玄武岩纤维对水工抗冲磨混凝土性能的影响

王 强，陈国新，何力劲，祝烨然，黄国泓

（1.海南省红岭水利工程建设有限公司，海口 570203；2.南京水利科学研究院瑞迪高新技术公司，南京 210024；3.中水珠江规划勘测设计有限公司，广州 510610）

玄武岩纤维对水工抗冲磨混凝土性能的影响

王 强1，陈国新2，何力劲3，祝烨然2，黄国泓2

（1.海南省红岭水利工程建设有限公司，海口 570203；2.南京水利科学研究院瑞迪高新技术公司，南京 210024；3.中水珠江规划勘测设计有限公司，广州 510610）

玄武岩纤维（BF）作为一种绿色环保型纤维具有突出的优点，但应用于水工抗冲磨混凝土的研究还比较少。研究了不同掺量BF及与硅粉复掺对水工抗冲磨混凝土的性能的影响，并与聚丙烯腈纤维（PANF）进行了对比。研究结果表明：掺加BF后混凝土的抗压强度略有降低，劈裂抗拉强度、轴心抗拉强度、抗压弹性模量、抗冲磨强度、抗渗性能均有所提高，干缩变形也略有增大；同掺量下BF混凝土的性能优于PANF混凝土；BF与硅粉复掺后混凝土各项性能提高显著，而干缩变形小于一般硅粉混凝土，可应用于水工抗冲磨混凝土。

水工混凝土；玄武岩纤维；聚丙烯腈纤维；硅粉；抗冲磨

我国目前在建的大量船闸、大坝、桥梁等基础设施经过多年的运行，出现表面混凝土老化、碳化严重、混凝土剥落、开裂等问题，已经影响到了水工建筑物的安全运行及使用寿命，现大都进入修复期。因此研究具有高强、高耐磨、高抗渗性及粘结良好的，针对受高速含沙水流冲蚀水工建筑物混凝土表面的修复材料，具有重要的实际意义及广泛的应用前景。纤维增强水泥基复合材料的高耐磨、高抗冲击特性可满足抗高速挟砂水流磨蚀及受船舶碰撞等技术要求，适用于船闸、池洪坝、溢洪道等水工建筑物表面混凝土剥落、大面积碳化受损及其受损露石的底板及廊道等的修复。

玄武岩纤维（Basalt Fiber，简写为BF）以天然玄武岩矿石作为原料，经1 450～1 500℃的高温熔融后快速拉制而成的连续纤维。与碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维等其它高科技纤维相比，BF具有许多独特的优点，如突出的力学性能，耐高温，可在-269～650℃范围内连续工作，耐酸碱，吸湿性低，且绝缘性好，绝热隔音性能优异，透波性能良好等优点。同时玄武岩熔化过程中没有硼、砷和其它碱金属氧化物排出，使玄武岩连续纤维的制造过程对环境无害，无工业垃圾，不向大气排放有害气体，玄武岩连续纤维是21世纪新型的环保型纤维［1］。

目前已有学者对玄武岩纤维在混凝土中的应用开展研究［2-8］，但对纤维用于提高水工混凝土抗冲磨性能的研究主要集中在聚丙烯纤维上，玄武岩纤维在这一领域的系统研究尚较少［9，10］。本文研究不同掺量玄武岩纤维及与硅粉复掺对水工抗冲磨混凝土的性能的影响，并与聚丙烯腈纤维（PANF）进行了对比。

1 试验原料与方法

1.1 试验原料

宿迁中联P·O42.5水泥，具体性能见表1；南京华能电厂Ⅰ级粉煤灰；贵州遵义联丰工贸有限公司产硅粉；骆马湖河砂，细度模数2.3；南京江宁碎石，5～31.5 mm连续级配，表观密度2 730 kg／m3；南京瑞迪高新技术公司产HLC-NAF2高效泵送剂，减水率＞18%；深圳海川工程科技有限公司产路威2002型聚丙烯腈纤维及浙江石金玄武岩纤维有限公司产BF短切玄武岩纤维，技术参数见表2。

表1 水泥的物理力学性能Table1 Physical and mechanical properties of the cement

表2 纤维技术参数Table2 Technical param eters of two fibers

1.2 试验方法

试验根据SL352-2006《水工混凝土试验规程》进行，抗压强度、劈裂抗拉强度采用150 mm×150 mm×150 mm立方体试件；静力抗压弹性模量采用150 mm×150 mm×300 mm棱柱体试件；轴向抗拉强度、干缩试验采用100 mm×100 mm×515 mm棱柱体试件；抗冲磨性能试验采用水下钢球法；抗渗试验采用1.3 MPa下一次加压并恒压24 h后测定。

