玄武巖纖維、聚丙烯腈纖維和聚乙烯醇纖維對混凝土性能影響的對比研究

李林香，譚鹽賓，李 康，楊 魯，杜香剛

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

混凝土是一種脆性材料，其抗拉強(qiáng)度低，極限延伸率小，在施工和服役過程中很容易開裂。在混凝土中摻加纖維是提高混凝土抗裂性的有效措施之一［1-7］。常用的一些有機(jī)纖維為聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、聚乙烯醇纖維等，如在混凝土欄桿中，設(shè)計(jì)文件中明確規(guī)定在混凝土配合比中要摻加聚丙烯腈纖維。在一些標(biāo)準(zhǔn)中也規(guī)定了纖維混凝土的使用方法，如JGJ/T 221—2010《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》、GB/T 21120—2007《水泥混凝土和砂漿用合成纖維》等標(biāo)準(zhǔn)。

玄武巖纖維是近年來發(fā)展起來的一種新型環(huán)保綠色無機(jī)纖維，以天然玄武巖礦石為原料，通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續(xù)纖維。玄武巖纖維不僅具有優(yōu)良的力學(xué)性能，而且具有電絕緣性、保溫隔熱、抗腐蝕、耐高溫等多種優(yōu)異性能［8］。用在水泥混凝土領(lǐng)域，玄武巖纖維具有2大突出優(yōu)點(diǎn)：①玄武巖纖維有其他有機(jī)纖維所不可比擬的抗拉強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度高達(dá)4 000 MPa；②玄武巖纖維具有二氧化硅、氧化鋁、氧化鐵和氧化鈣等化學(xué)成分，使得玄武巖纖維具有優(yōu)良的耐堿性和混凝土材料的相容性［9-10］。研究結(jié)果表明［11-13］，在混凝土中加入玄武巖纖維可以有效防止混凝土產(chǎn)生離析，提高混凝土抗折強(qiáng)度和斷裂韌性。在公路領(lǐng)域，已編制了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 776.1—2010《公路工程玄武巖纖維及其制品第1 部分：玄武巖短切纖維》。因此，玄武巖纖維被認(rèn)為是代替聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維和聚乙烯醇纖維而用于增強(qiáng)水泥混凝土抗裂性的優(yōu)良材料。

在有機(jī)纖維中，聚丙烯腈纖維和聚乙烯醇纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量，所以本文選擇聚丙烯腈纖維和聚乙烯醇纖維為參比對象，研究玄武巖纖維對混凝土拌和物性能、力學(xué)性能、抗裂性能和耐久性能的影響，為玄武巖纖維在水泥混凝土中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

采用北京金隅P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其主要性能指標(biāo)見表1。礦渣粉由唐山唐龍生產(chǎn)，S95 級，主要性能指標(biāo)見表2。粉煤灰為元寶山發(fā)電有限公司生產(chǎn)，F(xiàn) 類Ⅰ級，細(xì)度9.5%，需水量比94%。采用天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.6，含泥量1.0%。碎石為5～20 mm 連續(xù)級配碎石，含泥量為0.2%。采用河北三楷聚羧酸減水劑，減水率29.4%。消泡劑為廣東龍湖科技股份有限公司提供的P841粉體消泡劑，有效組分42%。玄武巖纖維由吉林通鑫玄武巖纖維有限公司生產(chǎn)，長度18 mm。聚丙烯腈纖維由常州市天怡工程纖維有限公司生產(chǎn)，長度12 mm。聚乙烯醇纖維由常州市天怡工程纖維有限公司生產(chǎn)，長度12 mm。3種纖維的主要性能見表3。

