玄武巖纖維改善海工混凝土工作性能和抗氯離子滲透性能研究

【中圖分類號】：TU528.572 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）03-67-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.03.016

Study on the Improvement of performance and Chloride Ion Penetration Resistance of Marine Concrete by Basalt Fiber

WANG Zhong2，WUQiuqi3，DUYandong2，CHENLei2，HUFeng1，LIJiawei1* （1.SchoolofCivildrbEinucnUesityanna;2..eeEe of CCFirstHighwayEngineingCotd.，BeiigCina;3JagsuPortandSpingIvesntDevelopentCodjing ，China）

【Abstract】 ∵ Inorder to explore the influence of basalt fiber on the performance and chloride ion penetration resistance of marine concrete and its mechanism，the basalt fiber withlengthof12 mm，18 mm and24 mm was mixed into marine concrete with 0.1% ，0.15 % ， 0.2% ， 0.25% and 0.3 % volume content respectively by volume mixing method，the mechanism of diferent fiber variables in concrete was analyzed by the corresponding characterization characteristics of working performance，and the influence of corresponding fiber variables on the electricflux of concrete was studied.Theresults showed thatthe fiber content is the main factor affecting the performanceand chloride ion resistance ofconcrete，and the fiber length was the secondary factor affecting thechloride ionpenetrationresistanceofconcrete.With the increaseoffiberlength，the electric fluxof concrete shows a downward trend asa whole，and the chloride ionresistance ofconcrete was proportional to the fiber length.

【Key words】：basalt fiber;marine concrete;chloride ion penetration resistance

氯離子侵蝕是導致鋼筋銹蝕并引起海工混凝土結構破壞的主要原因，而鋼筋銹蝕速度與混凝土的滲透通道有著明顯的對應關系；因此，海工類腐蝕環境下的混凝土結構須采用抗滲性良好的建筑材料。提高混凝土的密實度和抗裂性，降低混凝土的滲透性是提高海工混凝土結構耐久性的根本途徑；使用高性能摻合料，發揮某微粉填隙作用形成細觀的緊密體系，改善混凝土界面結構的工法逐漸發展成熟[5]。

隨著海工結構領域對混凝土材料的性能要求逐漸提高，業內也對一些新型無機材料與海工混凝土相結合進行過工程探索。纖維作為一種增強增韌材料可以有效提高混凝土構件的性能，有部分學者便應用纖維來對混凝土進行改性，蔡蕊、劉素梅等、孫麗娟等分別對聚烯烴粗纖維、聚乙烯纖維、玻璃纖維影響混凝土抗氯離子侵蝕性能的規律展開了研究，結果表明相應纖維的摻入與混凝土抗氯離子滲透性能之間的確存在一定聯系；也有部分學者[研究麥秸稈等有機纖維研究纖維與混凝土抗氯離子滲透性能間的變化規律。但對纖維材料在混凝土中是如何發揮改善抗氯離子滲透性能的功能，從而提高混凝土在氯鹽環境下抗滲透性的機理的研究目前尚處于空白階段。

此外玄武巖纖維作為一種新型無機環保高性能纖維材料，具備強度高、耐磨性、耐腐蝕性良好等優異性能[1]，已有學者[2＼～14針對玄武巖纖維對活性粉末混凝土的強度、泡沫混凝土的開裂和礦渣粉煤灰混凝土力學性能和微觀結構的影響規律進行了研究，獲得了一定成果，但在應用玄武巖纖維改善海工混凝土抗氯離子滲透性能方面的研究相對較少。

針對玄武巖纖維混凝土材料契合海洋工程結構實際，卻尚未在海洋工程普及應用的現狀5；本文通過玄武巖纖維改善海工混凝土拌和物工作性能，研究玄武巖纖維對海工混凝土抗氯離子滲透性能的影響規律，分析玄武巖纖維對提高混凝土材料抗氯離子滲透性能的作用機理，為玄武巖纖維可應用于海工類混凝土建筑提供相應的理論依據。

1材料與方法

1.1原材料

水泥為淮安楚州海螺水泥有限責任公司生產的PO42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為普通I級粉煤灰；粗骨料為江蘇海通建設工程有限公司通仁分公司生產的連續級配碎石，表觀密度 2 719kg/m³ ，堆積密度1550kg/m³ ；細骨料為江蘇海通建設工程有限公司通仁分公司的天然河砂，中砂，細度模數2.6，表觀密度2 602kg/m³ ，堆積密度 1440kg/m³ ；水為實驗室用水；外加劑采用高性能復合聚羧酸減水劑，減水率為27% ；玄武巖纖維為江蘇天龍玄武巖連續纖維股份有限公司生產的短切玄武巖纖維，見表1。

