玄武岩纤维混凝土耐久性能试验研究

摘要：混凝土材料中存在抗拉强度低、脆性大、易收缩开裂等诸多缺陷，从而对公路、桥梁、隧道等工程的施工及使用产生诸多负面影响。试验基于玄武岩纤维的稳定性好、价格适宜等特点，研究不同种类的玄武岩纤维对混凝土耐久性能的影响，且将其与基准混凝土和聚丙烯混凝土的相应性能作对比。研究结果表明玄武岩纤维的加入降低了混凝土收缩开裂趋势，使混凝土的渗透性略有降低。

关键词：玄武岩纤维　耐久性　抗裂性　抗渗性　抗冻性

中图分类号：P62　文献标识码：A　文章编号：1007-3973(2011)004-074-03

普通混凝土以易浇筑成型、成本低、耐久性较好等优点被广泛应用于交通工程的各个领域。对于脆性材料的混凝土结构来说，不仅要具有足够的强度，还应具有优异的耐久性和安全可靠性，用以抵御不同环境下、不同介质对材料产生的各种不利影响，以提高材料的安全性、延长寿命。因此提高混凝土耐久性，对延长公路、桥梁、隧道等结构物的使用年限、节约国家投资，具有重要的现实意义和长远意义。

玄武岩纤维是一种新的混凝土增强材料，由天然玄武岩矿石经1450-1500℃熔融后，通过铂锗合金漏板拉丝而成，具有天然的相容性和优越的力学性能，它是一种纯天然的无机非金属材料。玄武岩纤维混凝土是将玄武岩纤维用水泥净浆包裹，再与混凝土搅拌而制成，具有良好的物理、力学性能。本文主要研究不同种类玄武岩纤维、聚丙烯纤维对混凝土耐久性的影响，其中包括抗裂性能、抗冻性、抗渗性等。

1　试验设计

1.1原材料

试验所用原材料主要为水泥、集料、矿物掺合料、玄武岩纤维和外加剂等。水泥为哈尔滨水泥厂生产的天鹅牌E042.5水泥。粉煤灰为哈尔滨第三发电厂生产的I级粉煤灰。减水剂选用上海花王化学有限公司生产Mighty 100萘系高效减水剂。

本试验所用玄武岩纤维均由四川省航天拓鑫玄武岩实业有限公司生产短切纱纤维，长度为25mm，直径为18um，其中玄I类纤维是经常规加工制造而得，玄II类纤维对普通玄武岩纤维采用硬质丙烯酸树脂改性后加工而成。试验所用聚丙烯纤维为江苏丹阳合成纤维厂生产的“丹阳丝”聚丙烯纤维。

1.2试件配合比

(1)水灰比0.42：

(2)玄I类纤维、玄II类纤维、聚丙烯纤维掺量分别为2.8、2.8、0.9 kg／m3；

(3)粉煤灰掺量：按水泥质量的10％掺入：

(4)减水剂掺量：按水泥质量的1％掺入。

1.3试验设备

抗渗试验所用装置为NJW-RCP-9A型砼氯离子电通量测定仪，冻融试验所用设备为NJW-HDK微机全自动混凝土快速冻融试验设备，开裂用试验模具为53mm高的型钢，尺寸为600～600～53mm，如图1所示。

1.4试验方法

1.4.1抗裂实验

试验所用试件为600x600x53mm3试件，J(普通混凝土)、Xl(玄I类纤维混凝土)、X2(玄II类纤维混凝土)、JX(聚丙烯纤维混凝土)试件分别成型1联，实验步骤如下：

试件浇注、振实、抹平后立即用塑料薄膜覆盖，环境温度30℃，相对湿度60％：2h后将塑料薄膜取下，用电风扇吹混凝土表面，风速8m／s：记录试件开裂时间、裂缝数量、裂缝长度和宽度。从浇注起，记录至24小时。

