玄武巖纖維摻雜混凝土材料特性的相關分析

唐述長

摘要：混凝土材料的某些特殊性能可通過添加玄武巖纖維實現(xiàn)有效改善，采用玄武巖纖維的新型混凝土材料便能夠證明其實用性，相關研究也因此大量涌現(xiàn)。基于此，本文圍繞玄武巖纖維摻雜混凝土材料特性開展了相關試驗，研究結果表明，玄武巖纖維的應用的確能夠有效提升混凝土材料的部分性能，這種提升在抗折強度、收縮應變等方面的表現(xiàn)較為顯著。

關鍵詞：玄武巖纖維;混凝土材料;抗壓強度

作為應用最廣泛的建筑材料，混凝土材料具備價格低廉、易成型、抗壓強度高等優(yōu)勢，但同時也存在韌性差、脆性大、抗拉強度低等不足，為有效彌補這類不足，近年來業(yè)界圍繞復合水泥基材料開展了大量研究，在混凝土材料中摻人玄武巖纖維便屬于這類研究的代表之一，本文研究的現(xiàn)實意義是添加這類無機材料纖維，改善混凝土材料某些不足的性能。

1玄武巖纖維混凝土的特性

玄武巖纖維是典型的硅酸鹽纖維，與混凝土基體具有天然的相容性，能使新拌玄武巖纖維混凝土體積穩(wěn)定，和易性較好。在混凝土中均勻多向分布玄武巖纖維，對水泥混凝土起到了“網(wǎng)聯(lián)”與“承托”作用。這種作用所產生的效應表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.1提高水泥混凝土的抗拉強度。玄武巖纖維易隨機均勻地分布在水泥混凝土中，跨越水泥混凝土中存在的微細縫隙，對裂縫的產生和發(fā)展起到了約束作用，阻止了裂縫的擴展，從而也就提高了水泥混凝土的抗拉強度。

1.2提高水泥混凝土的抗?jié)B性能。均勻分布的大量玄武巖纖維在混凝土中起了“承托”作用，降低混凝土表面的析水與集料的離析現(xiàn)象，使水泥混凝土中的微空隙含量大大減少，極大地提高了混凝土的防水抗?jié)B性能。

1.3提高水泥混凝土的抗裂性能。玄武巖纖維與水泥基材料能充分混合，在混凝土中形成不規(guī)則的多向分布網(wǎng)絡體系，這種分布造成了大量的微配筋，承受水泥混凝土在收縮變形時產生的應力和能量，增加了水泥混凝土的韌性，抑制了其裂紋的產生和發(fā)展。

1.4提高水泥混凝土的抗沖擊性能。均勻分布的玄武巖纖維對于混凝土的沖擊力學性能具有一定的改善效果。通過對玄武巖纖維混凝土（BFRC）和碳纖維混凝土（CFRC）沖擊力學性能的對比發(fā)現(xiàn)：當纖維摻量為0.11%（體積）時，玄武巖纖維的增強、增韌效果更佳。

1.5提高水泥混凝土的抗凍性能。玄武巖纖維可以吸收水泥混凝土冷凍過程中張力形成的能量，延緩水泥混凝土冷凍過程中微裂紋的形成和擴散，提高水泥混凝土的抗凍性。

由于生產玄武巖纖維的原料取自于天然的火山噴出巖，在原料中幾乎不含有對人類健康有害的成分，在如今節(jié)約資源、綠色環(huán)保、以人為本的人文社會，玄武巖纖維混凝土在建筑工程領域的推廣也具有重大而深遠的意義。

2研究思路

玄武巖纖維指的是天然玄武巖為原料制成的無機纖維，生產過程需首先將玄武巖在1450-1500℃下熔融，并應用鉑銠合金拉絲漏板高速拉制。玄武巖纖維具備密度與混凝土相近、化學與物理穩(wěn)定性優(yōu)秀、彈性模量大、抗拉強度高、經(jīng)濟性較高、生產過程對環(huán)境污染較低等優(yōu)勢。結合近年來相關研究可以發(fā)現(xiàn)，通過在摻入短切玄武巖纖維，混凝土材料的變形能力和抗拉強度均可實現(xiàn)長足提升，混凝土的開裂和收縮也能夠得到較好約束，因此混凝土材料能夠在玄武巖纖維支持下實現(xiàn)性能的長足提升。但學界圍繞玄武巖纖維開展的相關研究中，有研究人員混凝土抗壓強度能夠在玄武巖纖維支持下實現(xiàn)一定提升，但也有研究人員混凝土抗壓強度不會受到玄武巖纖維摻入影響，總的來說各類研究在研究結果層面存在較大差異。