1.2試驗器材

根據JGJ/T221—2010《纖維混凝土應用技術規程》，玄武巖纖維海工混凝土需采用強制式攪拌機攪拌；因此，混凝土試件制備儀器選用單臥軸強制式混凝土攪拌機和混凝土磁性振動臺。

通過多功能混凝土耐久性綜合試驗儀完成玄武巖纖維海工混凝土電通量試驗，保證試驗儀器穩定輸出 60V 直流電壓，試件側身采用蠟脂密封，陰極溶液采用 3% 質量濃度的 NaCl 溶液，陽極溶液采用摩爾質量為 0.3mol/L 的 NaOH 溶液。

1.3試件

根據JGJ55—2011《普通混凝土配合比設計規程》，結合JTS257—2—2012《海港工程高性能混凝土質量控制標準》“高性能混凝土凝膠材料組成中單摻一種摻合料時，PO型普通硅酸鹽混水泥基準下粉煤灰摻合料需控制在 20%～35% （凝膠材料質量比）\"的要求，C40海工混凝土基準配合比：粉煤灰摻量為20% ，水膠比為 0.41 。見表2。

通過體積外摻法，外摻纖維 1.35、2.7、4.05、5.4 、6.75，8.1kg/m³ ，分別對應纖維體積率 0.05%，0.1% 、0.15%，0.2%，0.25%，0.3% ，纖維尺寸為 12、18、24mm 。BF-0表示未摻玄武巖纖維的素混凝土試件，其余試件編號分別記為BF-纖維尺寸-纖維體積率。

1.4試驗方法

根據GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法》進行混凝土工作性能試驗；澆筑21組63塊強度C40的 ?100mm×50mm 的圓柱體標準玄武巖纖維海工混凝土電通量試驗試件，經28d齡期標準養護后開展混凝土電通量試驗。確定混凝土抗氯離子滲透性能。

2結果與討論

2.1玄武巖纖維海工混凝土工作性能

2.1.1流動性分析

采用坍落度法，分析基礎新拌玄武巖纖維混凝土及無纖維的普通混凝土的坍落度和坍落擴展度數據，坍落度值越大，混凝土流動性越好。見圖1和圖2。

摻入纖維后，混凝土坍落度和擴展度都逐漸降低，纖維的摻人降低了混凝土拌和物的流動性。主要是因為纖維在混凝土基體空間中呈三維隨機分布，增加了混凝土拌和料之間的摩擦，提高了黏結性；此外玄武巖纖維的親水性使其本身對水泥漿體也具有一定程度的吸附作用，因此混凝土坍落度隨纖維摻量的增加而顯著下降。雖然纖維摻量和長度均會對混凝土流動性造成影響，但纖維摻量是影響混凝土流動性的主要因素。

基準混凝土坍落度達到 200mm ，擴展度為470mm ，流動性良好，與混凝土配合比設計值基本吻合。

當纖維摻量在 0.05%～0.1% ，坍落度下降 5～10mm 對混凝土流動性影響不大，擴展度下降程度較坍落度程度明顯；摻量在 0.1%～0.2% ，坍落度和擴展度急劇下降；當摻量超過 0.2% ，混凝土喪失流動性，可觀察坍落度此時達到 200mm 限值，即混凝土拌和物在提起坍落度筒后不發生橫向擴散；纖維長度與混凝土流動性呈反比，相同摻量下隨著纖維長度的增加，混凝土坍落度與擴展度隨之降低；同等摻量下，不同纖維長度之間坍落度與擴展度差距在 20～65mm ，即混凝土流動性受纖維摻量與纖維長度共同影響，其中纖維摻量是決定混凝土拌和物流動性變化趨勢主要因素，纖維長度屬于次要因素。

2.1.2黏聚性與保水性

在坍落度法測定拌和物流動性的基礎上，輔以目測觀察混凝土的黏聚性和保水性，在保證觀察效果具有代表性的基礎上，選取 18mm 長度的纖維進行拌和。見圖3。

試驗過程中發現，基準混凝土拌和物在平臺上自然狀態時無明顯泌水，混凝土骨料與砂槳均勻性良好，無明顯分層，但拌和物表面有少部分漿體，存在一定氣泡，通過實際接觸判斷拌和物不粘手，且不粘磚、不起砂，黏聚性良好；裝入試模分層振搗時表面逐漸析出浮漿伴隨氣泡排出，由于基準混凝土拌和物流動性良好，振搗過程中大骨料沉底易形成混凝土試件內部不均勻的空間結構，造成結構成型后存在氣泡孔道、泌水通道及表面疏松。

