玄武巖纖維對混凝土性能的影響研究

引言

纖維混凝土是指在混凝土中摻入纖維來滿足混凝土多樣化性能要求[1-3]。隨著近年來建筑行業的迅速發展，對特殊性能混凝土的要求及需求不斷提高，摻加纖維作為一種技術手段，逐步應用于橋梁、水利、市政等行業的工程建設中，改善或強化混凝土性能[4-5]，解決工程設計與施工的難題。現在市場上纖維的種類很多，相比于傳統的鋼纖維、聚丙烯粗纖維等，玄武巖纖維憑借其自身材料特性的優勢，與混凝土具有良好的適應性，并且在混凝土高溫穩定性、耐久性、彈性模量、抗拉性能等方面具有顯著優勢[6-7]。目前，在不同的工程中，基于不同的原材料，對纖維混凝土的力學性能、耐久性能等均有較多研究，賀正波等[8]對玄武巖纖維單軸受壓破壞過程進行有限元模擬，分析了纖維摻量對抗壓強度的提高效果，并從裂紋擴展機理證明了纖維對混凝土韌性的改善。但現研究中對使用同種原材料不同種纖維的混凝土性能對比研究卻較少。本文通過改變玄武巖纖維摻量，了解玄武巖纖維摻量的變化對混凝土性能的影響；在此基礎上，對同一組混凝土配合比，分別摻加玄武巖纖維、鋼纖維、聚丙烯纖維，對不同種纖維的使用效果進行力學性能、耐久性能對比，分析不同種類纖維對混凝土性能的影響，為不同工程中纖維的選擇與使用提供技術參考。

1 材料與方法

1.1試驗材料

纖維混凝土的組成材料包括膠凝材料、骨料、水、外加劑和纖維。膠凝材料使用水泥和粉煤灰，其中水泥使用河南省太陽石集團水泥有限公司生產的P·O 42.5水泥，其密度為3.11g/cm3；粉煤灰使用平頂山姚孟電力有限公司生產的F類II級粉煤灰，其密度為2.24kg/m3；骨料包含粗、細骨料，其中細骨料使用濟源五星砂廠生產的人工砂和天然砂，其表觀密度為2.69g/cm3，以質量比8∶2進行混合；粗骨料使用洛陽市生產的5~20mm的人工碎石，其表觀密度2.69g/cm3，由粒徑為5~10mm和10~20mm人工碎石以質量比5∶5混合而成；減水劑使用中國水電十一局有限公司混凝土外加劑廠生產的SN-JG緩凝型高性能減水劑；拌合用水使用自來水，其密度取1.00g/cm3。分別選擇玄武巖纖維、鋼纖維、聚丙烯粗纖維作為研究對象，進行試驗。

本次研究使用的玄武巖纖維（編號X）為片狀，長度約29mm，寬度約3.0mm，密度為2.62g/cm3，在混凝土攪拌過程中，可分解為直徑為0.16mm的細絲，均勻分布于混凝土中，試驗摻量選擇3kg/m3和6kg/m3。由于鋼纖維種類較多且使用廣泛，本次選擇端鉤型鋼纖維（編號G1）和波浪形鋼纖維（編號G2）進行試驗，密度為7.80g/cm3，其中G1長度約31mm，直徑約0.80mm，G2長度約40mm，寬度約2.2mm，厚度約0.60mm，試驗中鋼纖維摻量均為50kg/m3。聚丙烯粗纖維（編號J）密度為0.91g/cm3，其長度約29mm，直徑約0.68mm，試驗摻量為3kg/m3。使用的4種纖維形態如圖1所示。

1.2 試驗方法

首先設計強度等級為C30，坍落度140~180mm，且具有一定抗凍、抗滲性能的混凝土。并對混凝土的性能進行檢測，混凝土性能主要依據公路行業標準進行檢測，其中混凝土拌合物性能主要檢測坍落度、密度、含氣量，硬化混凝土性能主要檢測抗壓強度、抗折強度、抗拉強度、劈裂抗拉強度、抗凍性能、抗滲性能等。

然后使用不同摻量的玄武巖纖維，對推薦得出的C30纖維混凝土配合比進行拌合物性能、力學性能、耐久性能的檢測，并對比玄武巖纖維與鋼纖維、聚丙烯粗纖維及不摻加纖維的混凝土性能差異。由于不同種類纖維的使用，混凝土拌合物性能會產生較大的變化，通過調整外加劑摻量、砂率等指標，使混凝土拌合物狀態保持一致，在此基礎上，進行硬化混凝土性能的檢測。