綜合相關研究，本文研究主要基于摻加玄武巖纖維的混凝土材料耐久性指標和力學指標變化展開，耐久性指標主要包括早期收縮性能、抗氯離子滲透性能，而力學指標則包括抗折強度和抗壓強度，由此即可為玄武巖纖維在我國工程領域的更為廣泛應用提供依據(jù)。

3試驗材料與方法選擇

3.1材料選擇

研究使用的材料包括普通自來水、級配合格的中砂、5-20mm連續(xù)級配玄武巖碎石、P·042.5標號水泥、SJ-2型引氣劑、ZX-6高效減水劑、水泥混凝土用短切玄武巖纖維。玄武巖碎石具備質地堅硬、表面粗糙特點，水泥為湛江海螺水泥有限公司的普通硅酸鹽水泥，引氣劑和減水劑分別由上海楓楊實業(yè)有限公司、湛江兆鑫建材有限公司生產。玄武巖纖維由四川炬原玄武巖纖維科技有限公司生產，玄武巖纖維的彈性模量為105GPa，抗拉強度為3900MPa，密度為2.70g/cm3，斷裂伸長率為2.7%，表1為用于試驗的玄武巖纖維尺寸。

對照組配合比為：“水泥：水：砂：碎石：減水劑：引氣劑=400：160：730：1140：0.7：3.5”，水灰比為0.40，該配合比屬于試驗的基礎，對照組混凝土強度等級為C40，通過摻入玄武巖纖維實現(xiàn)混凝土改性，以此滿足后續(xù)研究需要。

3.2方法選擇

以《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（CB/T50081-2002）、《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T50082-2009）作為試驗參考，評價指標采用7d和28d齡期的抗折強度和抗壓強度、以及28d早期收縮應變與6h電通量抗氯離子滲透性能，采用應用立式收縮儀的接觸法開展早期收縮試驗，采用電通量法進行抗氯離子滲透性試驗。

玄武巖纖維摻量對混凝土材料耐久性和強度影響的試驗采用d13-15纖維規(guī)格的玄武巖纖維混凝土，試驗設置不摻人玄武巖纖維的對照組，以及3個不同纖維摻入體積分數(shù)的試驗組（0.04%、0.08%、0.12%），以此明確混凝土性能受到的玄武巖纖維摻量的影響。在具體的試驗中發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維摻入的體積分數(shù)為0.08%時，玄武巖纖維混凝土的性能最為優(yōu)越，因此采用該摻量開展混凝土性能受到的纖維規(guī)格影響試驗。

4試驗結果與分析

4.1抗折強度

選擇d13-15規(guī)格的玄武巖纖維用于研究，開展7d和28d齡期的抗折強度試驗，圍繞包括對照組在內共四種玄武巖纖維摻量開展試驗，由此即可明確玄武巖纖維體積分數(shù)對抗折強度的影響，對于未摻入玄武巖纖維的對照組來說，其7d和28d齡期的抗折強度分別為4.97MPa與6.14MPa，玄武巖纖維摻入體積分數(shù)為0.04%的混凝土抗折強度則分別為5.67MPa與7.00MPa，摻入體積分數(shù)為0.08%的混凝土抗折強度分別為5.78MPa與7.37MPa，摻入體積分數(shù)為0.12%的混凝土抗折強度分別為6.12MPa與7.88MPa，可見混凝土的抗折能力隨著玄武巖纖維的摻入量提升而提升這主要得益于玄武巖纖維具備的較高彈性模量和抗拉強度;在玄武巖纖維摻入體積分數(shù)為0.08%情況下對比5種玄武巖纖維規(guī)格的7d與28d齡期混凝土抗折強度，可確定7d齡期對照組、d13-15、d13-20、d18-15、d18-20、d18-30的混凝土抗折強度分別為4.98MPa、5.74MPa，5.94MPa、5.63MPa、5.70MPa、5.98MPa，而28d齡期的抗折強度則分別為6.15MPa、7.43MPa、7.48MPa、7.11MPa、7.56MPa，可見長徑比較大、長度較長的玄武巖纖維可更為有效的增強混凝土材料。總的來說，在纖維直徑相同、界面性能優(yōu)良、分布理想、體積恒定前提下，混凝土韌性增強效果會隨著玄武巖纖維的長度提升而不斷增長。

