玄武巖纖維對火山渣輕集料混凝土強度的影響

摘要：輕集料混凝土因其輕質、高強、保溫和耐腐蝕等特性，在高層建筑和大跨度結構等土木工程領域得到廣泛應用。然而，它也存在易開裂、脆性較高和韌性不足的問題。本研究采用纖維改性方法，探討了玄武巖纖維對火山渣輕集料混凝土力學性能的影響，并分析了其增韌機理。試驗結果表明，隨著玄武巖纖維摻量的增加，火山渣輕集料混凝土的韌性顯著提高。特別是當玄武巖纖維摻量達到3‰時，混凝土的抗壓強度提升了2%，而抗折強度顯著提高了33.4%，達到最佳摻量點。此外，通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發現，玄武巖纖維與水泥石界面的黏結性能得到增強，孔隙率降低，從而提高了混凝土的密實性和穩定性。本研究不僅為玄武巖纖維在混凝土工程中的應用提供了科學依據，也為優化混凝土材料的性能提供了理論支持。

關鍵詞：火山渣輕集料混凝土；纖維增強混凝土；玄武巖纖維；力學性能；韌性

中圖分類號：TU528.041"""""""""" " 文獻標識碼：A"""" """""""""""" 文章編號：

Effect of Basalt Fiber on the Strength of Volcanic Slag Lightweight Aggregate Concrete

LIU Qingshun

（Jilin Research and Design Institute of Building Science，Changchun Jilin 130011，China）

Abstract： Lightweight aggregate concrete has been widely utilized in civil engineering fields such as high-rise buildings and large-span structures due to its characteristics of lightweight， high strength， thermal insulation， and corrosion resistance. However， it also exhibits issues such as susceptibility to cracking， high brittleness， and insufficient toughness. This study explores the influence of basalt fibers on the mechanical properties of volcanic scoria lightweight aggregate concrete was studied by fiber modification methods and analyzes its toughening mechanism. Experimental results indicate that the toughness of volcanic scoria lightweight aggregate concrete significantly improves with the increase of basalt fiber content. Notably， when the basalt fiber content reaches 3‰， the compressive strength of the concrete increases by 2%， while the flexural strength improves significantly by 33.4%， achieving the optimal fiber content point. Furthermore， observations through scanning electron microscopy （SEM） reveal enhanced bonding performance between basalt fibers and the cement paste interface， along with reduced porosity， thereby improving the density and stability of the concrete. This study not only provides scientific evidence for the application of basalt fibers in concrete engineering but also offers theoretical support for optimizing the performance of concrete materials.

Keywords： volcanic slag lightweight aggregate concrete; fiber reinforced concrete; basalt fiber; mechanical properties; toughness

1 概述

玄武巖纖維是以天然玄武巖礦石為原料，經高溫熔融后制成的連續纖維。與碳纖維、芳綸纖維、聚乙烯纖維等其他類型的纖維相比，玄武巖纖維具有電絕緣、耐腐蝕、耐高溫等多種優異性能，逐漸成為混凝土增強領域的新興材料。在工程實踐中，提高輕集料混凝土的韌性是研發高性能輕集料混凝土技術的關鍵所在。 彭飛等[1]研究了玄武巖纖維（BF）的形狀（短切、束狀）、制備方法（濕拌法、半干拌法和干拌法）對混凝土坍落度、抗壓強度和劈裂抗拉強度的影響。結果表明兩種BF的摻入均降低了混凝土的坍落度，且短切BF的降低效果更顯著；在不同的制備方法下，束狀BF的摻入均能提高混凝土的抗壓和劈裂抗拉強度；短切BF混凝土的劈裂抗拉強度僅在采用半干拌法時與對照組持平，而在濕拌法和干拌法下，該混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度均低于對照組。孟瑩瑩等[2]研究了玄武巖纖維束摻量和長度對混凝土抗氯離子滲透性能、抗凍性方面的影響。結果表明加入玄武巖纖維束后導致混凝土抗氯離子滲透性能降低，纖維束的摻量越大，氯離子擴散系數越大；玄武巖纖維束摻量相同時，短纖維束混凝土抗氯離子的滲透性優于長纖維束混凝土；摻入玄武巖纖維束有利于提高混凝土的抗凍性能，當摻量達到7.96 kg/m3后，隨纖維摻量繼續增多，混凝土相對動彈性模量的降幅差別不大，摻量為11.94 kg/m3時，抗壓強度損失率最低，為11.4%；玄武巖纖維束摻量相同時，不同長度的玄武巖纖維束對混凝土的相對動彈性模量排序為30 mmgt;20 mmgt;40 mm，抗壓強度損失率排序為30 mmlt;20 mmlt;40 mm。呂少偉等[3]研究了采用鋼纖維和玄武巖纖維制備了一種混摻纖維自密實混凝土，并對力學性能和應用效果進行研究。結果表明，當混摻0.8%鋼纖維和0.1%玄武巖纖維時，自密實混凝土的抗壓強度為96.5 MPa，劈裂抗拉強度為5.0 MPa，單軸拉伸強度為3.23 MPa，彎拉強度為7.9 MPa，均優于未摻纖維的自密實混凝土。張著明[4]研究了不同玄武巖纖維摻量對混凝土抗壓與抗折性能的影響進行試驗分析。結果表明，混凝土的抗折強度和抗壓強度隨玄武巖纖維摻量提升均表現出前期提升后期降低的發展趨勢，但試驗涉及纖維摻量范圍內纖維混凝土抗折性能和抗壓性能始終優于普通混凝土試件，玄武巖纖維的摻入有利于改良混凝土抗折性能和抗壓性能；玄武巖纖維抗折強度、抗壓強度出現最高值處分別是纖維摻量為1.35 kg/m3和4.05 kg/m3，在兩者達到最高值時分別相對普通混凝土性能提升12.9%和20.2%；建議制作玄武巖纖維混凝土時取1.35 kg/m3為纖維摻量，此時纖維混凝土性能達較高水平。本文系統地研究了玄武巖纖維對火山渣輕集料混凝土力學性能的影響。