0.15% 纖維摻量的混凝土拌和物在平臺上自然狀態時無泌水，表面無水泥浮漿、無分層、無氣泡，可清晰觀察到玄武巖纖維與水泥砂漿、骨料均布式黏結。纖維在混凝土拌和物中分散性良好，在水泥砂槳與骨料間形成橋接體系的黏結界面包裹性良好；分層振搗過程中無浮漿氣泡，纖維、大骨料、水泥砂漿形成的三相混合體系在試模成型過程中可以保證試件內部結構的均勻性。纖維作為一種比表面積大的材料，摻入混凝土中時會將一部分填充骨料間隙的水泥漿體用來黏結自身與混凝土材料結合界面，一方面提高了纖維與混凝土拌和物的黏結強度，避免了混凝土拌和物在振搗和成型過程中內部材料沉積影響結構的均勻性，增強了纖維抑制混凝土內部微小裂縫產生和發展的性能；另一方面降低了水泥漿體的離析程度，從根本上減少了混凝土拌和物在振搗成型過程中的泌水通道，同時離析漿體的減少保證拌和物在成型過程中內部氣泡更易排出，減少了試件內部氣泡孔道，混凝土試件密實度提高。

0.3% 纖維摻的混凝土拌和物在平臺上自然狀態時無泌水，表面無水泥浮漿，肉眼觀察下呈干燥形態，無自然流動性，拌和物黏結界面分明，明顯呈現出2類黏結方式：一類為玄武巖纖維與水泥砂漿、骨料聚團式黏結，一類為玄武巖纖維與水泥砂漿聚團式黏結。由于纖維摻量的進一步增加，拌和物中一部分水泥漿體作為纖維單絲與其他混凝土材料結合界面的黏結材料，形成流動性差的聚團式纖維、大骨料、水泥砂漿三相混合體系，一部分水泥漿體被拌和物中過量散布的聚團式纖維截留，在拌和過程中進一步吸收水泥漿體而聚團成型，從而減少了拌和物中起黏結性與流動性作用的自由態水泥砂漿，即纖維、骨料、水泥砂漿形成均勻拌和物的同時，拌和物整體呈分散式聚團，具體表現為在攪動拌和物時相鄰的拌和物聚團也無法形成可靠黏結體系；在分層振搗成型過程中，振搗難度大，通過振搗消除內部孔隙時對振搗要求較高，試模內無自由流動式水泥漿體，表明試件難以產生泌水性通道，振動時內部孔隙氣泡難以通過水泥漿體的擠壓排出，雖減少了氣泡孔道生成，但內部氣泡在試件成型后仍作為氣泡孔隙存在于混凝土結構內部。

2.2抗氯離子滲透性

混凝土電通量隨著纖維摻量的增加先下降后上升。當摻入 0.1% 的 12mm 纖維時，混凝土電通量降到最低值758C，較基準組混凝土抗氯離子滲透性能提高 9.28% Δ₀^′，18Ω，24mm 纖維電通量最低值對應摻量均為 0.15% ，此時電通量降低為733、673C，混凝土抗氯離子滲透性能分別提高 12.37%.19.54% ，表明混凝土內摻入一定量玄武巖纖維可以明顯減少結構內的氯離子滲透通道；當纖維摻量超過 0.1% 時，電通量持續上升，表明該階段混凝土內滲透通道增加，在摻量為0.3% 時， 12，18mm 纖維混凝土電通量較其他纖維摻量達到峰值897、864C，均高于基準參照混凝土，即抗氯離子滲透性能下降 -7.28%.-3.35%，0.3% 摻量的24mm 纖維混凝土電通量為822C，相基準混凝土抗氯離子滲透性能增加 1.67% 。見圖4。

2.2.1纖維摻量對混凝土抗氯離子滲透性能的影響

觀察基準混凝土拌和，在規范試驗條件下，混凝土成型過程氣泡及水泥漿體因拌和振搗等原因析出，形成相較其他混凝土試件界面更為薄弱的氣泡孔道與泌水通道;此外試模內混凝土拌和物本身具有的流動性使得試件在振搗過程中大骨料易沉積于試模底部，水泥砂漿上浮，影響試件內部材質均勻性，混凝土結構成型時內部更易出現微裂縫，在氯離子侵蝕環境下作為滲透通道直接影響混凝土試件的電通量，即抗氯離子滲透性能。

