維摻量分別為2.8kg/m3，2.8kg/m3，2.8kg/m3，2.8kg/m3，0.9kg/m3;3)粉煤灰摻量:按水泥質量的 10%摻入;4)減水劑摻量:按水泥質量的1%摻入。

2 玄武巖纖維對新拌混凝土性能的影響

要使玄武巖纖維混凝土具有較好的抗裂、抗?jié)B、抗沖擊性等性能，其關鍵技術是在制備混凝土拌和物時，保證纖維的均勻分散和拌和物具有良好的流動性［4］。

2.1 玄武巖纖維對拌和過程的影響

本試驗的拌和過程由混凝土攪拌機完成，纖維的加入方式采用分次摻入。在攪拌過程中，基準混凝土的流動性與和易性都較好，滿足施工要求;加入纖維后，混凝土流動性普遍變小，據(jù)試驗觀察，幾種玄武巖纖維對流動性的影響大小對比如下:玄Ⅱ類纖維＞玄Ⅰ類纖維＞玄Ⅳ類纖維＞玄Ⅲ類纖維＞聚丙烯纖維。

2.2 玄武巖纖維對坍落度的影響

試驗結果如圖1所示，基準混凝土流動性較好，坍落度值為220mm，加入纖維后，混凝土坍落度出現(xiàn)不同程度的降低，玄Ⅰ類纖維、玄Ⅱ類纖維、玄Ⅲ類纖維和玄Ⅳ類纖維分別使混凝土的坍落度降低 40.9%，36.4%，63.6%和 40.9%。據(jù)此可表明，玄武巖纖維的加入增大了混凝土的內(nèi)部粘聚力，使混凝土在其自重作用下流動受到更大的剪切阻力，其中玄Ⅲ類纖維與混凝土的粘結作用最強，玄Ⅱ類纖維與混凝土的粘結作用最弱。

2.3 玄武巖纖維對含氣量的影響

試驗結果如圖2所示，基準混凝土的含氣量為2.8%，加入纖維后玄Ⅰ類纖維、玄Ⅱ類纖維、玄Ⅲ類纖維和玄Ⅳ類纖維分別使混凝土的含氣量增加 14.3%，10.7%，3.8%和 10.7%，由此說明，玄武巖纖維的加入使混凝土內(nèi)界面增多，原料間的間隙增大，故有更多氣體引入。產(chǎn)生差別的原因可能是斷裂程度不同使界面數(shù)量與大小有所差別，另外，玄武巖纖維在攪拌過程中的分散程度及其與水泥骨料的粘結力也會對氣體含量造成影響。

3 玄武巖纖維對混凝土力學性能的影響

3.1 玄武巖纖維對抗壓強度的影響

通過早期(3 d)、中期(28 d)、后期(90 d)抗壓強度來討論纖維的影響作用。養(yǎng)護后的標準抗壓試件在壓力機下的力學表現(xiàn)所得數(shù)據(jù)如圖3所示。

3 d基準混凝土的抗壓強度為26.8 MPa，玄Ⅰ類纖維、玄Ⅱ類纖維、玄Ⅳ類纖維分別使混凝土早期抗壓強度降低了12.7%，19.0%，5.2%，而玄Ⅲ類纖維使混凝土早期抗壓強度提高25.4%，與其他玄武巖纖維在早期的表現(xiàn)截然相反。可能因為混凝土早期并未完全硬化，玄武巖纖維的加入使混凝土內(nèi)部界面裂縫增多進而導致強度降低，而玄Ⅲ類纖維能更快在混凝土中構成堅實的網(wǎng)狀結構并形成強度。相對玄武巖纖維，聚丙烯纖維的加入使混凝土的早期強度下降更多，使其較基準混凝土降低26.1%，這可能因為聚丙烯使混凝土的硬化速度減慢。

基準混凝土的28 d抗壓強度為42.9 MPa，而玄Ⅰ類纖維、玄Ⅱ類纖維、玄Ⅲ類纖維和玄Ⅳ類纖維分別使混凝土28 d抗壓強度提高 28.9%，12.8%，32.4%和 13.5%。

90標準養(yǎng)護后，玄武巖纖維的加入使混凝土后期強度均有很大提高，基準混凝土的抗壓強度為47.2 MPa，而玄Ⅰ類纖維、玄Ⅱ類纖維、玄Ⅲ類纖維和玄Ⅳ類纖維分別使混凝土抗壓強度提高22.9%，18.9%，33.1%和 23.3%。

3.2 玄武巖纖維對抗折強度的影響

本試驗采用三點抗折實驗方法測定抗折強度［5］，通過測定摻入纖維混凝土的3 d，28 d，90 d試件抗折強度來研究玄武巖纖維對混凝土抗折強度的影響規(guī)律，不同纖維對混凝土抗折強度的影響規(guī)律如圖4所示。

基準混凝土的早期抗折強度3.6 MPa，玄Ⅰ類纖維和玄Ⅱ類纖維的加入分別使混凝土強度提高8.3%和5.6%，玄Ⅲ類纖維的摻入未改變強度，而玄Ⅳ類纖維使混凝土早期抗折強度降低13.9%，但總體而言，各類玄武巖纖維混凝土較基準混凝土早期抗折強度差別不大;另外，聚丙烯纖維的加入使混凝土早強降低8.3%，與玄Ⅰ類纖維的影響效果相似。

