玄武岩纤维混凝土力学性能及抗渗性研究

余彦锋

(广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东 广州 510507)

水泥混凝土因其具有强度高、刚度大、使用寿命长、经济效益好等特点，被广泛应用于基础设施建设中。随着现代化建设水平的提高，这对混凝土性能也提出了更高的要求，尽管混凝土具有优良的工程特性，但普通水泥混凝土自身也存在的抗拉、抗折强度低，韧性差，脆性大等缺点，这限制了水泥混凝土在工程中更广泛的应用。通过国内外研究进展发现将纤维材料掺入混凝土中能够有效提高混凝土强度和韧性。

目前水泥混凝土中常用的纤维有玻璃纤维、碳纤维、钢纤维和聚丙烯纤维等。玻璃纤维与水泥材料属性差异较大、难以相容[1]；碳纤维价格昂贵且在混凝土内部难以分散[2]；钢纤维与聚丙烯纤维耐腐蚀性差，不利于其长期阻裂效应的发挥[3]；而玄武岩纤维是一种纯天然矿物纤维，由天然玄武岩经高温熔融后拉丝制成，具有高强度、耐酸碱、吸湿性低、绝缘性好、化学性质稳定、性价比高等优点，同时其与水泥基材料相容性好，线膨胀系数和弹性模量也与水泥基材料相近，将其掺入水泥混凝土中可以实现其与混凝土协同变形，提高混凝土的强度和韧性[4-6]。

但目前国内外不同学者在玄武岩纤维对混凝土力学性能和抗渗性的影响方面，尚未形成统一的结论，部分学者认为玄武岩纤维对混凝土抗压强度增强作用不明显，甚至会降低混凝土的抗压强度[7]。基于此，本文通过室内试验，研究了玄武岩纤维长度和掺量对混凝土的力学性能和抗渗性的影响规律，旨在为玄武岩纤维在混凝土中的应用提供参考。

1 原材料

纤维采用浙江某公司生产的短切玄武岩纤维，其技术指标见表1；水泥采用P·O42.5 普通硅酸盐水泥，其技术指标见表2；粗集料采用质地坚硬的轧制碎石，细集料采用河砂，细度模数为2.75，粗细集料的筛分结果见表3 和表4。外加剂采用聚羧酸系高效减水剂，最大减水率可达26%，减水剂用量为1.0%。

表1 玄武岩纤维技术指标

表2 水泥技术性质

表3 粗集料筛分结果

表4 细集料筛分结果

2 配合比设计及试验方案

配合比设计参照普通纤维混凝土配合比设计流程。参考相关研究，采用长度分别为6mm、12mm、18mm、24mm、30mm 的玄武岩纤维进行外掺，掺量为混凝土体积的0.1%，研究不同长度的玄武岩纤维对混凝土在不同龄期性能的影响。采用纤维长度为18mm，掺量分别为混凝土体积的0.05%、0.1%、0.15%的玄武岩纤维进行外掺，研究玄武岩纤维掺量对混凝土不同龄期性能的影响。并设置不掺加纤维的基准组作为空白对照，不同纤维长度和掺量下的玄武岩纤维配合比设计结果见表5。

表5 玄武岩纤维混凝土配合比

3 试验结果与分析

3.1 抗弯拉强度

抗弯拉强度试验按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 3420-2020)进行，试件尺寸150mm×150mm×550mm，不同纤维长度及掺量的玄武岩纤维混凝土在不同龄期的抗弯拉强度试验结果见图1、图2。

图1 玄武岩纤维长度对抗弯拉强度的影响

图2 玄武岩纤维掺量对抗弯拉强度的影响

由图1 可知：掺入玄武岩纤维的混凝土7、28d 抗弯拉强度均高于基准组，这表明玄武岩纤维的掺入能够提升混凝土的抗弯拉强度。随着纤维长度的增加，玄武岩纤维混凝土的抗弯拉强度先增大后略有减小，当纤维长度为24mm 时达到峰值，24-0.1%组的7、28d 抗弯拉强度相较于基准组分别增大27.91%和16.07%，玄武岩纤维对混凝土早期抗弯拉强度的增长作用较后期显著。

