玄武岩纤维对混凝土性能的影响研究

引言纤维混凝土是指在混凝土中掺入纤维来满足混凝土多样化性能要求[1-3]。随着近年来建筑行业的迅速发展，对特殊性能混凝土的要求及需求不断提高，掺加纤维作为一种技术手段，逐步应用于桥梁、水利、市政等行业的工程建设中，改善或强化混凝土性能[4-5]，解决工程设计与施工的难题。现在市场上纤维的种类很多，相比于传统的钢纤维、聚丙烯粗纤维等，玄武岩纤维凭借其自身材料特性的优势，与混凝土具有良好的适应性，并且在混凝土高温稳定性、耐久性、弹性模量、抗拉性能等方面具有显著优势[6-7]。目前，在不同的工程中，基于不同的原材料，对纤维混凝土的力学性能、耐久性能等均有较多研究，贺正波等[8]对玄武岩纤维单轴受压破坏过程进行有限元模拟，分析了纤维掺量对抗压强度的提高效果，并从裂纹扩展机理证明了纤维对混凝土韧性的改善。但现研究中对使用同种原材料不同种纤维的混凝土性能对比研究却较少。本文通过改变玄武岩纤维掺量，了解玄武岩纤维掺量的变化对混凝土性能的影响；在此基础上，对同一组混凝土配合比，分别掺加玄武岩纤维、钢纤维、聚丙烯纤维，对不同种纤维的使用效果进行力学性能、耐久性能对比，分析不同种类纤维对混凝土性能的影响，为不同工程中纤维的选择与使用提供技术参考。1、材料与方法

1.1试验材料

纤维混凝土的组成材料包括胶凝材料、骨料、水、外加剂和纤维。胶凝材料使用水泥和粉煤灰，其中水泥使用河南省太阳石集团水泥有限公司生产的P·O42.5水泥，其密度为3.11g/cm3；粉煤灰使用平顶山姚孟电力有限公司生产的F类II级粉煤灰，其密度为2.24kg/m3；骨料包含粗、细骨料，其中细骨料使用济源五星砂厂生产的人工砂和天然砂，其表观密度为2.69g/cm3，以质量比8∶2进行混合；粗骨料使用洛阳市生产的5~20mm的人工碎石，其表观密度2.69g/cm3，由粒径为5~10mm和10~20mm人工碎石以质量比5∶5混合而成；减水剂使用中国水电十一局有限公司混凝土外加剂厂生产的SN-JG缓凝型高性能减水剂；拌合用水使用自来水，其密度取1.00g/cm3。分别选择玄武岩纤维、钢纤维、聚丙烯粗纤维作为研究对象，进行试验。本次研究使用的玄武岩纤维（编号X）为片状，长度约29mm，宽度约3.0mm，密度为2.62g/cm3，在混凝土搅拌过程中，可分解为直径为0.16mm的细丝，均匀分布于混凝土中，试验掺量选择3kg/m3和6kg/m3。由于钢纤维种类较多且使用广泛，本次选择端钩型钢纤维（编号G1）和波浪形钢纤维（编号G2）进行试验，密度为7.80g/cm3，其中G1长度约31mm，直径约0.80mm，G2长度约40mm，宽度约2.2mm，厚度约0.60mm，试验中钢纤维掺量均为50kg/m3。聚丙烯粗纤维（编号J）密度为0.91g/cm3，其长度约29mm，直径约0.68mm，试验掺量为3kg/m3。使用的4种纤维形态如图1所示。图1

纤维形态图1.2试验方法首先设计强度等级为C30，坍落度140~180mm，且具有一定抗冻、抗渗性能的混凝土。并对混凝土的性能进行检测，混凝土性能主要依据公路行业标准进行检测，其中混凝土拌合物性能主要检测坍落度、密度、含气量，硬化混凝土性能主要检测抗压强度、抗折强度、抗拉强度、劈裂抗拉强度、抗冻性能、抗渗性能等。然后使用不同掺量的玄武岩纤维，对推荐得出的C30纤维混凝土配合比进行拌合物性能、力学性能、耐久性能的检测，并对比玄武岩纤维与钢纤维、聚丙烯粗纤维及不掺加纤维的混凝土性能差异。由于不同种类纤维的使用，混凝土拌合物性能会产生较大的变化，通过调整外加剂掺量、砂率等指标，使混凝土拌合物状态保持一致，在此基础上，进行硬化混凝土性能的检测。

