易 谷

纤维对于抑制混凝土收缩、提高混凝土抗裂性具有明显的作用效果。目前在工程中使用的纤维增强复合材料主要是碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维。碳纤维由于具有高抗拉强度和弹性模量、质量轻、抗腐蚀能力强等优点被广泛用于各种结构的加固，但其价格较贵且原材料受国外市场波动影响较大。玻璃纤维和芳纶纤维价格相对便宜，但抗拉强度和弹性模量较低，特别是耐久性能不够理想，一定程度上约束了其应用。

连续玄武岩纤维是用火山爆发形成的一种玻璃态的玄武岩矿石经高温熔融后快速拉制而成的无机纤维材料，具有既耐酸又耐碱，既耐低温又耐高温，既绝热电又隔音，拉伸强度和模量高，抗压缩强度、剪切强度高，抗老化性好等优异的性能，并且成本低廉，是聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维非常有竞争力的替代产品。玄武岩纤维是典型的硅酸盐纤维，用玄武岩短切纤维与水泥混凝土和砂浆混合时很容易分散，这些优越的性能都使得玄武岩纤维增强混凝土不管在性能还是经济效益上都具有巨大的潜在价值。本试验主要探索不同种类玄武岩纤维对混凝土新拌工作性能的影响，并研究了其对混凝土力学性能的影响［1-3］。

1 试验设计

1.1 原材料

试验所用原材料主要为水泥、集料、矿物掺合料、玄武岩纤维和外加剂等。水泥为哈尔滨水泥厂生产的天鹅牌P.O42.5水泥。粉煤灰为哈尔滨第三发电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，其性能指标和化学组成见表1。减水剂选用上海花王化学有限公司生产的Mighty 100萘系高效减水剂。

表1 粉煤灰性能指标和化学组成

本试验所用玄武岩纤维均由四川省航天拓鑫玄武岩实业有限公司生产短切纱纤维，长度为25mm，直径为18 μm，其中玄Ⅰ类纤维是经常规加工制造而得，玄Ⅱ类纤维对普通玄武岩纤维采用硬质丙烯酸树脂改性后加工而成，玄Ⅲ类纤维、玄Ⅳ类纤维是在普通玄武岩纤维基础上采用不同配方的软质丙烯酸改性而成，柔性较玄Ⅰ类纤维、玄Ⅱ类纤维更好。试验所用聚丙烯纤维为江苏丹阳合成纤维厂生产的“丹阳丝”聚丙烯纤维。

1.2 试件配合比

1)水灰比0.42;2)玄Ⅰ类纤维、玄Ⅱ类纤维、玄Ⅲ类纤维、玄Ⅳ类纤维、聚丙烯纤维掺量分别为2.8kg/m3，2.8kg/m3，2.8kg/m3，2.8kg/m3，0.9kg/m3;3)粉煤灰掺量:按水泥质量的 10%掺入;4)减水剂掺量:按水泥质量的1%掺入。

2 玄武岩纤维对新拌混凝土性能的影响

要使玄武岩纤维混凝土具有较好的抗裂、抗渗、抗冲击性等性能，其关键技术是在制备混凝土拌和物时，保证纤维的均匀分散和拌和物具有良好的流动性［4］。

2.1 玄武岩纤维对拌和过程的影响

本试验的拌和过程由混凝土搅拌机完成，纤维的加入方式采用分次掺入。在搅拌过程中，基准混凝土的流动性与和易性都较好，满足施工要求;加入纤维后，混凝土流动性普遍变小，据试验观察，几种玄武岩纤维对流动性的影响大小对比如下:玄Ⅱ类纤维＞玄Ⅰ类纤维＞玄Ⅳ类纤维＞玄Ⅲ类纤维＞聚丙烯纤维。