1.3 玄武巖纖維混凝土配合比

C30混凝土強度標準差為5.0MPa，確定混凝土配制強度為38.2MPa；配合比采用體積法計算，為保證混凝土具有良好的抗凍性能，控制混凝土含氣量為（5.5±1.0）%，基準混凝土水膠比經計算選擇0.40，粉煤灰摻量為20%。經試拌，砂率確定為44%，玄武巖纖維摻量3kg/m3，減水劑摻量2.3%，引氣劑摻量0.007%。

在混凝土基準配合比參數的基礎上，將水膠比增減0.05、砂率相應增減1%進行混凝土配合比試拌，試拌混凝土配合比見表1。

為保證玄武巖纖維在混凝土中分布均勻，摻加玄武巖纖維的混合料干拌時間不應少于2min，加水拌合時間不應少于2min。經試拌，混凝土拌合物坍落度分布在150~160mm，容重分布在2290~2310kg/m3，含氣量分布在5.0%~6.0%，符合拌合物的性能要求。對試拌配合比成型并檢測抗壓強度，得出28d抗壓強度與膠水比的回歸曲線如圖2所示。

2 結果與分析

2.1 纖維對混凝土配合比的影響

使用不同摻量的玄武巖纖維，對推薦得出的C30混凝土配合比進行拌合物性能、力學性能、耐久性能的檢測，并對比玄武巖纖維與鋼纖維、聚丙烯粗纖維及不摻加纖維的混凝土性能差異。由于不同種類纖維的使用，混凝土拌合物性能會產生較大的變化，通過調整外加劑摻量、砂率等指標，使混凝土拌合物狀態保持一致，在此基礎上，進行硬化混凝土性能的檢測。

拌合使用的混凝土配合比見表3。

可以看出，纖維的加入，影響了混凝土配合比的參數，為達到基本一致的拌合物狀態，玄武巖纖維摻量從3kg/m3增長至6kg/m3時，所需砂率、減水劑增加，引氣劑減少；整體上看，玄武巖纖維的加入，增加了每立方米混凝土減水劑用量，提高了混凝土砂率，減少了引氣劑的用量。

2.2 纖維對混凝土拌合物性能的影響

按照表3混凝土配合比進行拌合，并對混凝土進行拌合物性能檢測，結果見表4。

由表4可以看出，纖維的加入，會在一定程度上提高混凝土的含氣量，降低引氣劑的摻量，玄武巖摻量的增加，混凝土含氣量有明顯增大的趨勢；混凝土的容重分布于2290~2350kg/m3，玄武巖纖維的加入，降低了混凝土的容重，而鋼纖維的加入，提高了混凝土的容重；坍落度分布在150~165mm，含氣量分布于5.0%~6.0%，通過混凝土配合比參數的調整，所得混凝土拌合物狀態基本相同。

2.3 纖維對混凝土力學性能的影響

混凝土力學性能選擇抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度、抗拉強度進行試驗，抗壓強度采用7d、28d齡期，其余力學性能采用28d齡期。抗壓強度試驗采用100mm×100mm×100mm的立方體試件，尺寸換算系數為0.95；抗折強度試驗采用100mm×100mm×400mm的長方體試件，尺寸換算系數為0.85；劈裂抗拉強度試驗采用150mm×150mm×150mm的立方體標準試件；軸向拉伸試驗采用GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》中的a型試件，試件中間截面尺寸為100mm×100mm。經檢測，混凝土力學性能試驗結果如圖3、圖4所示。

由圖3可以看出，纖維的加入不利于混凝土的早期抗壓強度，延緩了混凝土強度增長趨勢，表現為摻加纖維的混凝土7d抗壓強度均小于未摻加纖維的混凝土，摻加纖維的混凝土7d抗壓強度僅可達到28d抗壓強度的60%左右，而未摻加纖維的混凝土7d抗壓強度達到28d抗壓強度的79%。除使用6kg/m3的玄武巖纖維混凝土之外，其余摻加纖維的混凝土28d抗壓強度均大于未摻加纖維的混凝土，28d抗壓強度由高到低依次為G1＞G2＞J＞X1＞W＞X2，鋼纖維在提高混凝土抗壓強度過程中具有最優效果，可將強度提高20%以上。

可以看出，混凝土抗彎拉強度與劈裂抗拉強度從高到低依次為G1＞G2＞J＞X1＞W＞X2，與抗壓強度規律保持一致，與未摻加纖維的混凝土相比，鋼纖維可使抗彎拉強度和劈裂抗拉強度提高15%左右；軸向拉伸強度從高到低依次為G2＞J＞G1＞X2＞X1＞W，摻加纖維的混凝土軸向拉伸強度均大于未摻加纖維的混凝土，較未摻加纖維的混凝土，鋼纖維可使軸向拉伸強度提高10%以上。