1.3玄武岩纤维混凝土配合比C30混凝土强度标准差为5.0MPa，确定混凝土配制强度为38.2MPa；配合比采用体积法计算，为保证混凝土具有良好的抗冻性能，控制混凝土含气量为（5.5±1.0）%，基准混凝土水胶比经计算选择0.40，粉煤灰掺量为20%。经试拌，砂率确定为44%，玄武岩纤维掺量3kg/m3，减水剂掺量2.3%，引气剂掺量0.007%。在混凝土基准配合比参数的基础上，将水胶比增减0.05、砂率相应增减1%进行混凝土配合比试拌，试拌混凝土配合比见表1。表1

混凝土试拌配合比原材料用量为保证玄武岩纤维在混凝土中分布均匀，掺加玄武岩纤维的混合料干拌时间不应少于2min，加水拌合时间不应少于2min。经试拌，混凝土拌合物坍落度分布在150~160mm，容重分布在2290~2310kg/m3，含气量分布在5.0%~6.0%，符合拌合物的性能要求。对试拌配合比成型并检测抗压强度，得出28d抗压强度与胶水比的回归曲线如图2所示。图2

28d抗压强度与胶水比的关系曲线图由图2回归方程，计算C30玄武岩纤维混凝土配合比的水胶比为0.41，得出符合设计要求的C30玄武岩纤维混凝土配合比见表2。表2

符合设计要求的C30玄武岩纤维混凝土配合比2、结果与分析

2.1纤维对混凝土配合比的影响使用不同掺量的玄武岩纤维，对推荐得出的C30混凝土配合比进行拌合物性能、力学性能、耐久性能的检测，并对比玄武岩纤维与钢纤维、聚丙烯粗纤维及不掺加纤维的混凝土性能差异。由于不同种类纤维的使用，混凝土拌合物性能会产生较大的变化，通过调整外加剂掺量、砂率等指标，使混凝土拌合物状态保持一致，在此基础上，进行硬化混凝土性能的检测。拌合使用的混凝土配合比见表3。表3

拌合混凝土配合比由表3可以看出，纤维的加入，影响了混凝土配合比的参数，为达到基本一致的拌合物状态，玄武岩纤维掺量从3kg/m3增长至6kg/m3时，所需砂率、减水剂增加，引气剂减少；整体上看，玄武岩纤维的加入，增加了每立方米混凝土减水剂用量，提高了混凝土砂率，减少了引气剂的用量。

2.2纤维对混凝土拌合物性能的影响按照表3混凝土配合比进行拌合，并对混凝土进行拌合物性能检测，结果见表4。由表4可以看出，纤维的加入，会在一定程度上提高混凝土的含气量，降低引气剂的掺量，玄武岩掺量的增加，混凝土含气量有明显增大的趋势；混凝土的容重分布于2290~2350kg/m3，玄武岩纤维的加入，降低了混凝土的容重，而钢纤维的加入，提高了混凝土的容重；坍落度分布在150~165mm，含气量分布于5.0%~6.0%，通过混凝土配合比参数的调整，所得混凝土拌合物状态基本相同。表4

混凝土拌合物性能检测结果2.3纤维对混凝土力学性能的影响混凝土力学性能选择抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度、抗拉强度进行试验，抗压强度采用7d、28d龄期，其余力学性能采用28d龄期。抗压强度试验采用100mm×100mm×100mm的立方体试件，尺寸换算系数为0.95；抗折强度试验采用100mm×100mm×400mm的长方体试件，尺寸换算系数为0.85；劈裂抗拉强度试验采用150mm×150mm×150mm的立方体标准试件；轴向拉伸试验采用GB/T50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》中的a型试件，试件中间截面尺寸为100mm×100mm。经检测，混凝土力学性能试验结果如图3、图4所示。

图3

混凝土抗压强度由图3可以看出，纤维的加入不利于混凝土的早期抗压强度，延缓了混凝土强度增长趋势，表现为掺加纤维的混凝土7d抗压强度均小于未掺加纤维的混凝土，掺加纤维的混凝土7d抗压强度仅可达到28d抗压强度的60%左右，而未掺加纤维的混凝土7d抗压强度达到28d抗压强度的79%。除使用6kg/m3的玄武岩纤维混凝土之外，其余掺加纤维的混凝土28d抗压强度均大于未掺加纤维的混凝土，28d抗压强度由高到底依次为G1＞G2＞J＞X1＞W＞X2，钢纤维在提高混凝土抗压强度过程中具有最优效果，可将强度提高20%以上。图4

