玄武岩纤维对混凝土的性能影响

乔天龙

（内蒙古工业大学土木工程学院， 呼和浩特 010051）

0 引言

混凝土的出现为社会的发展提供了极大的便利，但在某些方面其性能略显不足，为提高混凝土的各项性能指标，在其制备过程中掺加部分玄武岩纤维是目前有效手段之一。Peng Zhang等[1]对玄武岩纤维的微观结构进行分析，发现将其掺入混凝土中，纤维分布随机、无序形成的三维空间支撑体系，会增强混凝土的韧性。吴钊贤等[2]人通过试验得出，随玄武岩纤维掺量的增加，玄武岩纤维混凝土的抗压强度也逐渐增加，尤其早期强度提高明显。Long Yang等[3]研究发现混杂纤维混凝土，可以改善混凝土的孔隙结构，限制混凝土微裂缝的发育。杨建新等[4]研究发现通过改善混凝土的结构，增加混凝土的密实度，改变孔结构，使大孔变为小孔，或堵赛毛细孔通道，可以提高混凝土的抗渗能力。秦景燕等[5]研究发现混凝土抗渗性主要与孔隙率和孔隙特征有关，孔隙很小或含闭口孔隙的抗渗性较好，大孔且连通孔将使抗渗性降低。本文通过在混凝土中掺加不同含量的玄武岩纤维，分析其对混凝土抗压强度、孔隙结构及抗渗性的影响。

1 试验材料

水泥：P.O42.5普通硅酸盐水泥

细骨料：天然水洗河砂，密度为2650kg/m3，细度模数为2.45。

粗骨料：公称粒径5mm～15mm的粗骨料，密度为2750kg/m3。

水：普通自来水。

粉煤灰：采用内蒙古呼和浩特市金桥热电厂Ⅱ级粉煤灰。

减水剂：采用秦奋建材公司生产的液体均衡型聚羧酸系高性能减水剂，减水率为30%。

气密剂：采用湖北省祥发化工建材厂生产的混凝土防腐气密剂。

纤维：选用湖南长沙汇祥纤维有限公司生产的玄武岩纤维，纤维长度12mm，抗拉强度3000～4840Mpa。

2 试验方案与试验方法

2.1 试验方案

本次试验对普通混凝土和玄武岩纤维混凝土的抗渗性、抗压强度及微观结构进行对比分析，讨论玄武岩纤维对混凝土性能的影响。前期试验，通过坍落度及抗压强度确定混凝土各材料配合比，玄武岩纤维的掺量分别为0.1%，0.15%，0.2%，0.25%，0.3%（体积掺量）。具体配合比如表1：

表1 混凝土配合比Tab 1 Mix ratio of concrete kg/m3

2.2 试验方法

2.2.1 渗透试验

本次试验采用混凝土抗渗仪，试件尺寸为上口径175mm，下口径185mm，高150mm，试验时水压恒定控制为(1.2±0.1) MPa，24h后取出试件，将其沿着中间劈成两半，描出水痕，用直尺沿水痕等间距测量10个测点的渗水高度值，精确至1mm，其平均值即为该试件的渗水高度测定值。

2.2.2 抗压强度试验

试验采用300T压力机，试件尺寸为100mm×100mm×100mm，养护龄期分别为7d和28d。每组试验3个平行试块，以3个试件测定值的算术平均值作为该组试件的抗压强度值。

2.2.3 核磁共振试验

试验所用仪器为MesoMR23-060H-1低温高压核磁共振分析与成像系统，将制作好的40mm×40mm×40mm的立方体试块真空饱水24h，使水充分进入混凝土试块内部孔隙中，将试块放入仪器内，先定标后进行测量，分析混凝土内部孔隙结构变化。

3 试验结论

3.1 玄武岩纤维对混凝土抗压强度的影响

3.1.1 压力作用下混凝土试块的破坏情况

普通混凝士试件在加载过程中，随着竖向裂缝的出现和扩展，伴随着混凝土表面逐渐剥落碎片的现象，最终破坏迅速，图（a）为普通混凝土的破坏形态。而纤维混凝土试件，轴向压力作用下，混凝土四边出现破坏，由内向外膨胀，呈腰鼓状，变形是中间小，两端大，且变化是渐变的，属于均匀性变形。且加载过程中产生裂缝较少，破坏缓慢，试件表面几乎没有碎片脱落，试件破坏后仍然保持完整，也很少出现崩裂现象，图（b）为玄武岩纤维混凝土的破坏形态。可以看出，与普通混凝土相比，玄武岩纤维的掺加改变了试块受压状态下的破坏形态，在一定程度上有所增强。