2 試驗過程

2.1 原料及其性質

1） 水泥：吉林亞泰水泥有限公司生產的鼎鹿牌P.O42.5 普通硅酸鹽水泥；

2） 粉煤灰：符合國家標準的Ⅱ級灰；

3） 減水劑：LCX-9聚羧酸高效減水劑，產品勻質性指標符合GB 8076；

4） 玄武巖纖維：吉林省玖鑫玄武巖產業集團有限公司生產，直徑13 ？m，長度18 mm。主要性能見表1，試驗用玄武巖纖維表觀見圖1；

5） 火山渣：火山渣表面呈蜂窩狀，是一種泡沫狀的玻璃質巖石，表觀密度小，是一種天然的輕集料。采用吉林省國涵建材開發有限公司提供的火山渣，主要性能見表2，微觀結構圖見圖2。

6） 水：自來水。

2.2 試驗過程

試驗按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》GB/T 50081—2019實施，并測試火山渣輕集料混凝土抗壓、抗折的強度。具體試驗過程如下：

1） 抗壓、抗折強度測試是評估火山渣輕集料混凝土性能的核心環節。為確保測試準確性，首先需精確稱量水泥、火山渣輕集料、水及添加劑等原料，按找既定配方混合再加入玄武巖纖維。攪拌3 min，以確保成分均勻分散，并避免過度攪拌導致分離。將拌好的火山渣輕集料混凝土裝入100 mm×100 mm×100 mm的立方體模具，振搗25次以排除氣泡，提高密實度。成型后48 h內拆模，混凝土試件需濕養護28 d。再使用水泥砂漿抗折抗壓一體機（JR-KZ300DS）進行精確測試，計算壓折比以評估混凝土韌性。

2） 掃描電子顯微鏡試驗：從試件中隨機選取部分樣本，進行精細的切片和打磨處理，確保樣本表面的平整度。使用稀鹽酸對樣本進行處理，以去除表面雜質和未反應的成分。處理完畢后，再利用無水乙醇對樣本進行徹底的清洗，確保表面清潔無殘留。清洗完成后，將樣本置于干燥環境中烘干，以備后續使用。測試前將樣本置于真空條件下，對樣品表面進行鍍金處理，以增強其在電子顯微鏡下的觀察效果。利用TM3030掃描電子顯微鏡對處理后的樣本進行細致觀察，以獲取其微觀結構和性能特征。

3 結果與討論

3.1玄武巖纖維對輕集料混凝土強度的影響

玄武巖纖維對火山渣輕集料混凝土抗折強度及抗壓強度的影響見圖3～圖4。

從圖3～圖4可以看出，當玄武巖纖維混凝土的摻量為1‰時，輕集料混凝土的抗壓強度沒有明顯變化，而抗折強度有所提高；隨著摻量逐漸增大，抗壓強度和抗折強度均呈上升趨勢。玄武巖纖維摻量為3‰時，抗折強度出現一個最佳點。原因是玄武巖纖維的比表面積較大和粗糙表面，因此摩擦系數高，從而增大了拌合物流動時的相對摩擦力，阻礙輕集料上浮，并提高了混凝土的均質性與和易性；同時，玄武巖纖維還具備良好的親水性。在混凝土拌合物中摻入玄武巖纖維后，這些纖維會迅速分散成極為細小的絮狀纖維絲，并需要更多水泥砂漿包裹它們，從而導致混合物流動性能下降。然而，玄武巖纖維能夠均勻地分散于輕集料混凝土內，并構建起一定的網狀結構。因此，在基體遭到破壞時，它們能夠承載由基體傳遞來的能量，進而提升了抗壓和抗折的強度。

