玄武岩纤维混凝土抗压强度及抗冻性试验研究

白金丽

（北华大学 林学院，吉林 吉林132013）

1 概述

混凝土冻融破坏问题是北方地区混凝土耐久性失效的主要原因之一，造成的结构损害极其严重，经济损失难以估量。该问题已经受到国内外学者的重视。胡邦胜[1]研究认为大掺量粉煤灰可以显著增强混凝土抗冻性。肖治微[2]通过复硅灰、矿渣、粉煤灰及引气剂提升了混凝土抗冻性能。这些研究是通过矿料细粉的填充作用和活化作用，提高混凝土密实度。近来一些学者提出了纤维增强混凝土。在众多纤维中，玄武岩纤维是较理想的增强材料[3]。S Jalasutram[4]研究表明玄武岩纤维会使混凝土的抗压强度略有下降，但是劈裂抗拉强度和弯曲抗拉强度均显著提高。K krayushkina[5]研究了纤维掺量、纤维长度与尺寸比对混凝土力学性能的影响。王钧[6]研究表明玄武岩纤维对早期抗压强度有延缓作用，随着纤维掺量的增加，抗折强度和劈裂强度显著增强。谢晓杰[7]研究表明玄武岩纤维可以显著增强混凝土抗冻融性能。目前，玄武岩纤维混凝土研究主要集中在力学性能方面，对抗冻性研究相对较少。并且多数研究只考虑了玄武岩纤维掺量，而对于不同纤维长度和直径的研究较少。本文探索玄武岩纤维的掺量、长度和直径三个参数对混凝土抗压强度和抗冻性能的影响。

2 试验原材料、试验设计及方法

2.1 试验原材料。水泥为吉林市冀东水泥厂的42.5 级硅酸盐水泥；粗集料为天然玄武岩，表观密度2860kg/m3，堆积密度1412kg/m3；细骨料为天然河砂，细度模数2.45 中砂；玄武岩纤维为吉林通鑫玄武岩科技股份有限公司生产，长度为 3mm、6mm 和9mm，直径为15um、18um 和22um，断裂强度1612Mpa；水为普通自来水。

2.2 试验设计与方法。本文试验分为两部分，即抗压强度试验和冻融循环试验。第一部分试验，设计参数如下：纤维掺量分别为0%、0.2%、0.4%、0.6%和0.8%，长度分别为3mm、6mm 和9mm，直径分别为15um、18um 和22um。第二部分试验。以抗压强度试验为基础，设计参数如下：掺量分别为0%、0.3%、0.35%、0.4%、0.45%、0.5%，长度6mm，直径22um。依据试验设计制备混凝土试件，试件尺寸 为 100mm ×100mm ×100mm 和 100mm ×100mm×400mm，前者用于抗压强度试验，后者用于冻融循环试验。待试件硬化后脱模，在温度20±2℃，相对湿度95%条件下养护28 天。

3 试验结果与分析

3.1 玄武岩纤维混凝土破坏形态分析。从图1可发现，素混凝土破坏后骨料脱落，表现脆性破坏。玄武岩纤维混凝土当掺量超过0.2%时，试件“破而不碎”，表现出一定延性。当掺量为0.4%时，试件破坏后裂缝较少，且水泥石剥落较少。当掺量超过0.6%时，试件破坏出现了大量的裂缝，但破碎的水泥石和骨料仍由纤维连结在一起。说明一定量玄武岩纤维对水泥石的剥落和裂缝的开展有一定的抑制作用。

3.2 玄武岩纤维混凝土抗压强度分析

图2 可发现，掺入一定量长度6mm 的纤维会使混凝土的强度有略微的提高，相比未掺时提高了4.36%。另外两种长度随掺量增加强度均有所下降。当掺量大于0.6%时，强度下降明显。这是由于掺量过多使内部的纤维间距过密，导致水泥和骨料间的有效粘结界面下降，因此强度会下降。图3 可发现，三种直径的纤维，长度为6mm 的纤维试件强度均为最高。直径22um，长度6mm 试件强度最高为42.66Mpa，相比素混凝土强度提高11.35%。直径15um 的玄武岩纤维，长度为3mm 的试件强度最低，为35.82Mpa。其原因是当纤维的长度较小时，与混凝土粘结力较小。在荷载作用时，容易造成纤维的抽丝现象，因此强度较低；直径为22um 的纤维混凝土强度高于15um 和18um 的纤维混凝土。长度6mm、直径22um 的纤维混凝土抗压强度可达到42.66Mpa，相比于15um 的纤维混凝土强度高6.70%，相比18um 的纤维混凝土强度高8.97%。原因是较大直径的纤维会与水泥石粘结的更加充分、紧密，可减轻应力集中现象。

3.3 玄武岩纤维混凝土抗冻性分析

图4 可发现，素混凝土NC 和纤维混凝土BC 的质量损失率均随冻融次数的增加而增大。总体上，掺入纤维混凝土的质量损失小于素混凝土。随冻融次数增加，素混凝土NC 的质量损失率显著增大，纤维混凝土BC-3 和BC-2 的质量损失率折线相对缓和，说明玄武岩纤维对混凝土的冻融循环作用有一定的改善作用。图5 可发现，随冻融次数增加，几组试件的相对动弹性模量均降低，但幅度不同。素混凝土NC 的下降幅度最大，在100次冻融循环作用时，相对动弹性模量达到58.79%，小于了规范中要求的60%。下降幅度最小的是BC-2，在冻融循环100 次时，相对动弹性模量为77.12。说明玄武岩纤维的掺入能够有效抑制混凝土相对动弹性模量的降低。掺量为0.35%时，效果最佳。

图1 试件破坏形态

图2 抗压强度与纤维掺量关系

图3 抗压强度与纤维长度、直径关系

图4 冻融次数与质量损失率关系

图5 冻融次数与相对动弹性模量关系

4 结论

玄武岩纤维的掺入可以使混凝土材料产生一定的延性，对水泥石的剥落和裂缝的开展有一定的抑制作用; 玄武岩纤维的掺入对混凝土抗压性能有略微提高，当纤维掺量为0.4%、长度为6mm、直径为22um 时，纤维混凝土强度最高为42.66Mpa，较素混凝土强度提高11.35%;玄武岩纤维可以有效改善混凝土抗冻融循环能力，纤维掺量为0.35%时，改善效果最佳。