设计混凝土配合比为水泥∶粉煤灰∶砂∶石∶水＝362∶60∶716∶1 072∶190（单位：kg／m3），通过调节减水剂掺量控制混凝土坍落度为18～21 cm，具体配合比及新拌混凝土性能见表3。按照表中混凝土配合比，将水泥、砂、石、外加剂、矿物掺合料和纤维在搅拌机中干拌1 min，再加水湿拌3 min，出料后测定坍落度及含气量并装模。

表3 混凝土配合比及新拌混凝土性能Table3 M ix proportions of concrete and performances of fresh concrete

2 试验结果及分析

2.1 纤维对混凝土强度的影响

由图1可见：纤维的掺入对混凝土抗压强度略有降低，BF略低于PANF，且随着BF掺量的提高，抗压强度呈下降趋势；BF复掺硅粉后强度提高约20%，增强效果明显。由图2、图3可见：2种纤维均能提高混凝土抗拉强度，同掺量下BF对抗拉强度的提高幅度略高于PANF，随着BF掺量的提高，抗拉强度也随之提高；BF和硅粉复掺后抗拉强度显著提高。

2.2 纤维对混凝土弹性模量的影响

纤维对混凝土抗压弹性模量的影响见图4。由图4可见：纤维的掺入可使混凝土弹性模量得到不同程度提高，同掺量下BF略高于PANF；随着BF掺量提高，弹性模量呈增大趋势；复掺硅粉后28d弹性模量提高约11.3%。

图1 纤维对混凝土抗压强度的影响Fig.1 Effect of fiber on concrete com pressive strength

图2 纤维对混凝土劈裂抗拉强度的影响Fig.2 Effect of fiber on concrete splitting tensile strength

图3 纤维对混凝土轴心抗拉强度的影响Fig.3 Effect of fiber on concrete axis tensile strength

图4 纤维对混凝土弹性模量的影响Fig.4 Effect of fiber on concrete elastic modu lus

2.3 纤维对混凝土抗冲磨性能的影响

不同纤维对混凝土抗冲磨性能的影响见表4。表中结果表明，掺入纤维能够显著提高混凝土抗冲磨性能，掺量同为1 kg／m3情况下BF混凝土抗冲磨强度提高率比PANF混凝土高8.6%；不同BF掺量时，随着BF掺量增大，抗冲磨强度呈现先增大后减小的趋势，这可能与BF掺量过大后分散不均匀有关；硅粉和BF复掺后混凝土抗冲磨强度比空白提高117.6%，抗冲磨效果明显。

表4 纤维对混凝土抗冲磨性能的影响Table4 Effect of fiber on concrete abrasion resistance

2.4 纤维对混凝土干缩的影响

由图5中不同混凝土的干缩曲线可见：掺加纤维后，混凝土不同干缩龄期干缩变形比空白有所增大，且同掺量下BF混凝土干缩大于PANF混凝土；纤维掺量为1 kg／m3时，28 d干缩PANF混凝土比空白混凝土大4.8%，而BF混凝土比空白混凝土大6.4%；随着BF掺量增大，混凝土不同龄期干缩也相应增大；硅粉和BF复掺后，混凝土28 d干缩比空白增大21.8%，比单掺BF增大14.4%。由于硅粉掺量仅为16 kg／m3，相当于取代3.8%的水泥，其导致的干缩变形尚不至于引起混凝土的干缩开裂问题。

图5 纤维对混凝土收缩性能的影响Fig.5 Effect of fiber on concrete dry shrinkage

2.5 纤维对混凝土抗渗性能的影响

混凝土抗渗试验表明，掺纤维与不掺纤维抗冲磨混凝土28 d抗渗等级均大于W12。但从图6中的混凝土试件渗水高度来看，同掺量下BF混凝土试件比PANF混凝土试件的渗水高度要低7.7%；不同BF掺量下1 kg／m3时渗水高度最低，1.2 kg／m3掺量时可能由于分散不均匀导致渗水高度反而增大；硅粉和BF复掺情况下混凝土渗水高度比单掺BF降低53.8%，比空白降低82.5%。

图6 纤维对混凝土抗渗性能的影响Fig.6 Effect of fiber on concrete impermeability

3 结 论

（1）掺入纤维使混凝土抗压强度略有降低，但混凝土劈裂抗拉强度、轴心抗拉强度、抗压弹性模量、抗冲磨强度、抗渗性能得到不同程度的提高。

（2）掺量同为1 kg／m3时，BF混凝土相比PANF混凝土，除抗压强度略低外，其它各项性能指标均略高于后者。

（3）随着BF掺量增大，混凝土各项性能并不呈现规律变化，某些性能反而随掺量增大而降低，这应该和其分散的不均匀性有关。

（4）硅粉复掺BF后混凝土各项强度指标均明显改善，应用于水工抗冲磨混凝土具有突出的性能优势并符合国家倡导的绿色可持续发展目标。

［1］ 胡显奇，董国义，鄢 宏.玄武岩纤维在建筑和基础设施中的应用［J］.工业建筑，2004，（增刊）：21-26.（HU Xian-qi，DONGGuo-yi，YAN Hong.Application of continuous basalt fibers in construction and infrastructure［J］.Industrial Construction，2004，（Supp.）：21-26.（in Chinese））

［2］ SIM Jong-sung，PARK Cheol-woo，MOON Do-young.Characteristics of basalt fiber as a strengthening material for concrete structures［J］.Composites.PartB：Engineering，2005，（36）：504-512.