從上述結果分析可得，摻加3kg/m3玄武巖纖維的混凝土，較未摻加纖維的混凝土，抗壓強度提高9%，抗彎拉強度提高4%，劈裂抗拉強度提高2%，軸向抗拉強度提高7%；較端鉤型鋼纖維混凝土，抗壓強度降低11%，抗彎拉強度降低9%，劈裂抗拉強度降低13%，軸向拉伸強度降低5%；較波浪形鋼纖維混凝土，抗壓強度降低9%，抗彎拉強度降低6%，劈裂抗拉強度降低10%，軸向抗拉強度降低10%；較聚丙烯粗纖維混凝土，抗壓強度降低3%，抗彎拉強度降低4%，劈裂抗拉強度降低1%，軸向抗拉強度降低7%。玄武巖纖維摻量由3kg/m3增加至6kg/m3時，需相應增加混凝土砂率，提高了混凝土的含氣量，除軸向抗拉強度增長4%外，其余混凝土強度均有所降低，其中28d抗壓強度降低12%，抗彎拉強度降低7%，劈裂抗拉強度降低11%。

2.4 纖維對混凝土耐久性能的影響

混凝土耐久性能選擇抗滲性、抗凍性進行檢測，抗滲性能檢測采用上口直徑175mm、下口直徑185mm、高150mm的圓臺體試件，成型后在混凝土終凝前，需對試件上下表面進行刷毛處理；抗凍性能檢測采用100mm×100mm×400mm的棱柱體試件，混凝土試件采用28d齡期。抗滲采用一次加壓法，對比在水壓為0.8MPa的條件下恒壓24h的混凝土滲水高度。抗凍性能采用快凍法檢測，抗凍等級以F200控制，對比分析混凝土凍融循環至200次時混凝土試件的相對動彈性模量及質量損失率。可以看出，玄武巖纖維混凝土表現出較為優異的耐久性能。從滲水高度可以看出，抗滲性能的優劣從高到低依次為X1＞A＞X2＞G2＞G1＞J，纖維加入并不能顯著提高混凝土抗滲性能，相反，較粗的鋼纖維及聚丙烯纖維的加入降低了混凝土的抗滲性能。在抗滲試驗完成后，從劈開的混凝土試件上可以看出，未摻加纖維的和摻加玄武巖纖維的混凝土滲透高度比較均勻，近似于一條平行于底面的線，摻加3kg/m3玄武巖纖維的混凝土試件劈開后內部滲水高度如圖5所示；摻加鋼纖維和聚丙烯粗纖維的混凝土內部滲水高度有較大差異，有水順著纖維向混凝土內部滲透的跡象。

混凝土凍融循環后動彈性模量和質量損失率可以看出，抗凍性能均符合F200的技術要求，其優劣從高到低依次為X2＞X1＞A＞G2＞G1＞J。較未摻加纖維的混凝土，玄武巖纖維可以有效提高混凝土的抗凍性能，動彈性模量可提高5%左右，質量損失率可降低40%以上；鋼纖維和聚丙烯粗纖維的使用降低了混凝土的抗凍融效果，動彈性模量降低5%以上，質量損失率增加50%以上。

玄武巖纖維摻量由3kg/m3增加至6kg/m3時，混凝土抗滲性能略有降低，但抗凍效果略有提高。

結論

本文摻加玄武巖纖維進行了C30混凝土配合比設計，推薦得出的C30玄武巖纖維混凝土配合比符合設計要求，具有良好的抗凍、抗滲性能。以此配合比為基礎，對比分析了摻加玄武巖纖維與鋼纖維、聚丙烯粗纖維及不摻加纖維對混凝土性能的影響，得出以下結論：

（1）纖維的使用改變了混凝土的拌合物性能，為達到基本一致的拌合物狀態，混凝土中摻加纖維后，需增加每立方米混凝土的減水劑用量，提高混凝土砂率，減少引氣劑的用量。

（2）纖維的使用改變了混凝土的力學性能，同種條件下纖維的加入，延緩了混凝土強度增長規律，不利于混凝土早期強度的形成，但纖維混凝土的力學性能優于普通混凝土，摻加玄武巖纖維的混凝土較鋼纖維、聚丙烯粗纖維的混凝土力學性能差。

（3）玄武巖纖維的使用可改善混凝土的耐久性能，且其使用效果明顯優于鋼纖維和聚丙烯粗纖維。

（4）玄武巖纖維由3kg/m3增加至6kg/m3時，就拌合物而言，需增加混凝土的砂率，提高減水劑用量，減少引氣劑用量；就硬化混凝土性能而言，力學性能有所降低，抗凍性能有所提高。因此，需根據使用環境，合理選擇玄武巖纖維摻量。