當玄武巖纖維摻量超過3‰時，輕集料混凝土的抗壓強度與抗折強度均呈現出顯著的下降趨勢。主要歸因于玄武巖纖維本身具備較高的吸水性特質。在混凝土拌合過程中，玄武巖纖維會吸收周邊水泥水化所需要的水分，導致在攪拌階段出現較為顯著的結團現象。這種結團現象使得纖維在混凝土基體中的分布變得不均勻，進而在混凝土內部形成了較多的孔隙。不僅削弱了纖維與水泥之間的黏結性能，而且在纖維與水泥相接的界面區域產生了大量的結構缺陷，對纖維增強混凝土的整體性能產生了不利影響。

從圖5可以看出，隨著玄武巖纖維摻量的增加，折壓比相應地提高，從圖3～圖4中得知，在不破壞混凝土的抗壓強度的基礎上，其抗折強度有了大幅度的提高，既改善了輕集料混凝土的韌性。當玄武巖纖維摻量為3‰時，其性能最佳，抗壓強度提高了2%，抗折強度提高了33.4%，不但提高了抗折強度和抗壓強度，而且明顯地改善了輕集料混凝土的韌性。

3.2 玄武巖纖維混凝土微觀結構分析及增韌機理

為了進一步驗證玄武巖纖維顯著提高輕集料混凝土的韌性，采用SEM進行觀察。如圖6所示，經過水泥凈漿的包裹處理后，玄武巖纖維表面被大量水泥漿體覆蓋，這顯著提升了纖維與水泥石界面之間的黏結性能。基體內的孔隙數量顯著減少，孔隙率較低，進一步增強了整體結構的密實性和穩定性。由于玄武巖纖維屬于硅酸鹽系列，使得其與水泥結合相當牢固。在沖擊荷載作用下，混凝土內部裂紋擴展。纖維從開裂的水泥基體中拔出，拔出過程中克服纖維與水泥基體界面間的摩擦力，消耗較大的功。同時當基體中的應力傳遞到纖維上時，纖維通過變形來吸收能量。加入玄武巖纖維后，在裂縫尖端形成了一個逆向的應力場，這有助于減輕裂縫尖端的應力集中。纖維的存在對裂縫的進一步擴展起到了抑制作用，因此顯著提升了混凝土的整體力學性能。因此，再次驗證了玄武巖纖維摻量為3‰時，性能最佳，即提高了抗壓強度又明顯地改善了輕集料混凝土的韌性。

4 結論

本研究采用了玄武巖纖維增強技術，對火山渣混凝土的力學性能及微觀結構進行了系統的試驗研究與定量分析。研究結果表明。

1） 輕集料混凝土在摻入玄武巖纖維后，其抗壓強度和抗折強度均呈現出不同程度的提升。其中，抗折強度的提升百分比顯著高于抗壓強度，從而顯著優化了輕集料混凝土的折壓比，并有效提升了輕集料混凝土材料的韌性。韌性的增強意味著材料在受到沖擊或拉伸負荷時的延性變形能力得到改善，這對于提高結構的耐久性和可靠性具有重要意義。

2） 隨著玄武巖纖維摻量的逐漸增大，當玄武巖纖維的摻量為3‰時，輕集料混凝土的抗壓強度提升了2%，而抗折強度則顯著提高了33.4%。這一摻量是實現最佳力學性能的臨界點。該結論是基于對不同摻量下輕集料混凝土試件的力學測試數據進行統計分析得出的，反映了玄武巖纖維在增強混凝土性能方面的最優摻量比例。

此外，本研究還對玄武巖纖維增強火山渣輕集料混凝土的微觀結構進行了分析，探討了纖維與混凝土基體之間的相互作用及其對材料性能的影響。研究結果進一步證實了玄武巖纖維在提高混凝土耐久性、抗裂性和整體承載能力方面的潛力。

綜上所述，本研究不僅為玄武巖纖維在混凝土工程中的應用提供了科學依據，也為進一步優化混凝土材料的性能提供了理論支持。

參考文獻

[1]彭飛，萬磊，錢朝軍，等.玄武巖纖維混凝土的制備方法及其性能研究[J/OL].混凝土與水泥制品，1-5[2024-08-30].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1173.TU.20240606.0903.002.html.

[2]孟瑩瑩，邵景干，張普，等.新型玄武巖纖維束混凝土耐久性能試驗[J].河南科學，2024，42（06）：881-886.

[3]呂少偉，方欣欣.大承載力橋梁用纖維混摻自密實混凝土制備及性能測試[J].粘接，2024，51（5）：65-67，71.

[4]張著明.不同摻量玄武巖纖維對混凝土抗壓與抗折性能的影響[J].磚瓦，2024（5）：50-52.

編輯：劉 巖

收稿日期：2024-06-18

作者簡介：劉清順（1989～），男，山東省濱州市人，工程師，從事建筑材料研究工作。