4.2抗壓強度

選取d13-15規(guī)格的玄武巖纖維用于研究，開展7d與28d齡期的抗壓強度試驗，結合試驗即可明確混凝土抗壓強度受到的玄武巖纖維摻入影響。對于未摻入玄武巖纖維的對照組來說，其7d和28d齡期的抗壓強度分別為37.52MPa與46.18MPa，0.04%摻入體積分數(shù)的混凝土則分別為38.78MPa與47.52MPa，0.08%摻入體積分數(shù)的混凝土分別為38.18MPa與46.43MPa，0.12%摻人體積分數(shù)混凝土分別為38.01MPa與46.50MPa，由此可見混凝土抗壓強度在摻人玄武巖纖維后實現(xiàn)較小的提升，但這種提升隨著玄武巖纖維摻量的提高而縮小，這種由于玄武巖纖維的摻人具備約束橫向變形能力，但隨著纖維的增多，混凝土的密實性會出現(xiàn)一定程度的下降，這種下降會對混凝土抗壓強度帶來一定影響。

在摻入體積分數(shù)為0.08%前提下圍繞5種纖維規(guī)格開展試驗，可明確混凝土抗壓強度受到的玄武巖纖維規(guī)格的影響。試驗表明，對照組7d與28d齡期混凝土抗壓強度分別為37.85MPa與41.18MPa，d13-15分別為38.56MPa與47.11MPa，d13-20分別為37.87MPa與37.67MPa.d18-15分別為37.64MPa與36.55MPa，d18-25分別為38.77MPa與46.89MPa，d18-30分別為38.05MPa與47.44MPa。結合試驗結果可以發(fā)現(xiàn)，混凝土抗壓強度受到的玄武巖纖維積極影響有限，且各規(guī)格玄武巖纖維優(yōu)劣無法實現(xiàn)統(tǒng)計學意義層面的比對。

4.3抗氯離子滲透

選取d13-15規(guī)格的玄武巖纖維開展試驗，以此明確混凝土抗氯離子滲透性能受到的纖維摻量影響，其中對照組混凝土6h電通量為3422C，0.04%、0.08%、0.12%玄武巖摻入體積分數(shù)混凝土分別為3657C、3833C、4037C，可見混凝土的抗?jié)B透性會隨著玄武巖纖維的摻人量增加而降低，且降低幅度明顯，這是由于纖維提供了氯離子滲透通道，且混凝土密實性也在纖維的影響下出現(xiàn)了一定下降所致。圍繞5種玄武巖纖維規(guī)格開展進一步試驗，可確定d13-15、d13-20、d18-15、d18-20、d18-30五種玄武巖纖維規(guī)格混凝土6h電通量分別為3833C、3906C、3843C、4364C、4492C，可見纖維長度的增長會有效降低混凝土抗?jié)B透性能，這是由于纖維長度的增長會導致滲透通道延長且造成更多薄弱區(qū)域。

4.4早期收縮

選擇d13-15規(guī)格的玄武巖纖維開展試驗，開展28d的早期收縮試驗，由此可得出圖1所示的玄武巖纖維摻人對混凝土早期收縮影響，結合該圖可以發(fā)現(xiàn)，混凝土早期收縮受到了玄武巖纖維的有效約束，收縮應變在28d實現(xiàn)了約15%的減少，但這一減少與玄武巖纖維摻量的變化不存在線性關系，混凝土收縮應變最小時，玄武巖纖維摻人體積分數(shù)為0.08%。

圖2為混凝土早期收縮受到的纖維規(guī)格影響，結合該圖可以發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維規(guī)格對混凝土早期收縮的約束能力基本一致，圖2未涉及d18-25與d18-30兩種玄武巖纖維規(guī)格，這是由于二者的應用會導致混凝土抗?jié)B透能力大幅降低。

5結束語

綜上所述，玄武巖纖維摻雜會直接影響混凝土材料特性，這種影響在早期收縮性能、抗氯離子滲透性能、抗折強度、抗壓強度四個方面均有著較為直觀體現(xiàn)，而為了保證玄武巖纖維更好的提升混凝土性能，玄武巖纖維規(guī)格、摻人體積分數(shù)的合理控制必須得到重視，如何控制玄武巖纖維摻人帶來的負面影響也應成為關注的焦點。