玄武岩纤维掺杂混凝土材料特性的相关分析

唐述长

摘要：混凝土材料的某些特殊性能可通过添加玄武岩纤维实现有效改善，采用玄武岩纤维的新型混凝土材料便能够证明其实用性，相关研究也因此大量涌现。基于此，本文围绕玄武岩纤维掺杂混凝土材料特性开展了相关试验，研究结果表明，玄武岩纤维的应用的确能够有效提升混凝土材料的部分性能，这种提升在抗折强度、收缩应变等方面的表现较为显著。

关键词：玄武岩纤维;混凝土材料;抗压强度

作为应用最广泛的建筑材料，混凝土材料具备价格低廉、易成型、抗压强度高等优势，但同时也存在韧性差、脆性大、抗拉强度低等不足，为有效弥补这类不足，近年来业界围绕复合水泥基材料开展了大量研究，在混凝土材料中掺人玄武岩纤维便属于这类研究的代表之一，本文研究的现实意义是添加这类无机材料纤维，改善混凝土材料某些不足的性能。

1玄武岩纤维混凝土的特性

玄武岩纤维是典型的硅酸盐纤维，与混凝土基体具有天然的相容性，能使新拌玄武岩纤维混凝土体积稳定，和易性较好。在混凝土中均匀多向分布玄武岩纤维，对水泥混凝土起到了“网联”与“承托”作用。这种作用所产生的效应表现在以下几个方面：

1.1提高水泥混凝土的抗拉强度。玄武岩纤维易随机均匀地分布在水泥混凝土中，跨越水泥混凝土中存在的微细缝隙，对裂缝的产生和发展起到了约束作用，阻止了裂缝的扩展，从而也就提高了水泥混凝土的抗拉强度。

1.2提高水泥混凝土的抗渗性能。均匀分布的大量玄武岩纤维在混凝土中起了“承托”作用，降低混凝土表面的析水与集料的离析现象，使水泥混凝土中的微空隙含量大大减少，极大地提高了混凝土的防水抗渗性能。

1.3提高水泥混凝土的抗裂性能。玄武岩纤维与水泥基材料能充分混合，在混凝土中形成不规则的多向分布网络体系，这种分布造成了大量的微配筋，承受水泥混凝土在收缩变形时产生的应力和能量，增加了水泥混凝土的韧性，抑制了其裂纹的产生和发展。

1.4提高水泥混凝土的抗冲击性能。均匀分布的玄武岩纤维对于混凝土的冲击力学性能具有一定的改善效果。通过对玄武岩纤维混凝土（BFRC）和碳纤维混凝土（CFRC）冲击力学性能的对比发现：当纤维掺量为0.11%（体积）时，玄武岩纤维的增强、增韧效果更佳。

1.5提高水泥混凝土的抗冻性能。玄武岩纤维可以吸收水泥混凝土冷冻过程中张力形成的能量，延缓水泥混凝土冷冻过程中微裂纹的形成和扩散，提高水泥混凝土的抗冻性。

由于生产玄武岩纤维的原料取自于天然的火山喷出岩，在原料中几乎不含有对人类健康有害的成分，在如今节约资源、绿色环保、以人为本的人文社会，玄武岩纤维混凝土在建筑工程领域的推广也具有重大而深远的意义。

2研究思路

玄武岩纤维指的是天然玄武岩为原料制成的无机纤维，生产过程需首先将玄武岩在1450-1500℃下熔融，并应用铂铑合金拉丝漏板高速拉制。玄武岩纤维具备密度与混凝土相近、化学与物理稳定性优秀、弹性模量大、抗拉强度高、经济性较高、生产过程对环境污染较低等优势。结合近年来相关研究可以发现，通过在掺入短切玄武岩纤维，混凝土材料的变形能力和抗拉强度均可实现长足提升，混凝土的开裂和收缩也能够得到较好约束，因此混凝土材料能够在玄武岩纤维支持下实现性能的长足提升。但学界围绕玄武岩纤维开展的相关研究中，有研究人员混凝土抗压强度能够在玄武岩纤维支持下实现一定提升，但也有研究人员混凝土抗压强度不会受到玄武岩纤维掺入影响，总的来说各类研究在研究结果层面存在较大差异。