由图2 可知：随着纤维掺量的增加，玄武岩纤维混凝土的抗弯拉强度均增大，纤维体积掺量在0%～0.1%范围内时，混凝土的抗弯拉强度几乎呈线性增长；掺量大于1.0%时增长趋势逐渐平缓。18-0.05%、18-0.1%及18-0.15%的7d 抗弯拉强度相较于基准组分别增大13.95%、25.58%及27.91%，28d 抗弯拉强度相较于基准组分别增大7.14%、12.5%及12.5%。

由于玄武岩纤维与混凝土具有相似的化学性质和相近的容重，掺入玄武岩纤维后，玄武岩纤维与混凝土良好的相容性使其能在混凝土内部均匀分布，填充混凝土的内部孔洞，并优化混凝土内部结构，使得混凝土内部结构更密实、整体性更好。当混凝土承受外荷载产生裂纹时，混凝土内部均匀分布的玄武岩纤维能够凭借其良好的抗拉强度承受一部分荷载，实现与混凝土的协同受力，从而提升混凝土的抗弯拉强度。但当玄武岩纤维长度过长时，纤维在混凝土拌和时不易分散，易产生纤维聚团现象；同时当纤维掺量过大时，过量的纤维难以在混凝土内部均匀分散，使得混凝土整体性变差，这导致掺量的增加对混凝土抗弯拉强度改善不明显，甚至使得混凝土抗弯拉强度有所下降。

3.2 劈裂抗拉强度

劈裂抗拉强度试验参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 3420-2020) 中T0560 2005 进行，试件尺寸为150mm×150mm×150mm，不同纤维长度及掺量的玄武岩纤维混凝土在不同龄期的立方体劈裂抗拉强度试验结果见图3、图4。

图3 玄武岩纤维长度对劈裂抗拉强度的影响

图4 玄武岩纤维掺量对劈裂抗拉强度的影响

由图3 可知：掺入玄武岩纤维的混凝土7、28d 劈裂抗拉强度均高于基准组，这表明玄武岩纤维的掺入能够提升混凝土的劈裂抗拉强度。随着纤维长度的增加，玄武岩纤维混凝土的劈裂抗拉强度先增大后略有减小，24-0.1%组的7d 劈裂抗拉强度最高，较基准组增长了25%，18-0.1%组和24-0.1%组的28d 劈裂抗拉强度均为最高，较基准组增长了12.77%。当纤维长度超过24mm 时，混凝土的劈裂抗拉强度开始略有降低，30-0.1%组的7、28d 劈裂抗拉强度相较于24-0.1%组分别降低了2.22%和1.89%，但相较于基准组仍增加了22.22%和10.64%。

由图4 可知：随着纤维掺量的增加，玄武岩纤维混凝土的劈裂抗拉强度同样先增大后减小，在体积掺量0.1%时达到峰值，18-0.1%组7、28d 劈裂抗拉强度较18-0.05%和18-0.15%分别增加了7.32%、3.92%和2.33%、3.92%。

当纤维长度在6～24mm 范围内时，纤维越长，在混凝土中被拔出越困难，对混凝土劈裂抗拉强度的提升效果越明显。而当纤维过长时，易导致纤维聚团，使混凝土内部结构存在缺陷，对混凝土劈裂抗拉强度的提升效果反而不明显。纤维体积掺量在0.1%以内时，随着掺量增大，混凝土受压破坏界面的纤维增加，能够起到阻止裂缝扩展的作用，使得混凝土劈裂抗拉强度提升；当掺量大于0.10%时，纤维在混凝土内部难以均匀分散，混凝土内部结构缺陷区增多，使得混凝土劈裂抗拉强度下降。

3.3 立方体抗压强度

立方体抗压强度试验按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 3420-2020)进行，试件尺寸为150mm×150mm×150mm，不同纤维长度及掺量的玄武岩纤维混凝土不同龄期的立方体抗压强度试验结果见图5、图6。

图5 玄武岩纤维长度对抗压强度的影响

图6 玄武岩纤维掺量对抗压强度的影响

由图5 可知：当体积掺量为0.1%时，随着所掺入玄武岩纤维长度的增加，混凝土立方体抗压强度整体呈现先增大后减小的趋势，玄武岩纤维长度为18mm 时，混凝土7d 和28d 的立方体抗压强度均达到峰值，较基准组分别增长7.69%和5.02%。当纤维长度为6～18mm 时，混凝土抗压强度增长平缓，而当纤维长度超过18mm 时，混凝土7、28d 抗压强度均呈现明显下降趋势，甚至低于不掺加纤维的基准组，30-0.1%组的7、28d 立方体抗压强度较基准组分别降低了4.47%和7.32%。