玄武巖纖維對混凝土抗折強度的影響在28 d時表現(xiàn)得較為明顯，基準混凝土的28 d抗折強度為4.9 MPa，較早期強度僅提高了8.3%，而此時玄武巖纖維混凝土的抗折強度已較早期強度成倍增長，玄Ⅰ類纖維、玄Ⅱ類纖維、玄Ⅲ類纖維和玄Ⅳ類纖維的加入分別使混凝土28 d抗折強度較基準提高46.9%，14.3%，18.4%和6.1%，后三類玄武巖纖維混凝土強度相近，玄Ⅰ類纖維混凝土的抗折強度相對較大。實驗結果驗證，玄武巖纖維阻止了混凝土脆性及自收縮所產(chǎn)生的微裂紋，減少了裂縫源的數(shù)量，并使裂縫尺度變小，這就降低了裂縫尖端的應力強度因子，緩和了裂縫尖端應力集中程度，在受力過程中，又抑制了裂縫的引發(fā)與擴展，進而提高了混凝土的抗折強度［6，7］。

基準混凝土的90 d抗折強度為7.3 MPa，玄Ⅰ類纖維、玄Ⅱ類纖維的加入分別使混凝土長期抗折強度提高27.4%，23.3%，而玄Ⅲ、玄Ⅳ分別使混凝土抗折強度較基準混凝土90 d強度分別下降 2.7%，27.4%。

3.3 玄武巖纖維對靜彈性模量的影響

試驗結果如圖5所示，基準混凝土的彈性模量值為32.1 GPa，玄Ⅰ、玄Ⅱ類纖維的摻入分別使混凝土的靜彈性模量提高27.0%，18.0%，使混凝土在同等應力作用下應變減小;聚丙烯纖維的摻入也使混凝土的彈性模量提高了1.3%，但較玄武巖纖維對混凝土靜彈模的提高程度小，對混凝土抗變形的改善作用較玄武巖纖維弱。

4 結語

本文主要研究了玄武巖纖維對混凝土新拌工作性能和力學性能的影響，通過試驗得出影響規(guī)律如下:

1)玄武巖纖維使混凝土拌和過程中流動性、工作性降低，且玄武巖纖維使流動性的降低程度高于聚丙烯纖維;使混凝土含氣量增加3.8%～14.3%，除玄Ⅲ類纖維外，其他玄武巖纖維使混凝土中引入氣體均比聚丙烯纖維多。2)抗壓強度方面，玄Ⅰ類纖維、玄Ⅱ類纖維和玄Ⅳ類纖維使混凝土3 d強度降低5.2%～19.0%，而玄Ⅲ類纖維使其升高25.4%，聚丙烯纖維使早強降低程度比玄武巖纖維大;玄武巖纖維使混凝土28 d，56 d，90 d抗壓強度有較大增幅，改善程度大于聚丙烯纖維。3)抗折強度方面，玄Ⅰ類纖維、玄Ⅱ類纖維使混凝土3 d強度提高5.6%，8.3%，而玄Ⅲ類纖維、玄Ⅳ類纖維略有降低，聚丙烯纖維對早強的影響與玄Ⅰ類纖維相似;玄武巖纖維使混凝土28 d強度提高6.1%～46.9%，且除玄Ⅳ類纖維提高程度均大于聚丙烯纖維;玄Ⅰ類纖維、玄Ⅱ類纖維使混凝土90 d強度提高23.3%～27.4%，玄Ⅲ類纖維、玄Ⅳ類纖維使56 d強度降低2.7%～27.4%，聚丙烯纖維的影響居中。4)玄武巖纖維使混凝土的彈性模量提高18.0%～27.0%，使混凝土在同等應力下應變更小，雖聚丙烯纖維對彈性模量也有提高，但程度不及玄武巖纖維。

［1］BEIJER O..Energy Consumption Related to Concrete Structures［J］.Journal of the American Concrete Institute，1975，72(11):598-600.

［2］POMEROY C.D..Concrete as an Alternative Material［J］.Proceedings，Institution of Mechanical Engineers，1978(192):135-144.

［3］葉角銓.玄武巖纖維發(fā)展動態(tài)［J］.玻璃纖維，2008(1):39-41.

［4］陳興芬，胡顯奇.玄武巖纖維增強混凝土的開發(fā)和應用［A］.第七屆全國纖維水泥制品學術、標準、技術信息經(jīng)驗交流會暨第二屆三次中國硅酸鹽學會混凝土水泥制品分會纖維水泥制品專業(yè)委員會、第二屆二次中國硅酸鹽學會房建材料分會建筑結構與輕質板材專業(yè)委員會論文匯編［C］.2008:1-6.

［5］吳 剛，吳智深.玄武巖纖維在土木工程中的應用研究現(xiàn)狀及進展［J］.工業(yè)建筑，2007(sup):410-414.

［6］華 淵，曾 藝，劉榮華.混雜纖維增強混凝土耐久性試驗研究［J］.低溫建筑技術，1998(3):18-20.

［7］石錢華.國外連續(xù)玄武巖纖維的發(fā)展及其應用［J］.玻璃纖維，2003(4):27-31.