火成岩纤维水工粉煤灰混凝土抗冻性能试验研究

孙从炎，陈文亮，黄建超

(浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

连续火成岩纤维 (CIF，Continue Igneous Fiber)是以天然的火山岩矿石作为原料，将矿石破碎后加入熔窖中，在1450～1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板制成的连续纤维。因为该纤维主要成分为火山岩浆中的SiO2，因此称之为“火成岩纤维”。由于早期的原料以玄武岩为主，因此，研究前期的文献多称其为“连续玄武岩纤维 (CBF，Continue Basalt Fiber)”［1］。

混凝土的耐久性主要包括了抗冻性、抗渗性和抗侵蚀性，抗冻融性能是影响混凝土结构物耐久性重要的因素之一［2］。现有的研究成果表明，纤维混凝土可有效改善抗渗、抗冻融等工程性能和耐久性［3］。因此，火成岩纤维掺入混凝土中能否改善其抗冻融性能，是火成岩纤维水工混凝土工程性能的重要研究内容，也是应用于水工混凝土的基本条件。

本文在考虑水工混凝土结构工作环境及耐久性要求的基础上，通过典型混凝土配合比试验，研究了火成岩纤维粉煤灰水工混凝土的抗冻性能，分析了火成岩纤维对抗冻性能的增强效果，得到的研究成果可为火成岩纤维增强混凝土在水利工程中的实际应用提供依据。

2 抗冻性试验研究

2.1 原材料与配合比

2.1.1 试验原材料

试验所用的水泥采用建德红狮PO42.5级普通硅酸盐水泥，经检验水泥物理力学性能符合国标规定。砂料取自长江砂，砂料的细度模数为2.80～2.94，均属中粗砂，粗骨料为最大粒径40mm的碎石，掺合料采用兰溪产二级粉煤灰，外加剂为杭州远流化工有限公司产的YL复合高效减水剂 (萘系)。火成岩纤维为浙江石金玄武岩纤维有限公司生产的无捻粗纱短切纤维，纤维的长度为20mm。

2.1.2 试验混凝土配合比设计

试验混凝土配合比以水利工程经常使用的配合比为背景，粉煤灰的掺量选取为胶凝材料的15%，在水工粉煤灰混凝土中掺入一定量的短切火成岩纤维，混凝土的强度等级为C30。试验混凝土配合比见表1。

表1 C30粉煤灰混凝土配合比表

在表1混凝土配合比的基础上，按固定水胶比和坍落度，以不同纤维掺量成型混凝土试件，纤维掺量以0.5kg/m3(体积掺量为0.15%)递增，从0.5kg/m3增加到4.0kg/m3(体积掺量为1.26%)。为保证施工混凝土的坍落度，根据火成岩纤维混凝土的工作性试验成果，在纤维掺量增加的同时通过适当增加外加剂保证相同的坍落度、水泥及水的用量。不同纤维掺量和外加剂掺量的C30粉煤灰混凝土试验配合比情况见表2。

表2 粉煤灰混凝土抗冻试验的纤维掺量表

2.2 试验方法

火成岩纤维混凝土抗冻试验按照SL 352—2006《水工混凝土试验规程》的有关规定进行。混凝土抗冻性试验试件均为尺寸100mm×100mm×400mm的棱柱体;每组试件3个，试件制作完成后1d拆模，在标准养护室养护28d后，在到达试验龄期的前4d，将试件在 (20±3)℃的水中浸泡4d。测定初始质量和初始自振频率，每50次循环对试件检测1次，测定试件质量和自振频率，计算相对动弹性模量和质量损失。相对动弹性模量与混凝土的质量损失率均按SL 352—2006《水工混凝土试验规程》中的公式计算，以3个试件测值的平均值作为该组试件的试验结果。

相对动弹性模量下降至初始值的60%或质量损失率达到5%时，即认为试件已经破坏，并以相应的冻融循环次数作为混凝土的抗冻等级。

3 抗冻性试验成果分析

3.1 试验成果分析

按照上述试验方法，得到水工粉煤灰混凝土不同纤维掺量下28d龄期的抗冻性能试验成果 (见表3)。由表3中可知，当纤维掺量≤3.0kg/m3时，混凝土抗冻等级一般来说只能达到F150;当纤维掺量为3.5，4.0kg/m3时，C30混凝土抗冻等级能达到F200。