1.4.2抗渗性实验

试验所用试件为O100~50mm2试件IJ、XI、X2、JX配合比试件分别成型3联，养护龄期为28天，标准养护，试验步骤如下：

(1)电通量试验一般在28d龄期进行。

(2)真空饱水是保证各种试件处于相同或者基本相同条件的关键步骤。

(3)安装试件。

(4)灌注阴极和阳极溶液时应先在溶液槽或者试验槽上用防水笔做上标记，然后按照标记分别将有关电极连接到电源的正负极上。

(5)通过试件的电流是电通量方法测试的主要数据，直接根据电流表显示的读数记录电流值。

1.4.3抗冻性能试验

试验所用的试件均为lOOxlOOx400mm。试件IJ、X1、X2、JX配合比试件分别成型3联，养护龄期为28天，标准养护，步骤如下：

(1)试件在28d龄期时开始冻融试验。冻融试验前四天把试件取出在温度为15-20~C的水中浸泡(包括测温试件)，4d后进行冻融试验；

(2)浸泡完毕后，取出试件，用湿布擦除表面水分，称重，并测定其横向基频的初始值；

(3)把试件盒放入冻融箱内，开始冻融循环；

(4)试件每隔25次循环作一次称量与横向基频测量，试件的测量、称量及外观检查应尽量迅速，以免水分损失。

2　试验结果与分析

2.1玄武岩纤维对混凝土抗裂性能的影响

收缩与开裂是混凝土应用过程中最明显的两个弊病，本文试验利用8m／s的风速制造开裂环境，通过对比几类纤维混凝土的初始开裂时间、同等时间下的裂纹条数和面积来研究玄武岩纤维对混凝土抗裂性能的影响规律。由表1的实验数据可看出，与基准混凝土的初始开裂时间6.67h相比，玄I类纤维、玄II类纤维的加入均使开裂时间延长了约一倍，聚丙烯纤维混凝土的开裂时间虽较玄武岩纤维混凝土短，但也较基准混凝土延长了67.6％；玄武岩纤维的加入使混凝土表面的开裂面积缩小约30％，但改善程度不及聚丙烯纤维；从单位面积的裂缝条数看，由于玄I类纤维的加入使混凝土表面微裂缝剧增，致使其数量较基准混凝土和其它纤维混凝土都大，玄II类纤维混凝土单位面积裂缝条数最少，较基准混凝土减少了52，3％，而聚丙烯纤维在此方面对混凝土并无明显改变；从单位面积的总开裂面积来看，玄I类纤维的加入使混凝土开裂面积扩大16.8％，而玄II类纤维与聚丙烯纤维都对开裂面积有很好的改善作用，其中玄II类纤维混凝土较基准缩小65.8％，聚丙烯纤维混凝土较基准缩小51.4％。从总体看来，纤维的加入使混凝土的开裂情况改善。

2.2玄武岩纤维对混凝土抗渗性能的影响

混凝土的渗透性对混凝土耐久性起着重要的作用，因为渗透性控制着水分渗入的速率，这些水可能含有侵蚀性的化合物，同时也控制混凝土过程中受热或冰冻时水的移动。本试验利用电通量法测定混凝土中的电量流动，从而得出玄武岩纤维对混凝土渗透性的影响规律，实验结果如图2所示，玄武岩纤维的加入并未使混凝土的渗透情况改善，其中玄I类纤维使混凝土渗透性下降6.8％，玄II类纤维仅使混凝土电通量值升高0.3％；相对玄武岩纤维，聚丙烯纤维对混凝土渗透性的改善作用较为明显，其使混凝土电通量值降低30.3％。经分析可以得出玄武岩纤维在使混凝土内形成通道，从而增加了混凝土的渗透性，使电通量值升高。

2.3玄武岩纤维对混凝土抗冻性能的影响

冻融破坏是混凝土结构在运行过程中产生的主要病害之一。我国北方寒冷地区的混凝土结构物经常由于冻融循环作用而发生不同程度的破坏。冻融质量损失变化曲线如图3所示，基准混凝土的质量损失随冻融次数变化较平缓，到75次时甚至出现负增长，这可能是因为称取质量时混凝土在冻融过程中所吸收的水分并未完全蒸发，从而为质量计数造成一定的误差。相对基准混凝土，玄I类纤维混凝土质量损失稍明显，到75次时其质量损失约0.047kg，而玄II类纤维混凝土相对前两者曲线斜率最大，到75次时质量损失约0.102kg：从相对动弹性模量的变化来看，玄武岩纤维对混凝土的影响如图4所示，基准混凝土的相对动弹模曲线变化平稳，在冻融75次时仅下降了4.8％，而玄I类、玄II类纤维混凝土在冻融75次时相对动弹模分别下降5.2％、5.4％，下降的程度与速度较基准混凝土有明显的增加。

3　结论

本文主要研究了玄武岩纤维对混凝土耐久性能的影响，通过抗裂、抗渗、抗冻等实验得出其影响规律，主要表现在以下几方面：

(1)玄武岩纤维使混凝土开裂时间延长、抗裂等级提高，同样条件下较基准混凝土裂纹情况明显改善，但玄I类纤维混凝土表面出现较多微裂缝，开裂情况不及聚丙烯纤维混凝土，玄II类纤维混凝土开裂情况较其它混凝土都更好。

(2)玄I类在混凝土中形成通道，使混凝土渗透性增大6.8％，玄II类纤维使混凝土渗透性降低0.3％，而聚丙烯纤维的加入使混凝土内裂缝更细化，渗透性减小。

(3)据当前试验结果，玄武岩纤维使混凝土在冻融过程中质量、相对动弹性模量降低幅度较基准混凝土大，其中玄I类纤维对混凝土抗冻性能的影响较玄II类纤维更大。