由图6 可知：随着纤维掺量的增加，玄武岩纤维混凝土的抗压强度先增加而后略有降低，但体积掺量在0.05%～0.15%范围内均能够提升混凝土的抗压强度，其中18-0.1%组的7、28d 立方体抗压强度均为最大，较18-0.05%组在以上两个龄期分别增加2.07%和1.99%，较18-0.15%组在以上两个龄期分别增加0.69%和1.00%，理论上存在最佳掺量。

合适长度范围的玄武岩纤维的掺入使得混凝土更加密实，整体性更好，提高混凝土的抗压强度。但当纤维长度和掺量过大时，纤维的交错搭接增加了混凝土内部的孔隙，降低了混凝土的密实度，从而使混凝土的抗压强度降低。

3.4 抗渗性

抗渗性试验参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 3420-2020)进行，采用渗水高度法。试件为上下直径与高度均为150mm 的圆柱体，不同纤维长度及掺量的玄武岩纤维混凝土的渗水高度试验结果见图7、图8。

图7 玄武岩纤维长度对渗水高度的影响

图8 玄武岩纤维掺量对渗水高度的影响

由图7、图8 可知：纤维体积掺量为0.1%时，随着所掺入玄武岩纤维长度增大，渗水高度先减小后增大，玄武岩纤维长度为6mm、12mm、18mm、24mm 时的渗水高度相较不掺加纤维的基准组分别下降17.88%、31.39%、21.17%、2.19%；玄武岩纤维长度为30mm 时的渗水高度相较不掺加纤维的基准组增加9.12%。随着玄武岩纤维掺量的增加，渗水高度先减小后增大，当体积掺量为0.1%时渗水高度最小。

结果表明长度为6～18mm 的玄武岩纤维对混凝土抗渗性具有良好的改善作用，这是由于玄武岩纤维的掺入能够减少水泥混凝土中的连通孔隙和泌水通道，在混凝土内部形成空间网状结构，从而提高混凝土的密实度。但过长的纤维难以在混凝土内部均匀分布并保持笔直状态，从而导致混凝土内部出现更多的薄弱区域，致使混凝土抗渗性下降。同时过量的纤维在混凝土拌和过程中不易分散，且易引入过量的气泡，导致混凝土密实性降低，对混凝土抗渗性不利。

4 结论

通过玄武岩纤维混凝土力学性能和抗渗性试验研究，得到以下结论：

4.1 玄武岩纤维的掺入能够提高混凝土的抗弯拉强度，纤维长度为24mm、掺量为0.1%的混凝土抗弯拉强度最大，7d 强度较不掺加纤维的基准组增加了27.91%，当纤维长度继续增加时，抗弯拉强度开始降低。

4.2 玄武岩纤维的掺入能够提高混凝土的劈裂抗拉强度，随着纤维长度和掺量和增加，混凝土的劈裂抗拉强度均先增大后减小。当纤维长度为24mm，掺量为0.1%的混凝土的7、28d 劈裂抗拉强度均最大，较不掺加纤维的基准组分别增长了25%、12.77%。

4.3 长度小于18mm 的玄武岩纤维的掺入能够提高混凝土的抗压强度，但提升效果并不显著，当玄武岩纤维长度为18mm、掺量为0.1%时，混凝土7d 和28d 的立方体抗压强度均达到峰值，较基准组分别增长7.69%和5.02%。当纤维长度超过18mm，随着纤维长度增加，混凝土抗压强度开始降低。

4.4 随着玄武岩纤维长度和掺量的增加，混凝土的渗水高度均呈现先减小后增大的趋势，玄武岩纤维长度为12mm，纤维体积掺量为0.1%时，混凝土的渗水高度相较不掺加纤维的基准组降低了31.39%。而当纤维长度过长、掺量过大时，混凝土的渗水高度开始增大，甚至高于基准组，这表明过长及过量的玄武岩纤维对混凝土密实性不利，使得混凝土抗渗性下降。