综合相关研究，本文研究主要基于掺加玄武岩纤维的混凝土材料耐久性指标和力学指标变化展开，耐久性指标主要包括早期收缩性能、抗氯离子渗透性能，而力学指标则包括抗折强度和抗壓强度，由此即可为玄武岩纤维在我国工程领域的更为广泛应用提供依据。

3试验材料与方法选择

3.1材料选择

研究使用的材料包括普通自来水、级配合格的中砂、5-20mm连续级配玄武岩碎石、P·042.5标号水泥、SJ-2型引气剂、ZX-6高效减水剂、水泥混凝土用短切玄武岩纤维。玄武岩碎石具备质地坚硬、表面粗糙特点，水泥为湛江海螺水泥有限公司的普通硅酸盐水泥，引气剂和减水剂分别由上海枫杨实业有限公司、湛江兆鑫建材有限公司生产。玄武岩纤维由四川炬原玄武岩纤维科技有限公司生产，玄武岩纤维的弹性模量为105GPa，抗拉强度为3900MPa，密度为2.70g/cm3，断裂伸长率为2.7%，表1为用于试验的玄武岩纤维尺寸。

对照组配合比为：“水泥：水：砂：碎石：减水剂：引气剂=400：160：730：1140：0.7：3.5”，水灰比为0.40，该配合比属于试验的基础，对照组混凝土强度等级为C40，通过掺入玄武岩纤维实现混凝土改性，以此满足后续研究需要。

3.2方法选择

以《普通混凝土力学性能试验方法标准》（CB/T50081-2002）、《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082-2009）作为试验参考，评价指标采用7d和28d龄期的抗折强度和抗压强度、以及28d早期收缩应变与6h电通量抗氯离子渗透性能，采用应用立式收缩仪的接触法开展早期收缩试验，采用电通量法进行抗氯离子渗透性试验。

玄武岩纤维掺量对混凝土材料耐久性和强度影响的试验采用d13-15纤维规格的玄武岩纤维混凝土，试验设置不掺人玄武岩纤维的对照组，以及3个不同纤维掺入体积分数的试验组（0.04%、0.08%、0.12%），以此明确混凝土性能受到的玄武岩纤维掺量的影响。在具体的试验中发现，玄武岩纤维掺入的体积分数为0.08%时，玄武岩纤维混凝土的性能最为优越，因此采用该掺量开展混凝土性能受到的纤维规格影响试验。

4试验结果与分析

4.1抗折强度

选择d13-15规格的玄武岩纤维用于研究，开展7d和28d龄期的抗折强度试验，围绕包括对照组在内共四种玄武岩纤维掺量开展试验，由此即可明确玄武岩纤维体积分数对抗折强度的影响，对于未掺入玄武岩纤维的对照组来说，其7d和28d龄期的抗折强度分别为4.97MPa与6.14MPa，玄武岩纤维掺入体积分数为0.04%的混凝土抗折强度则分别为5.67MPa与7.00MPa，掺入体积分数为0.08%的混凝土抗折强度分别为5.78MPa与7.37MPa，掺入体积分数为0.12%的混凝土抗折强度分别为6.12MPa与7.88MPa，可见混凝土的抗折能力随着玄武岩纤维的掺入量提升而提升这主要得益于玄武岩纤维具备的较高弹性模量和抗拉强度;在玄武岩纤维掺入体积分数为0.08%情况下对比5种玄武岩纤维规格的7d与28d龄期混凝土抗折强度，可确定7d龄期对照组、d13-15、d13-20、d18-15、d18-20、d18-30的混凝土抗折强度分别为4.98MPa、5.74MPa，5.94MPa、5.63MPa、5.70MPa、5.98MPa，而28d龄期的抗折强度则分别为6.15MPa、7.43MPa、7.48MPa、7.11MPa、7.56MPa，可见长径比较大、长度较长的玄武岩纤维可更为有效的增强混凝土材料。总的来说，在纤维直径相同、界面性能优良、分布理想、体积恒定前提下，混凝土韧性增强效果会随着玄武岩纤维的长度提升而不断增长。