隨著纖維的摻入，混凝土拌和物內纖維單絲對水泥漿體的吸附性減少了自由態水泥砂漿的含量，抑制泌水通道產生的同時保證試模頂部無過多水泥浮漿，使得試件在振搗階段內部氣泡更易排出，降低試件成型階段內部存在氣泡析出從而生成氣孔通道的可能性，同時纖維、骨料與水泥砂漿形成的良好混合體系可以保證試件在振搗乃至成型階段內部結構的穩定性，從根本上解決大骨料沉積造成的試件材質不均勻問題，較基準混凝土，在克服混凝土試件微裂縫生成與發展問題上有著更高的可靠度，進而氯離子難以通過結構的滲透通道進人混凝土試件內部，從而提高混凝土的抗氯離子滲透性能。

由圖4發現，對混凝土抗氯離子滲透性改善效果最佳的纖維摻量在 0.1%～0.15% ，當纖維摻量超過該區間，纖維混凝王的電通量開始由降變升，表明該階段混凝土抗氯離子性能開始下降，氯離子滲透通道增加。由于玄武巖纖維在混凝土拌和物內部是一種比表面積較大的絲狀結構，對水泥漿體的吸附性較強，當纖維摻量在一定范圍以內，纖維可以吸附更多的水泥漿體，減少結構振搗成型過程中不均勻浮漿及泌水通道的產生，當纖維摻量持續增加時，拌和物內纖維對水泥砂漿的吸附程度更高，逐漸吸附混凝土拌和物內提供流動性及黏結性的水泥漿體形成纖維聚團物，使得混凝土拌和物流動性降低的同時黏聚性也受到影響，隨著纖維的增多，混凝土拌和物形態逐漸向流動性差、黏結性弱、呈分散狀的纖維聚團演變，在混凝土分層振搗過程中拌和物振搗出的少量水泥漿體無法填充內部孔隙，內部氣泡也難以從流動性差的拌和物中析出，由于纖維混凝土拌和物黏結性也逐漸降低，纖維多與砂漿聚團，在振搗過程中各層混凝土拌和物之間難以形成可靠的黏結，在混凝土成型后逐漸轉化為薄弱界面，在氯離子侵蝕環境下易形成滲透通道。

2.2.2纖維長度對混凝土抗氯離子滲透性能的影響

隨著纖維長度的增加，混凝土電通量整體呈現下降的趨勢，表明混凝土抗氯離子性能與纖維長度呈正比。相同摻量下，纖維質量體積一致，纖維單絲越短，整體纖維比表面積越大，在混凝土拌和物中對水泥漿體的吸附性越強，一方面過多的水泥漿體被纖維吸附在影響混凝土拌和物的黏結性與流動性；另一方面混凝土在振搗成型過程中內部孔隙氣泡難以排出，各層拌和物間黏結界面薄弱，易受氯離子侵蝕。

3結論

1）基準混凝土坍落度達到 200mm ，擴展度為470mm ，流動性良好，與混凝土配合比設計值基本吻合。摻入纖維后，當摻量在 0.05%～0.1% 時，纖維對混凝土的影響較小，坍落度下降 5～10mm 左右，對混凝土流動性影響不大，擴展度下降程度較坍落度更明顯；當摻量在 0.1%～0.2% 時，混凝土拌和物坍落度和擴展度急劇下降，坍落度下降 100～120mm 左右；當纖維摻量超過 0.2% 后，混凝王流動性下降到極限值，此時混凝土喪失流動性，坍落度達到 200mm 限值，即混凝土拌和物在提起坍落度筒后不發生橫向擴散；纖維長度與混凝土流動性呈反比，相同摻量下隨著纖維長度的增大，混凝土坍落度與擴展度隨之降低，同等摻量下，不同纖維長度之間坍落度與擴展度差距在 20～65mm ，即混凝土流動性受到纖維摻量與纖維長度共同影響，其中纖維摻量是決定混凝土拌和物流動性變化趨勢主要因素，纖維長度屬于次要因素。

2）基準混凝土在振搗成型過程中存在氣泡孔道、泌水通道及表面疏松等現象， 0.15% 摻量浮動范圍內的纖維可以改善混凝土的均勻性和密實度，抑制滲透通道的產生和發展， 0.3% 摻量浮動范圍內的纖維會影響混凝土試件的振搗成型效果，易形成黏結薄弱界面，降低混凝土的密實度。 0.15% 摻量的混凝土拌和物中纖維在水泥砂漿與骨料間形成橋接體系的黏結界面包裹性良好，三者的三相混合體系在試模成型過程中可以保證試件內部結構的穩定性和均勻性；纖維對水泥漿體的吸附性可以強化自身與混凝土拌和物之間的黏結性、抑制氣泡孔道與泌水通道的生成；0.3% 摻量的混凝土拌和物中由于纖維吸附過量水泥漿體，形成黏結性弱、無流動性的纖維聚團物，無法形成可靠黏結體系，內部氣泡難以振搗排出仍作為孔隙存在于混凝土結構內部。