图1 混凝土试块破坏情况Fig 1 Damage of concrete test block

3.1.2 纤维掺量对抗压强度的影响

养护时间为7d时，玄武岩纤维掺加0.1% ～0.15%，混凝土的抗压强度较普通混凝土有所降低，分别降低5%、4%，玄武岩纤维掺量大于0.2% 时，

混凝土的抗压强度较普通混凝土有所增加，在掺加0.3%时提升最大，提升了7%；养护时间为28d时玄武岩纤维混凝土的抗压强度均大于普通混凝土，当玄武岩纤维掺量为0.2%时，其对混凝土的抗压强度的增强效果最佳，最大增幅效果为11%。如图2为玄武岩纤维掺量不同时，在7d、28d养护龄期下混凝土抗压强度均值的变化，从图中可以看出，龄期不同时混凝土抗压强度的变化也不相同，玄武岩纤维对混凝土的抗压强度有一定的增强作用，但增幅效果并不明显，随着纤维掺量的变化，其增强效果也不相同，玄武岩纤维存在相对最佳掺量使混凝土抗压强度效果最好。

图2 玄武岩纤维混凝土的抗压强度值Fig 2 Compressive strength value of basalt fiber concrete

3.2 玄武岩纤维对混凝土内部孔隙结构的影响

3.2.1 玄武岩纤维混凝土内部孔隙率变化

图3 玄武岩纤维混凝土孔隙率变化规律Fig 3 The change law of basalt fiber concrete porosity

图3为分别养护7d、28d时，玄武岩纤维的掺量对混凝土孔隙率的影响规律。由图可知：掺入适量玄武岩纤维可使普通混凝土孔隙率降低，纤维掺量为0.2%时孔隙率达到2.61%，与普通混凝土孔隙率4.05%相比优化较为明显。随着纤维掺量增加，孔隙率呈现先降低后增加的趋势，一方面说明混凝土内掺入纤维存在最佳掺量，另一方面在试验过程中，随着纤维掺量增多，容易发生纤维分散不均，在搅拌过程中产生结团现象，导致混凝土内部孔隙增加。纤维混凝土养护7d和28d对比，28d养护龄期时混凝土孔隙率显著降低，主要原因是水泥水化过程中产生的C-S-H晶体，C-S-H晶体在不断增长的过程中使混凝土内部孔隙逐渐被填充，减小混凝土内部孔隙的总体积从而导致孔隙率减小，在7d到28d养护过程中，玄武岩纤维混凝土混凝土孔隙率降低了3.94%，结合抗压强度试验的变化规律可知，结果基本遵循随着孔隙率降低，混凝土越加紧密，抗压强度逐渐增加，表明混凝土宏观力学性能与微观孔结构之间存在一定的关联性。

3.3 玄武岩纤维混凝土孔结构与抗压强度拟合分析

从玄武岩纤维混凝土的抗压强度和孔隙变化分析宏观力学和微观结构之间的关系，线性拟合纤维混凝土的孔隙率和抗压强度数据，结果如图4所示。从图中可知，拟合的结果以单调递减的趋势呈现，说明孔隙率与抗压强度呈负相关的关系，相关性为0.9252，拟合效果良好。相关性（R2）越高，拟合效果越好，但单纯的分析孔隙率并不能很好的对应其抗压强度，孔隙率只是水泥硬化过程中的产物，除此之外，抗压强度还会受骨料强度、环境温度和环境湿度等不可抗拒因素影响。玄武岩纤维混凝土的抗压强度会在一定程度上取决于内部孔隙率的变化，在己知混凝土孔隙率多少时，可大致判断抗压强度大小。

图4 玄武岩纤维混凝土孔隙率与抗压强度拟合结果Fig 4 Fitting results of porosity and compressive strength of basalt fiber concrete

3.4 玄武岩纤维混凝土的抗渗性

如表2所示，混凝土的渗水高度为2.63cm，而玄武岩纤维混凝土的渗水高度为1.75cm,相对于纤维混凝土下降了33%，说明玄武岩纤维的掺入有效的提高了混凝土的抗渗性能，因为纤维的弹性模量高于凝结初期混凝土基体的弹性模量，其数以千万计的均布于水泥基材中，提高了混凝土塑性和硬化初期抗拉强度，有效地抑制了混凝土早期收缩裂缝的产生和发展，并在混凝土基体中起着阻裂的作用，增强了混凝土颗粒间的联接性，填充了内部孔隙，从而使抗渗性增强。

表2 纤维混凝土的抗渗性Tab 2 Impermeability of fiber concrete

4 结论

（1）在加载过程中，普通混凝土试块表面出现碎片剥落现象，破坏迅速，玄武岩纤维混凝土试块裂缝较少，破坏缓慢，玄武岩纤维的掺加改变了混凝土受压状态下的破坏形态。

当玄武岩纤维掺加0.2%时，养护28d后混凝土的抗压强度达到最大值，为40.47MPa，相比于普通混凝土增加了11%。

（2）玄武岩纤维混凝土随纤维掺量增加，孔隙率呈现先降低后增大的趋势，当掺加0.2%时孔隙率最小，为2.61%；养护龄期从7d增加到28d时，玄武岩纤维混凝土孔隙率降低了3.94%。

（3）玄武岩纤维混凝土的抗压强度与孔隙率呈较好的负相关关系。

（4）玄武岩纤维的掺入使混凝土的抗渗性有效增强，其渗水高度相对于普通混凝土下降了33%。