4.2抗压强度

选取d13-15规格的玄武岩纤维用于研究，开展7d与28d龄期的抗压强度试验，结合试验即可明确混凝土抗压强度受到的玄武岩纤维掺入影响。对于未掺入玄武岩纤维的对照组来说，其7d和28d龄期的抗压强度分别为37.52MPa与46.18MPa，0.04%掺入体积分数的混凝土则分别为38.78MPa与47.52MPa，0.08%掺入体积分数的混凝土分别为38.18MPa与46.43MPa，0.12%掺人体积分数混凝土分别为38.01MPa与46.50MPa，由此可见混凝土抗压强度在掺人玄武岩纤维后实现较小的提升，但这种提升随着玄武岩纤维掺量的提高而缩小，这种由于玄武岩纤维的掺人具备约束横向变形能力，但随着纤维的增多，混凝土的密实性会出现一定程度的下降，这种下降会对混凝土抗压强度带来一定影响。

在掺入体积分数为0.08%前提下围绕5种纤维规格开展试验，可明确混凝土抗压强度受到的玄武岩纤维规格的影响。试验表明，对照组7d与28d龄期混凝土抗压强度分别为37.85MPa与41.18MPa，d13-15分别为38.56MPa与47.11MPa，d13-20分别为37.87MPa与37.67MPa.d18-15分别为37.64MPa与36.55MPa，d18-25分别为38.77MPa与46.89MPa，d18-30分别为38.05MPa与47.44MPa。结合试验结果可以发现，混凝土抗压强度受到的玄武岩纤维积极影响有限，且各规格玄武岩纤维优劣无法实现统计学意义层面的比对。

4.3抗氯离子渗透

选取d13-15规格的玄武岩纤维开展试验，以此明确混凝土抗氯离子渗透性能受到的纤维掺量影响，其中对照组混凝土6h电通量为3422C，0.04%、0.08%、0.12%玄武岩摻入体积分数混凝土分别为3657C、3833C、4037C，可见混凝土的抗渗透性会随着玄武岩纤维的掺人量增加而降低，且降低幅度明显，这是由于纤维提供了氯离子渗透通道，且混凝土密实性也在纤维的影响下出现了一定下降所致。围绕5种玄武岩纤维规格开展进一步试验，可确定d13-15、d13-20、d18-15、d18-20、d18-30五种玄武岩纤维规格混凝土6h电通量分别为3833C、3906C、3843C、4364C、4492C，可见纤维长度的增长会有效降低混凝土抗渗透性能，这是由于纤维长度的增长会导致渗透通道延长且造成更多薄弱区域。

4.4早期收缩

选择d13-15规格的玄武岩纤维开展试验，开展28d的早期收缩试验，由此可得出图1所示的玄武岩纤维掺人对混凝土早期收缩影响，结合该图可以发现，混凝土早期收缩受到了玄武岩纤维的有效约束，收缩应变在28d实现了约15%的减少，但这一减少与玄武岩纤维掺量的变化不存在线性关系，混凝土收缩应变最小时，玄武岩纤维掺人体积分数为0.08%。

图2为混凝土早期收缩受到的纤维规格影响，结合该图可以发现，玄武岩纤维规格对混凝土早期收缩的约束能力基本一致，图2未涉及d18-25与d18-30两种玄武岩纤维规格，这是由于二者的应用会导致混凝土抗渗透能力大幅降低。

5结束语

综上所述，玄武岩纤维掺杂会直接影响混凝土材料特性，这种影响在早期收缩性能、抗氯离子渗透性能、抗折强度、抗压强度四个方面均有着较为直观体现，而为了保证玄武岩纤维更好的提升混凝土性能，玄武岩纤维规格、掺人体积分数的合理控制必须得到重视，如何控制玄武岩纤维掺人带来的负面影响也应成为关注的焦点。