3）混凝土電通量隨著纖維摻量的增加呈先降后增的趨勢，提高混凝土抗氯離子侵蝕性能的最佳摻量為 0.1%～0.15% 0.25%～0.3% 纖維摻量會削弱混凝土抗氯離子侵蝕性能。當摻入 0.1% 的 12mm 纖維時混凝土電通量降到最低值為758C，較基準組混凝土抗氯離子滲透性能提高 9.28%，18.24mm 纖維電通量最低值對應摻量均為 0.15% ，此時電通量降低為733、673C，混凝土抗氯離子滲透性能分別提高 12.37% 、19.54% ，在摻量為 0.3% 時， 12，18mm 纖維混凝土電通量較其他纖維摻量達到峰值，為897、864C，均高于基準照混凝土，即抗氯離子滲透性能下降 -7.28% 、-3.35%，0.3% 摻量的 24mm 纖維混凝土電通量為822C，抗氯離子滲透性能增加 1.67% 。

4）纖維摻量是影響混凝土抗氯離子性能的主要因素，纖維長度是影響混凝土抗氯離子滲透性能的次要因素，隨著纖維長度的增加，混凝土電通量整體呈下降趨勢，混凝土抗氯離子性能與纖維長度呈正比。當纖維質量體積一致，纖維單絲越短，整體纖維比表面積越大，在混凝土拌和物中對水泥漿體的吸附性越強，影響混凝土拌和物的黏結性與流動性，混凝土在振搗成型過程中內部孔隙氣泡難以排出，各層拌和物間黏結界面薄弱，易受氯離子侵蝕，因此纖維長度與混凝土抗氯離子滲透性能呈正比。

參考文獻：

[1]鄔曉光，鄭鵬，黃成.基于可拓理論的混凝土梁式橋耐久性預測[J].河南城建學院學報，2019，28（2）：7-15.

[2]JEN G，OSTERTAGCP.Experimental observationsof self-consolidatedhybrid fiberreinforced concrete（SC-HyFRC）oncorrosion damagereduction[J].Constructionand Building Ma-terials，2016，105：262-268.

[3]周明，涂勁松，趙宏，等.混凝土抗氯離子耐久性的評定方法[J].河南城建學院學報，2019，28（1）：12-17.

[4]金立兵，王培勝，毛江鴻，等.混凝土結構耐久性電化學除氯效率與提升[J].河南城建學院學報，2022，31（1）：53-58.

[5]ZHANGJS，CHENGM，ZHUJH.Carbonationdepth model andpredictionof hybrid fiberflyashconerete[J].Advanceein CivilEngineering，2020.

[6]程璐，徐勍，占文，等.混摻玄武巖微纖維混凝土在濱海暗埋隧道工程中的應用[J].中國港灣建設，2022，42（10）：31-35.

[7]蔡蕊.聚烯烴粗纖維混凝土抗氯離子滲透性試驗研究[J]四川水泥，2015，（4）： 293+269 業

[8]劉素梅，胡慧瑩.混雜粗/細聚丙烯纖維混凝土力學及抗氯離子滲透性能研究[J].武漢大學學報（工學版），2019，52（2）：131-138.

[9]孫麗娟，劉兵偉，孫永娟.海水侵蝕對纖維混凝土力學性能和氯離子傳輸性能的影響[J].混凝土，2022，（6）：24-28.

[10]王繼博，任慧超，張濤，等.麥秸稈纖維混凝土抗氯離子滲透性能研究[J].新型建筑材料，2018，45（11）：131-133+138.

[11]LI Jian.Effect of chopped basalt fiber on mechanical propertiesandmicrostructure of slag flyash concrete[J].Bulletin oftheChineseCeramic Society，2017，36（2）：727-732+737.

[12]楊立云，林長宇，張飛，等.玄武巖纖維對活性粉末混凝土受壓破壞的影響[J/OL].建筑材料學報，2022，25（5）：483-489.

[13]程新，詹炳根，周安.玄武巖纖維對泡沫混凝土收縮開裂的影響[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2019，42（8）：1114-1118.

[14]李建.短切玄武巖纖維對礦渣粉煤灰混凝土力學性能和微觀結構的影響[J].硅酸鹽通報，2017，36（2）：727-732+737.

[15]吳曉斌.玄武巖纖維在土木工程中的應用研究進展[J].硅酸鹽通報，2020，39（4）：1043-1049+1056.