2.2 玄武岩纤维对坍落度的影响

试验结果如图1所示，基准混凝土流动性较好，坍落度值为220mm，加入纤维后，混凝土坍落度出现不同程度的降低，玄Ⅰ类纤维、玄Ⅱ类纤维、玄Ⅲ类纤维和玄Ⅳ类纤维分别使混凝土的坍落度降低 40.9%，36.4%，63.6%和 40.9%。据此可表明，玄武岩纤维的加入增大了混凝土的内部粘聚力，使混凝土在其自重作用下流动受到更大的剪切阻力，其中玄Ⅲ类纤维与混凝土的粘结作用最强，玄Ⅱ类纤维与混凝土的粘结作用最弱。

2.3 玄武岩纤维对含气量的影响

试验结果如图2所示，基准混凝土的含气量为2.8%，加入纤维后玄Ⅰ类纤维、玄Ⅱ类纤维、玄Ⅲ类纤维和玄Ⅳ类纤维分别使混凝土的含气量增加 14.3%，10.7%，3.8%和 10.7%，由此说明，玄武岩纤维的加入使混凝土内界面增多，原料间的间隙增大，故有更多气体引入。产生差别的原因可能是断裂程度不同使界面数量与大小有所差别，另外，玄武岩纤维在搅拌过程中的分散程度及其与水泥骨料的粘结力也会对气体含量造成影响。

3 玄武岩纤维对混凝土力学性能的影响

3.1 玄武岩纤维对抗压强度的影响

通过早期(3 d)、中期(28 d)、后期(90 d)抗压强度来讨论纤维的影响作用。养护后的标准抗压试件在压力机下的力学表现所得数据如图3所示。

3 d基准混凝土的抗压强度为26.8 MPa，玄Ⅰ类纤维、玄Ⅱ类纤维、玄Ⅳ类纤维分别使混凝土早期抗压强度降低了12.7%，19.0%，5.2%，而玄Ⅲ类纤维使混凝土早期抗压强度提高25.4%，与其他玄武岩纤维在早期的表现截然相反。可能因为混凝土早期并未完全硬化，玄武岩纤维的加入使混凝土内部界面裂缝增多进而导致强度降低，而玄Ⅲ类纤维能更快在混凝土中构成坚实的网状结构并形成强度。相对玄武岩纤维，聚丙烯纤维的加入使混凝土的早期强度下降更多，使其较基准混凝土降低26.1%，这可能因为聚丙烯使混凝土的硬化速度减慢。

基准混凝土的28 d抗压强度为42.9 MPa，而玄Ⅰ类纤维、玄Ⅱ类纤维、玄Ⅲ类纤维和玄Ⅳ类纤维分别使混凝土28 d抗压强度提高 28.9%，12.8%，32.4%和 13.5%。

90标准养护后，玄武岩纤维的加入使混凝土后期强度均有很大提高，基准混凝土的抗压强度为47.2 MPa，而玄Ⅰ类纤维、玄Ⅱ类纤维、玄Ⅲ类纤维和玄Ⅳ类纤维分别使混凝土抗压强度提高22.9%，18.9%，33.1%和 23.3%。

3.2 玄武岩纤维对抗折强度的影响

本试验采用三点抗折实验方法测定抗折强度［5］，通过测定掺入纤维混凝土的3 d，28 d，90 d试件抗折强度来研究玄武岩纤维对混凝土抗折强度的影响规律，不同纤维对混凝土抗折强度的影响规律如图4所示。

基准混凝土的早期抗折强度3.6 MPa，玄Ⅰ类纤维和玄Ⅱ类纤维的加入分别使混凝土强度提高8.3%和5.6%，玄Ⅲ类纤维的掺入未改变强度，而玄Ⅳ类纤维使混凝土早期抗折强度降低13.9%，但总体而言，各类玄武岩纤维混凝土较基准混凝土早期抗折强度差别不大;另外，聚丙烯纤维的加入使混凝土早强降低8.3%，与玄Ⅰ类纤维的影响效果相似。

