干濕循環條件下玄武巖纖維混凝土力學性能研究

高紅　朱輝　侯倩倩

摘要：在干濕循環條件下，通過玄武巖纖維混凝土和普通混凝土進行對比試驗，分析了二者的抗壓強度、抗壓強度耐蝕系數和質量損失率的變化情況，結果表明摻加玄武巖纖維能有效提高混凝土的抗壓強度和抗壓強度耐蝕系數。由于玄武巖纖維具有經濟綠色的優點，可以通過推廣，廣泛應用于干濕交替的海洋環境中，實現社會與經濟效益。

關鍵詞：干濕循環；玄武巖纖維；抗壓強度；抗壓強度耐蝕系數；質量損失率

中圖分類號：TU528.572 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3024（2016）22-0001-04引言

自從混凝土問世以來，其一直承擔著極其重要的角色。隨著混凝土技術的不斷發展和進步，纖維混凝土憑借其在抗壓強度和耐久性上的優勢，得到了建筑行業的廣泛應用。其中，玄武巖纖維混凝土就是一種典型代表。

混凝土是一種多相復合材料、各組成材料性質差異、并且受施工養護影響，混凝土內不可避免的存在微裂縫。這些裂縫的存在，降低了混凝土強度，也是混凝土呈脆性破壞的主要原因。

加入摻合料和化學外加劑，提高混凝土的密實性和強度，是制備高性能混凝土的主要途徑。

但是，它們的抗拉強度與抗壓強度之比僅為6%，存在拉壓比低、韌性差與收縮大等缺點。并且隨著強度的提高，混凝土脆性表現的愈明顯。減少收縮、提高韌性成為了目前混凝土研究的焦點之一。

纖維具有抑制混凝土收縮，提高混凝土抗拉強度，增加混凝土韌性的作用，有望解決高強高性能混凝土中出現的拉壓比低、韌性差和收縮大的問題。同時，也能夠適應現有施工水平和設備條件。

纖維增強混凝土作為一種復雜的增強復合材料，具有較高的強度和優越的變形能力，有廣泛而重要的工程應用背景，特別是軍事防護工程領域。

玄武巖纖維是一種新的混凝土增強材料，由純天然的火山巖（含玄武巖）礦石經高溫熔融、拉絲而成，是典型的硅酸鹽纖維，具有天然的相容性和優越的力學性能。

國外對玄武巖纖維增強水泥基復合材料研究得比較深入，Dylmar Penteado Dias等研究了玄武巖纖維摻量對玄武巖纖維增強無機聚合物水泥混凝土斷裂韌度的影響，并將其與玄武巖纖維增強硅酸鹽水泥混凝土（Basalt fiber reinforced concrete，簡稱BFRC）的試驗結果進行對比，結果表明，玄武巖纖維增強無機聚合物水泥混凝土具有更加優越的斷裂性能。

值得注意的是，當玄武巖纖維的體積摻量為1%時，玄武巖纖維增強硅酸鹽水泥混凝土的準靜態抗壓強度、劈裂抗拉強度，較素混凝土分別降低了26.4%、12%。

Zielinski等室內測試了玄武巖纖維增強水泥砂漿28天的物理、力學性能，并給出了纖維的最佳摻量。然而，國內在此方面的研究才剛剛起步。

“玄武巖纖維是玄武巖在1450℃-1500℃的溫度下經熔斷后，通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續纖維。純天然的玄武巖纖維呈現褐色，并且帶有金屬光澤，玄武巖纖維是一種無機環保綠色高性能材料。

它除了具有穩定性好、電絕緣性、抗腐蝕性的優點外，還具有生產工藝產生的廢棄物少，對環境污染小，產品可直接轉入生態環境中，無任何危害的優點。”

除此以外，我國玄武巖的儲量豐富，主要分布在福建福鼎市白琳大嶂山、河南洛陽市蔡店鄉、山東沂水圈里鄉和安徽明光市等，廣泛的玄武巖來源也為玄武巖纖維在價格上奠定了一定的優勢。

玄武巖纖維作為我國重點發展的四大纖維之一，已經在我國實現了工業化生產，其在建筑行業、汽車行業、高溫過濾織物和隔熱材料等領域得到了廣泛的應用。玄武巖纖維主要技術指標如表1所示。

玄武巖纖維混凝土是在混凝土中加入一定量的玄武巖纖維，能夠提高混凝土的粘聚性和穩定性，同時提高混凝土的抗沖擊能力，降低其脆性，還可以改善混凝土的抗滲能力、抗凍融能力和抗收縮能力，有利于提高混凝土的耐久性，延長混凝土的使用壽命。

雖然摻入玄武巖纖維后使混凝土的成本有所增加，但考慮到摻入纖維后的混凝土使用性能的改善，使用壽命延長，綜合成本下降。

對于存在于海水周期性浸濕環境中的混凝土，由于干濕交替，受到海水中氯離子滲透、硫酸鹽的侵蝕和陽光、海水協同作用致鹽分積累引起鋼筋腐蝕導致結構破壞嚴重，從而造成維修費用大大增加的現象。