混凝土抗弯拉强度、劈裂抗拉强度、轴向抗拉强度由图4可以看出，混凝土抗弯拉强度与劈裂抗拉强度从高到低依次为G1＞G2＞J＞X1＞W＞X2，与抗压强度规律保持一致，与未掺加纤维的混凝土相比，钢纤维可使抗弯拉强度和劈裂抗拉强度提高15%左右；轴向拉伸强度从高到低依次为G2＞J＞G1＞X2＞X1＞W，掺加纤维的混凝土轴向拉伸强度均大于未掺加纤维的混凝土，较未掺加纤维的混凝土，钢纤维可使轴向拉伸强度提高10%以上。从上述结果分析可得，掺加3kg/m3玄武岩纤维的混凝土，较未掺加纤维的混凝土，抗压强度提高9%，抗弯拉强度提高4%，劈裂抗拉强度提高2%，轴向抗拉强度提高7%；较端钩型钢纤维混凝土，抗压强度降低11%，抗弯拉强度降低9%，劈裂抗拉强度降低13%，轴向拉伸强度降低5%；较波浪形钢纤维混凝土，抗压强度降低9%，抗弯拉强度降低6%，劈裂抗拉强度降低10%，轴向抗拉强度降低10%；较聚丙烯粗纤维混凝土，抗压强度降低3%，抗弯拉强度降低4%，劈裂抗拉强度降低1%，轴向抗拉强度降低7%。玄武岩纤维掺量由3kg/m3增加至6kg/m3时，需相应增加混凝土砂率，提高了混凝土的含气量，除轴向抗拉强度增长4%外，其余混凝土强度均有所降低，其中28d抗压强度降低12%，抗弯拉强度降低7%，劈裂抗拉强度降低11%。

2.4纤维对混凝土耐久性能的影响混凝土耐久性能选择抗渗性、抗冻性进行检测，抗渗性能检测采用上口直径175mm、下口直径185mm、高150mm的圆台体试件，成型后在混凝土终凝前，需对试件上下表面进行刷毛处理；抗冻性能检测采用100mm×100mm×400mm的棱柱体试件，混凝土试件采用28d龄期。抗渗采用一次加压法，对比在水压为0.8MPa的条件下恒压24h的混凝土渗水高度。抗冻性能采用快冻法检测，抗冻等级以F200控制，对比分析混凝土冻融循环至200次时混凝土试件的相对动弹性模量及质量损失率。混凝土耐久性能检测结果见表5。表5

耐久性能检测结果表由表5可以看出，玄武岩纤维混凝土表现出较为优异的耐久性能。从渗水高度可以看出，抗渗性能的优劣从高到低依次为X1＞A＞X2＞G2＞G1＞J，纤维加入并不能显著提高混凝土抗渗性能，相反，较粗的钢纤维及聚丙烯纤维的加入降低了混凝土的抗渗性能。在抗渗试验完成后，从劈开的混凝土试件上可以看出，未掺加纤维的和掺加玄武岩纤维的混凝土渗透高度比较均匀，近似于一条平行于底面的线，掺加3kg/m3玄武岩纤维的混凝土试件劈开后内部渗水高度如图5所示；掺加钢纤维和聚丙烯粗纤维的混凝土内部渗水高度有较大差异，有水顺着纤维向混凝土内部渗透的迹象。图5

掺加3kg/m3玄武岩纤维混凝土试件内部渗水高度

由表5混凝土冻融循环后动弹性模量和质量损失率可以看出，抗冻性能均符合F200的技术要求，其优劣从高到低依次为X2＞X1＞A＞G2＞G1＞J。较未掺加纤维的混凝土，玄武岩纤维可以有效提高混凝土的抗冻性能，动弹性模量可提高5%左右，质量损失率可降低40%以上；钢纤维和聚丙烯粗纤维的使用降低了混凝土的抗冻融效果，动弹性模量降低5%以上，质量损失率增加50%以上。玄武岩纤维掺量由3kg/m3增加至6kg/m3时，混凝土抗渗性能略有降低，但抗冻效果略有提高。结论

本文掺加玄武岩纤维进行了C30混凝土配合比设计，推荐得出的C30玄武岩纤维混凝土配合比符合设计要求，具有良好的抗冻、抗渗性能。以此配合比为基础，对比分析了掺加玄武岩纤维与钢纤维、聚丙烯粗纤维及不掺加纤维对混凝土性能的影响，得出以下结论：（1）纤维的使用改变了混凝土的拌合物性能，为达到基本一致的拌合物状态，混凝土中掺加纤维后，需增加每立方米混凝土的减水剂用量，提高混凝土砂率，减少引气剂的用量。（2）纤维的使用改变了混