表1 水泥的主要性能

表2 礦渣粉的主要性能

表3 3種纖維的主要性能

1.2 配合比設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)5組配合比，見表4。其中外加劑的摻量未體現(xiàn)在表4中，在混凝土中拌制過程中外加劑根據(jù)混凝土狀態(tài)調(diào)整。聚丙烯腈纖維和聚乙烯醇纖維的摻量均選擇目前施工中普遍用的摻量1.0 kg/m3，由于玄武巖纖維的密度是聚丙烯腈纖維和聚乙烯醇纖維的2倍多，要保證摻入的纖維具有大致相同的體積摻量，所以玄武巖纖維的摻量選1.5，3.0 kg/m3。試件編號中，JZ表示不摻纖維的混凝土，BF-1.5表示摻1.5 kg/m3的玄武巖纖維，BF-3.0 表示摻3.0 kg/m3的玄武巖纖維，PANF-1.0 表示摻1.0 kg/m3的聚丙烯腈纖維，PVAF-1.0表示摻1.0 kg/m3的聚乙烯醇纖維。

表4 混凝土配合比 kg·m-3

在混凝土拌制過程中，通過調(diào)整外加劑（減水劑和消泡劑）的摻量，控制各組混凝土的坍落度為（160±20）mm，含氣量為（4.5±0.5）%。

1.3 試驗(yàn)方法

1）混凝土攪拌方法。采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌，先將稱量好的水泥、粉煤灰、礦粉、砂、碎石放入攪拌機(jī)內(nèi)，然后加入纖維，干拌1 min，隨后加入外加劑和水再攪拌3 min。

2）混凝土拌和物性能測試方法?；炷涟韬臀镄阅馨ɑ炷撂涠群突炷梁瑲饬?。混凝土攪拌出鍋后，立即測試混凝土坍落度和含氣量。如果混凝土坍落度不滿足（160±20）mm 的要求，需調(diào)整減水劑的用量重新攪拌測試；如果混凝土含氣量不滿足（4.5±0.5）%的要求，需調(diào)整消泡劑（或引氣劑）的用量重新攪拌測試，直到混凝土坍落度和含氣量滿足（160± 20）mm，（4.5± 0.5）%的要求為止?；炷撂涠群秃瑲饬康木唧w測試方法參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［14］進(jìn)行。

3）混凝土力學(xué)性能測試方法?；炷亮⒎襟w抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×100 mm 的非標(biāo)準(zhǔn)試塊，每組3 塊?？拐蹚?qiáng)度試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×400 mm 的非標(biāo)準(zhǔn)試塊，每組3 塊。立方體抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［15］進(jìn)行。

4）混凝土抗裂性能測試方法。混凝土抗裂試驗(yàn)參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［16］中的平板開裂試驗(yàn)方法進(jìn)行。采用800 mm×600 mm×100 mm 的平面薄板型試件，在試件成型30 min 后，置于溫度為20℃、相對濕度為60%的恒溫恒濕環(huán)境中，立即調(diào)節(jié)風(fēng)扇位置和風(fēng)速，使風(fēng)向平行于試件表面和裂縫誘導(dǎo)器，在吹風(fēng)24 h 后測量裂縫長度和寬度。

5）混凝土耐久性能測試方法。參照GB/T 50082—2009 中的7.2 條電通量法，通過測試混凝土試件的電通量確定混凝土的抗氯離子滲透性能。試件采用直徑（100±1）mm、高度（50±2）mm 的圓柱體試件，每組3塊。養(yǎng)護(hù)到28 d，56 d齡期時，進(jìn)行測試。

6）混凝土抗凍性測試方法。參照GB/T 50082—2009 中4.2 條快凍法，測定混凝土試件在水凍水融條件下經(jīng)受的快速凍融循環(huán)次數(shù)，用來反映混凝土的抗凍性能。采用100 mm×100 mm×400 mm 的棱柱體試件，每組3塊，試件養(yǎng)護(hù)到56 d后進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝土拌和物性能

各組配合比混凝土的拌和物性能測試結(jié)果見表5，表中列出了減水劑和消泡劑的用量。

由表5可見：要保證各組配合比的混凝土保持大致相同的坍落度，摻加了3 種纖維后對減水劑的需求量都略有提高，但提高幅度不大。這說明如果采用相同的減水劑摻量，摻纖維混凝土的坍落度會略有降低。但當(dāng)纖維摻量較大時，如BF-3.0對減水劑的需求量增加會大些，增加了約12.5%，同時為了保證該組混凝土與其他組混凝土有大致相同的含氣量，還需加入0.37 g/20L的消泡劑。這說明玄武巖纖維摻量較大時會降低混凝土的坍落度，增加混凝土的含氣量。