玄武岩纤维对混凝土抗折强度的影响在28 d时表现得较为明显，基准混凝土的28 d抗折强度为4.9 MPa，较早期强度仅提高了8.3%，而此时玄武岩纤维混凝土的抗折强度已较早期强度成倍增长，玄Ⅰ类纤维、玄Ⅱ类纤维、玄Ⅲ类纤维和玄Ⅳ类纤维的加入分别使混凝土28 d抗折强度较基准提高46.9%，14.3%，18.4%和6.1%，后三类玄武岩纤维混凝土强度相近，玄Ⅰ类纤维混凝土的抗折强度相对较大。实验结果验证，玄武岩纤维阻止了混凝土脆性及自收缩所产生的微裂纹，减少了裂缝源的数量，并使裂缝尺度变小，这就降低了裂缝尖端的应力强度因子，缓和了裂缝尖端应力集中程度，在受力过程中，又抑制了裂缝的引发与扩展，进而提高了混凝土的抗折强度［6，7］。

基准混凝土的90 d抗折强度为7.3 MPa，玄Ⅰ类纤维、玄Ⅱ类纤维的加入分别使混凝土长期抗折强度提高27.4%，23.3%，而玄Ⅲ、玄Ⅳ分别使混凝土抗折强度较基准混凝土90 d强度分别下降 2.7%，27.4%。

3.3 玄武岩纤维对静弹性模量的影响

试验结果如图5所示，基准混凝土的弹性模量值为32.1 GPa，玄Ⅰ、玄Ⅱ类纤维的掺入分别使混凝土的静弹性模量提高27.0%，18.0%，使混凝土在同等应力作用下应变减小;聚丙烯纤维的掺入也使混凝土的弹性模量提高了1.3%，但较玄武岩纤维对混凝土静弹模的提高程度小，对混凝土抗变形的改善作用较玄武岩纤维弱。

4 结语

本文主要研究了玄武岩纤维对混凝土新拌工作性能和力学性能的影响，通过试验得出影响规律如下:

1)玄武岩纤维使混凝土拌和过程中流动性、工作性降低，且玄武岩纤维使流动性的降低程度高于聚丙烯纤维;使混凝土含气量增加3.8%～14.3%，除玄Ⅲ类纤维外，其他玄武岩纤维使混凝土中引入气体均比聚丙烯纤维多。2)抗压强度方面，玄Ⅰ类纤维、玄Ⅱ类纤维和玄Ⅳ类纤维使混凝土3 d强度降低5.2%～19.0%，而玄Ⅲ类纤维使其升高25.4%，聚丙烯纤维使早强降低程度比玄武岩纤维大;玄武岩纤维使混凝土28 d，56 d，90 d抗压强度有较大增幅，改善程度大于聚丙烯纤维。3)抗折强度方面，玄Ⅰ类纤维、玄Ⅱ类纤维使混凝土3 d强度提高5.6%，8.3%，而玄Ⅲ类纤维、玄Ⅳ类纤维略有降低，聚丙烯纤维对早强的影响与玄Ⅰ类纤维相似;玄武岩纤维使混凝土28 d强度提高6.1%～46.9%，且除玄Ⅳ类纤维提高程度均大于聚丙烯纤维;玄Ⅰ类纤维、玄Ⅱ类纤维使混凝土90 d强度提高23.3%～27.4%，玄Ⅲ类纤维、玄Ⅳ类纤维使56 d强度降低2.7%～27.4%，聚丙烯纤维的影响居中。4)玄武岩纤维使混凝土的弹性模量提高18.0%～27.0%，使混凝土在同等应力下应变更小，虽聚丙烯纤维对弹性模量也有提高，但程度不及玄武岩纤维。

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［2］POMEROY C.D..Concrete as an Alternative Material［J］.Proceedings，Institution of Mechanical Engineers，1978(192):135-144.

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［4］陈兴芬，胡显奇.玄武岩纤维增强混凝土的开发和应用［A］.第七届全国纤维水泥制品学术、标准、技术信息经验交流会暨第二届三次中国硅酸盐学会混凝土水泥制品分会纤维水泥制品专业委员会、第二届二次中国硅酸盐学会房建材料分会建筑结构与轻质板材专业委员会论文汇编［C］.2008:1-6.

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