［3］ 李 韧，毕 重，王 玉，等.短切玄武岩纤维自密实混凝土力学性能的试验研究［J］.混凝土与水泥制品，2008，（2）：48-50.（LIRen，BI Zhong，WANG Yu，et al.Study on mechanical properties of self-compacting concrete using chopped basalt fibers［J］.China Concrete and Cement Products，2008，（2）：48-50.（in Chinese））

［4］ DIAS D P，THAUMATURGO C.Racture toughness of geopolymeric concretes reinforced with basalt fibers［J］.Cement＆Concrete Composites，2005，（37）：49-54.

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［6］ LIWei-min，XU Jin-yu.Mechanical properties of basalt fiber reinforced geopolymeric concrete under impact loading［J］.Materials Science and Engineering，2009，（1-2）：178-186.

［7］ 李为民，许金余.玄武岩纤维对混凝土的增强和增韧效应［J］.硅酸盐学报，2008，36（4）：476-481.（LI Wei-min，XU Jin-yu.Strengthening and toughening in basalt fiber-reinforced concrete［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2008，36（4）：476-481.（in Chinese））

［8］ 沈刘军，许金余，李为民，等.玄武岩纤维增强混凝土静、动力性能试验研究［J］.混凝土，2008，（4）：66-69.（SHEN Liu-jun，XU Jin-yu，LIWei-min，et al.Experimental investigation on the static and dynamic behaviour of basalt fibers reinforced concrete［J］.Concrete，2008，（4）：66-69.（in Chinese））

［9］ 江朝华，赵 辉，陈 达，等.玄武岩纤维及聚丙烯纤维对水泥砂浆性能影响的对比分析［J］.硅酸盐通报，2007，26（6）：1084-1088.（JIANG Chao-hua，ZHAO Hui，CHEN Da，et al.Comparing and analyzing influence of basalt and polypropylene fibers on the cement mortar［J］.Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2007，26（6）：1084-1088.（in Chinese））［10］李光伟.玄武岩纤维在水工抗冲蚀高性能混凝土中的应用［J］.混凝土，2008，（11）：77-79.（LIGuang-wei.Application of basalt fiber in the hydraulic erosion-wear high performance concrete［J］.Concrete，2008，（11）：77-79.（in Chinese） ）

（编辑：周晓雁）

Effect of Basalt Fiber on Performance of Hydraulic Abrasion Resistance Concrete

WANG Qiang1，CHEN Guo-xin2，HE Li-jin3，ZHU Ye-ran2，HUANG Guo-hong2
（1.Hannan Hongling Hydraulic Projects Construction Co.Ltd，Haikou 570203，China；2.R＆D Hightech Company，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210024，China；3.Pearl RiverWater Resources Planning，Designing and Surveying Co.Ltd，Guangzhou 510610，China）

Basalt fiber is a new type green fiber with some predominant advantages，its study to apply in hydraulic concrete with abrasion resistance is few.Different dosages of basalt fiber and the impactof basalt fiber blended with silica fume on the abrasion resistance of concretes are investigated，the concrete and polyacrylonitrile fiber are contrasted simultaneously.The results show as follows：The compressive strength of the concrete with different basalt fibers is decreased by a little，its splitting tensile strength，axis tensile strength，elasticmodulus，abrasion resistant strength and impermeability are enhanced obviously；its dry shrinkage is larger.With the same dosage，properties of the concrete with basalt fiber was superior to that with polyacrylonitrile fiber.Basalt fiber blended with silica fume can improve almostevery properties of the concrete significantly，its dry shrinkage is less than that of ordinary silica fume concrete.This kind of concrete can be used in hydraulic concrete for abrasion resistance.

concrete；basalt fibre；polyacrylonitrile fiber；silica fume；abrasion resistance

TV42

A

1001-5485（2010）04-0058-03

2009-11-19；

2010-02-01

王 强（1962-）男，吉林德惠人，硕士研究生，主要从事水利工程建设及运营管理，（电话）0898-65303010，（电子信箱）wangqiang13968＠yahoo.com.cn。