表5 混凝土拌和物性能測試結(jié)果

2.2 力學(xué)性能

各組配合比混凝土3，7，28 d 的抗壓強(qiáng)度見表6。各組配合比混凝土7，28 d的抗折強(qiáng)度見表7。

表6 混凝土不同齡期抗壓強(qiáng)度

表7 混凝土不同齡期抗折強(qiáng)度

由表6可見，摻加3 種纖維后對混凝土抗壓強(qiáng)度沒有明顯影響。由表7可見：與基準(zhǔn)混凝土相比，混凝土中摻加了玄武巖纖維后，抗折強(qiáng)度沒有明顯變化；混凝土中摻加了聚丙烯腈纖維和聚乙烯醇纖維后，混凝土抗折強(qiáng)度有一定程度的降低，摻聚丙烯腈纖維混凝土28 d 齡期時抗折強(qiáng)度降低了14%，摻聚乙烯醇纖維混凝土28 d齡期時抗折強(qiáng)度降低了12%。

玄武巖纖維是親水性的無機(jī)纖維，與水泥混凝土有良好的相容性，不會在纖維周圍形成缺陷區(qū)，聚丙烯腈纖維和聚乙烯醇纖維是憎水性的有機(jī)纖維，在纖維周圍形成微小的泌水區(qū)，增加了混凝土內(nèi)部的微缺陷，因此摻聚丙烯腈纖維和聚乙烯醇纖維的混凝土抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土有所降低。

2.3 抗裂性能

混凝土抗裂性能采用平板開裂試驗(yàn)方法進(jìn)行評價(jià)，抗裂板裂縫的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表8?；炷疗桨蹇沽言囼?yàn)的試件見圖1。

表8 抗裂板裂縫的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1 混凝土平板抗裂試驗(yàn)的試件

由表8和圖1可見：單摻3種纖維均降低了混凝土單位面積上的總開裂面積，其中摻玄武巖纖維和摻聚丙烯腈纖維的抗裂性優(yōu)于摻聚乙烯醇纖維?；鶞?zhǔn)混凝土JZ出現(xiàn)了3條裂縫，裂縫最大寬度為0.80 mm；摻玄武巖纖維混凝土BF-1.5出現(xiàn)了1條裂縫，裂縫最大寬度為0.62 mm，裂縫降低系數(shù)為0.33；摻玄武巖纖維混凝土BF-3.0出現(xiàn)了1 條裂縫，裂縫最大寬度為0.43 mm，裂縫降低系數(shù)為0.61；摻聚丙烯腈纖維混凝土PANF-1.0 也出現(xiàn)了1 條裂縫，裂縫最大寬度為0.52 mm，裂縫降低系數(shù)為0.45；摻聚乙烯醇纖維混凝土PAVF-1.0出現(xiàn)了4條裂縫，最大裂縫寬度為0.40 mm，裂縫降低系數(shù)為0.18。

纖維在混凝土拌制過程中分散為絮狀單絲結(jié)構(gòu)，在混凝土中交錯雜亂分布，并于混凝土內(nèi)部形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在混凝土早期收縮過程中，混凝土中微裂縫的發(fā)展必然受到纖維的有效約束和阻擋，從而抑制了微裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。

2.4 耐久性能

摻玄武巖纖維、聚丙烯腈纖維和聚乙烯醇纖維混凝土28，56 d齡期的電通量試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 混凝土電通量試驗(yàn)結(jié)果 C

由表9可見：混凝土中摻入玄武巖纖維對混凝土電通量沒有明顯影響；混凝土中摻入聚丙烯腈纖維或聚乙烯醇纖維會略增大混凝土的電通量。電通量的大小間接反映了混凝土的密實(shí)程度。玄武巖纖維是親水性的無機(jī)纖維，其與水泥混凝土有良好的相容性，在纖維周圍不會生成泌水、微孔等缺陷區(qū)，因此不會影響混凝土的密實(shí)度。聚丙烯腈纖維和聚乙烯醇纖維是憎水性的有機(jī)纖維，會在纖維周圍形成微小的泌水區(qū)，可能會影響混凝土的密實(shí)度，從而增大混凝土的電通量。