因此，如何提高干濕交替環境下混凝土力學性能和耐久性能成為迫切需要解決的問題。本文主要通過試驗，通過對處于干濕交替環境中的普通混凝土和纖維混凝土進行對比，對玄武巖纖維混凝土的力學性能進行研究。

1試驗設計

1.1試驗原材料

本試驗的原材料選用P.042.5普通硅酸鹽水泥，細骨料為本地中河砂，粗骨料為級配為26.5的碎石，水采用普通自來水，玄武巖纖維采用江蘇天龍玄武巖纖維高新科技有限公司生產的玄武巖纖維短切紗，長度為12mm。為了保證試驗結果的準確性和方便對比試驗結果，設計了兩種水灰比的混凝土試塊，共四組。混凝土配合比設計如表2所示：

1.2試驗方法

本試驗制作混凝時采用強制式攪拌機攪拌，拌合時先將纖維與砂、石、水泥同時加入攪拌機干拌30s，然后加水濕拌90s。本試驗設計了四組抗壓混凝土試件，試件尺寸均為150mm×150mm×150ram。

編號分別為1-1、1-2、2-1和2-2。1-2組和2-2組玄武巖纖維混凝土的摻量為5kg/m³，攪拌完成后玄武巖纖維分布均勻。攪拌完成后裝入邊長為150mm的混凝土試模中，通過振動臺振實成型，24h后拆模并且放入恒定溫度20±3℃，相對濕度90%以上的養護箱中進行標準養護。養護28d后，將每組試塊均放入烘箱中和人工配置的海水中進行干濕循環（人工海水的配置如表2）。

為加快試驗進度，采取人工海水的濃度為天然海水濃度的5倍。根據配合比，先向自來水中加入NaCl、CaSO₄·2H₂O和CaCO₃，放置一夜，當完全溶解后再加入MgCl₂和MgSO₄·7H₂O，等到鹽完全溶解并混合均勻后即可使用。

在侵蝕的過程中，侵蝕液的濃度會逐漸變化，因此，每隔15d更換一次溶液。將試件全部浸泡在人工海水溶液中16h，然后拿出置于80℃條件下的烘箱中烘8h，此為一個干濕循環，如此反復。在此期間15個干濕循環測定一次試件的抗壓強度和質量。

1.2.1抗壓強度測定

試件標準養護28d后進行干濕循環試驗，測定干濕循環次數0次、15次、30次和45次混凝土試件的抗壓強度和質量。試驗采用的儀器為WAW-2000微機控制電液伺服萬能試驗機，加載速度為0.5-0.8MPa/s。

三個試件為一組，以三個試件測值的算術平均值，作為該組試件的抗壓強度值。三個測值中的最大值或最小值，如果有一個與中間值的差超過中間值的15%，則把最大值及最小值一并舍去，取中間值作為該組試件的抗壓強度值；如果有兩個測值與中間值的差均超過中間值的15%，則該組試件的試驗結果無效。

1.2.2抗壓強度耐蝕系數測定

混凝土強度耐蝕系數應按照下式進行計算：

式中：

Kr-強度耐蝕系數（%）；

f_cn-為N次干濕循環后混凝土試件的抗壓強度測定值，精確至0.1MPa；

f_co-與受硫酸鹽腐蝕試件同齡期的標準養護的一組對比混凝土試件的抗壓強度測定值，精確至0.1MPa。

f_co和f_cn以三個試件抗壓強度試驗結果的平均值作為測定值。當最大值或最小值之一，與中間值之差超過中間值的15%時，剔除此值，取其余兩值的平均值作為測定值；當最大值和最小值均超過中間值的15%時，則取中間值作為測定值。

1.2.3質量損失率

2試驗結果

在達到規定的干濕循環次數后，應及時進行抗壓強度試驗。同時觀察經過干濕循環后混凝土的破損情況。以干濕循環30次時1-1組試塊為例，圖1是試塊的力一時間曲線圖，圖2是抗壓強度試驗后外觀圖。

2.1抗壓強度

2.1.1試驗數據

表3給出了不同干濕循環次數條件下，混凝土的抗壓強度。

表3試件抗壓強度

2.1.2試驗結果分析

圖3給出了不同干濕循環次數條件下，混凝土抗壓強度一干濕循環次數曲線。

從圖3混凝土抗壓強度一千濕循環次數曲線圖中可以看出，水灰比同為0.45的1-1組試塊和1-2組試塊相比，水灰比同為0.55的2-1組試塊和2-2組試塊相比，可以發現同齡期下摻加玄武巖纖維的混凝土的試塊均較不摻加玄武巖纖維的混凝土試塊強度高，說明摻加玄武巖纖維是可以提高混凝土強度的。