表3 不同纤维掺量下C30粉煤灰混凝土抗冻性能试验结果表

将表3的成果以不同纤维掺量与冻融循环次数的质量损失关系绘成曲线 (见图1)，由图1可知，总体上混凝土的质量损失是随着火成岩纤维掺量的增加而减少的，冻融次数从50次增加到150次时，质量损失与纤维掺量的增加而减少的趋势基本上一致。当纤维掺量增加到3.5～4.0kg/m3时混凝土的质量损失减少趋势明显趋缓 (50次和150次循环)，说明纤维继续增加对改善混凝土的抗冻性能的作用已不大。

同理，将表3的成果以不同纤维掺量与相对动弹性模量关系绘成曲线 (见图2)，由图2可知，随着纤维掺量增大，相对动弹性模量也随着增大。当纤维掺量增加到3.0kg/m3以上时混凝土的相对动弹性模量增强趋势趋缓。

趋势的波动可能是由于混凝土的不均匀性和随机性影响造成的。

上述试验成果反映了火成岩纤维对混凝土抗冻性能的影响，并得到不同的纤维掺量对抗冻性能的增强效果，以及该配合比水工粉煤灰混凝土中火成岩纤维的最佳掺量。

图1 C30混凝土纤维掺量对重量损失影响曲线图

图2 C30混凝土纤维掺量对相对动弹模影响曲线图

3.2 抗冻性机理浅析

已有的研究成果表明，混凝土的抗冻性能主要与密实性有关［4］。而影响纤维混凝土抗冻性能的另2个方面的主要因素:一是温度、湿度、时间和冻融循环次数等外因;二是纤维混凝土本身的特性，如抗拉极限应变、韧性、含气量、气泡性质、纤维掺量和品种等内因。水工混凝土的性能介于高强混凝土和普通混凝土之间，水工混凝土的施工具有浇筑仓面大、强度高、温控要求严格等特点。故水工混凝土往往通过掺入粉煤灰、降低水泥用量、以及复掺其他一些添加剂来改善混凝土性能，提高混凝土的质量，特别是提高混凝土的抗裂性及耐久性。

从试验研究的成果分析，掺入纤维对提高粉煤灰混凝土抗冻融性能的作用机理可能是由于数千万根微细纤维改善了混凝土内在品质，减少了内部缺陷数量，降低了原生裂隙尺度，提高了混凝土的抗拉极限应变和断裂等抗拉性能;另外，由于纤维素纤维直径小，单位质量的纤维数量庞大，纤维间距小，增加了混凝土冻融损伤过程中的能量损耗，有效抑制了混凝土微裂缝的出现和发展，从而抑制了混凝土的冻胀开裂，有益于混凝土低温环境下的强度增长和抗冻融耐久性的提高。

4 结语

试验结果表明，与未掺纤维的混凝土相比，火成岩纤维粉煤灰混凝土的质量损失率和相对动弹性模量的下降均比较小。以掺入纤维3.0kg/m3为例:掺入火成岩纤维后混凝土的质量损失呈逐渐减小的趋势，其失重率从50个冻融循环到150个冻融循环时下降了38.7%～31.4%;相对动弹性模量从50个冻融循环到150个冻融循环时增加了3.5%～14.9%。相对动弹性模量的下降和质量损失率是判定混凝土抗冻等级的主要指标，因此本试验研究对了解掺火成岩纤维的粉煤灰混凝土抗冻性能具有重要的意义，可作为火成岩纤维水工混凝土应用的参考。

［1］齐风杰，李锦文.连续玄武岩纤维研究综述 ［J］.高科技纤维与应用，2006，31(2):42-46.

［2］李金玉，曹建国，徐文雨，等.混凝土冻融破坏机理的研究［J］.水利学报，1999(1):41-49.

［3］吴钊贤.玄武岩纤维混凝土基本力学性能与应用研究 ［D］.武汉:武汉理工大学，2009.

［4］潘钢华，秦鸿根，孙伟，等.粉煤灰混凝土冻融破坏机理研究［J］.建筑材料学报，2002，5(1):37-41.