用凍融循環(huán)后混凝土試件的相對動彈性模量來表征混凝土抗凍性能的優(yōu)劣。混凝土抗凍等級以相對動彈模量下降至60%時的最大凍融循環(huán)次數(shù)確定，并用符號F表示。不同配合比混凝土的抗凍性能變化曲線見圖2。

圖2 不同配合比混凝土的抗凍性能變化曲線

由圖2可見：與基準(zhǔn)混凝土相比，摻加了3 種纖維后，混凝土的抗凍性能都得到了明顯提高，其中摻玄武巖纖維和摻聚丙烯腈纖維的混凝土抗凍性優(yōu)于摻聚乙烯醇纖維?；鶞?zhǔn)混凝土凍融循環(huán)到150 次后，相對動彈性模量開始急速下降，凍融循環(huán)到200次時，相對動彈性模量為66.6%，凍融循環(huán)到225次時，相對動彈性模量已降低至51.5%，因此基準(zhǔn)混凝土的抗凍等級為F200?；炷林袚郊恿诵鋷r纖維后，凍融循環(huán)到300 次，玄武巖纖維摻量分別為1.5，3.0 kg/m3時，混凝土的相對動彈性模量分別為64.8%，62.1%，因此摻玄武巖纖維混凝土的抗凍等級為F300，玄武巖纖維摻量的增加對混凝土抗凍性沒有明顯影響?；炷林袚郊恿司郾╇胬w維后，當(dāng)凍融循環(huán)到300次時，混凝土的相對動彈性模量為60.4%，因此摻聚丙烯腈纖維的混凝土抗凍等級也為F300。摻加了聚乙烯醇纖維后，當(dāng)凍融循環(huán)到300次時，混凝土的相對動彈性模量已下降至60%以下，其抗凍等級為F250。

在基準(zhǔn)混凝土中，隨著凍融次數(shù)的增加水泥漿體結(jié)構(gòu)疏松程度逐漸增大，水化硅酸鈣C-S-H 凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)逐漸破壞，孔洞和裂縫數(shù)量逐漸增多，混凝土結(jié)構(gòu)損傷程度增大。在混凝土中摻加了纖維后，纖維在混凝土中呈三維亂向分布，可減少混凝土內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生以及緩解微裂紋的連通擴(kuò)展。在凍融循環(huán)過程中，水泥漿結(jié)構(gòu)被破壞的程度減弱，使微裂縫和孔洞生成的數(shù)量相對減少，有利于提高混凝土的抗凍性。

3 結(jié)論

1）混凝土中摻入玄武巖纖維、聚丙烯腈纖維或聚丙烯醇纖維均會降低混凝土的坍落度，但降低幅度不大，對混凝土含氣量影響也不大。

2）玄武巖纖維對混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度影響均不大，聚丙烯腈纖維和聚乙烯醇纖維對混凝土抗壓強(qiáng)度影響不大，但會降低混凝土的抗折強(qiáng)度，28 d齡期時抗折強(qiáng)度降低約10%。

3）摻入3種纖維對混凝土早期開裂均有明顯的抑制作用。玄武巖纖維和聚丙烯腈纖維對混凝土早期開裂的抑制效果優(yōu)于聚乙烯醇纖維。當(dāng)玄武巖纖維摻量為3.0 kg/m3時，混凝土裂縫降低系數(shù)可達(dá)0.61。

4）混凝土中摻入玄武巖纖維，對混凝土電通量沒有明顯影響，摻入聚丙烯腈纖維或聚乙烯醇纖維略增大混凝土的電通量。摻入3種纖維均可有效提高混凝土的抗凍性，玄武巖纖維和聚丙烯腈纖維對混凝土抗凍性的提高效果優(yōu)于聚乙烯醇纖維。