玄武巖纖維在混凝土中均勻分布，具有較好的抗拉強度和較大的變形能力，同時形成網狀結構，起到二次強化的效果，減少了離析裂紋的產生和發展。當外力傳遞給混凝土時，可以通過玄武巖纖維與混凝土共同作用，改善混凝土的韌性，提高強度。

同時，四組試塊強度均呈現出隨著人工海水干濕循環次數的增加，強度先增大后降低的趨勢。1-1組試塊在干濕循環30次，強度達到最高值，而1-2、2-1和2-2組試塊在干濕循環15d時，強度達到最高值。

這是由于在干濕交替條件下，混凝土受到海水中改成氯離子、鎂離子、硫酸根離子等與混凝土中水泥中的水化產物等發生水化反應等化學反應，生成不溶性或難溶性物質，填充了混凝土內部的空隙，提高了混凝土的密實度，進而提高了混凝土的強度。

隨著人工海水干濕循環的進行，混凝土的腐蝕程度加深，主要表現為混凝土中固相物質溶解造成溶失性破壞，同時在侵蝕介質的作用下，混凝土中的鹽結晶體積增加，產生有害的內應力導致膨脹性破壞，混凝土試塊出現了強度下降的現象。

2.2.2試驗結果分析

圖4給出了不同干濕循環次數條件下，混凝土抗壓強度耐蝕系數的變化曲線。

由圖4可見，混凝土抗壓強度耐蝕系數隨著干濕循環次數的增加出現增大又減小的趨勢。

四組試塊的抗壓強度耐蝕系數最大值分別為108.39%、120.13%、109.90%和116.28%，干濕循環45次后四組試塊的抗壓強度耐蝕系數分別為98.08%、114.00%、98.5%和101.8%。

出現這種現象是因為干濕循環開始時，混凝土試塊的表面的空隙被腐蝕物填充，提高了混凝土的密度，抗壓能力增加，抗壓強度耐蝕系數增大；隨著干濕循環的進行，混凝土的腐蝕程度增加，抗壓強度腐蝕系數減小。

由此可見，在水灰比相同的情況下，摻加玄武巖纖維的混凝土的抗壓強度系數明顯高于普通混凝土的抗壓強度系數。

2.3質量損失率

2.3.1試驗數據

表5給出了不同干濕循環次數條件下，混凝土的平均質量。

2.3.2試塊質量損失分析

表6給出了不同干濕循環次數條件下，混凝土的質量損失率的試驗結果。

圖5是混凝土質量損失率變化曲線。

從圖5中可以看出，隨著干濕循環次數的增加，1-1組、1-2組合1-3組混凝土試塊均出現質量減少、質量損失率增加的現象。

這是由于試塊表面或者玄武巖纖維表面的附著物和雜質被人工海水腐蝕溶于水中而造成質量減少的現象。而2-2組混凝-土試塊，隨著干濕循環次數的增加，質量出現升高又減少的現象，從而質量損失率出現負值為0.62。

這是由于人工海水中的離子與試塊中水泥等發生化學反應，產生不溶或者難溶物質，造成試塊的質量輕微增加。隨著反應的進行，部分雜質和附著物溶于水中，質量又會減少。但是此種現象符合混凝土試塊在干濕循環過程中質量變化的機理。

同時，四組試塊干濕循環45次時的質量損失率m1-1、m1-2、m2-1、m2-2分別為0.74%、0.73%、O.5%和0.37%。在干濕交替環境下，水灰比相同的試塊相比可以看出，摻加玄武巖纖維的混凝土試塊質量損失率低于普通混凝土試塊質量損失率。

出現這種現象的原因是玄武巖纖維具有抗腐蝕性和耐堿的特性，對混凝土的耐腐蝕能力有提高作用。但是四組混凝土試塊的質量損失率變化相當平緩，不宜作為混凝土耐久性的評價標準。

3試驗結論

通過試驗數據分析，可以得到以下結論：

（1）同等配合比和干濕循環交替環境條件下，摻加玄武巖纖維能有效提高混凝土的抗壓強度，改善混凝土的韌性。

（2）摻加玄武巖纖維的混凝土能有效提高混凝土的抗壓強度耐蝕系數，有效提高混凝土早期強度，對混凝土早期強度有較高要求的結構可以考慮加入玄武巖纖維。

（3）同等配合比和干濕循環交替環境條件下，摻加玄武巖纖維混凝土的質量損失率變化較小，不宜將質量損失率作為評定混凝土耐久性的標準。

4玄武巖纖維混凝土的應用與推廣

自國家將玄武巖纖維項目列入863計劃開始，積極有效整合了相關資源，玄武巖纖維相關產業得到迅猛發展。玄武巖纖維作為新型的混凝土增強材料，在建筑行業中的應用前景十分廣闊。

其以高性能、低成本的發展為目標，與傳統的鋼筋混凝土相組合，充分發揮其優點。

但是由于玄武巖纖維成分復雜，影響因素較多，要進一步研究分析纖維含量與混凝土抗壓性能和抗沖擊性能等，推廣玄武巖纖維在建筑行業的應用，取得良好的社會與經濟效益。