玄武巖纖維對(duì)水工抗沖磨混凝土性能的影響

王 強(qiáng)，陳國(guó)新，何力勁，祝燁然，黃國(guó)泓

（1.海南省紅嶺水利工程建設(shè)有限公司，?？?570203；2.南京水利科學(xué)研究院瑞迪高新技術(shù)公司，南京 210024；3.中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510610）

玄武巖纖維對(duì)水工抗沖磨混凝土性能的影響

王 強(qiáng)1，陳國(guó)新2，何力勁3，祝燁然2，黃國(guó)泓2

（1.海南省紅嶺水利工程建設(shè)有限公司，?？?570203；2.南京水利科學(xué)研究院瑞迪高新技術(shù)公司，南京 210024；3.中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510610）

玄武巖纖維（BF）作為一種綠色環(huán)保型纖維具有突出的優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)用于水工抗沖磨混凝土的研究還比較少。研究了不同摻量BF及與硅粉復(fù)摻對(duì)水工抗沖磨混凝土的性能的影響，并與聚丙烯腈纖維（PANF）進(jìn)行了對(duì)比。研究結(jié)果表明：摻加BF后混凝土的抗壓強(qiáng)度略有降低，劈裂抗拉強(qiáng)度、軸心抗拉強(qiáng)度、抗壓彈性模量、抗沖磨強(qiáng)度、抗?jié)B性能均有所提高，干縮變形也略有增大；同摻量下BF混凝土的性能優(yōu)于PANF混凝土；BF與硅粉復(fù)摻后混凝土各項(xiàng)性能提高顯著，而干縮變形小于一般硅粉混凝土，可應(yīng)用于水工抗沖磨混凝土。

水工混凝土；玄武巖纖維；聚丙烯腈纖維；硅粉；抗沖磨

我國(guó)目前在建的大量船閘、大壩、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施經(jīng)過多年的運(yùn)行，出現(xiàn)表面混凝土老化、碳化嚴(yán)重、混凝土剝落、開裂等問題，已經(jīng)影響到了水工建筑物的安全運(yùn)行及使用壽命，現(xiàn)大都進(jìn)入修復(fù)期。因此研究具有高強(qiáng)、高耐磨、高抗?jié)B性及粘結(jié)良好的，針對(duì)受高速含沙水流沖蝕水工建筑物混凝土表面的修復(fù)材料，具有重要的實(shí)際意義及廣泛的應(yīng)用前景。纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的高耐磨、高抗沖擊特性可滿足抗高速挾砂水流磨蝕及受船舶碰撞等技術(shù)要求，適用于船閘、池洪壩、溢洪道等水工建筑物表面混凝土剝落、大面積碳化受損及其受損露石的底板及廊道等的修復(fù)。

玄武巖纖維（Basalt Fiber，簡(jiǎn)寫為BF）以天然玄武巖礦石作為原料，經(jīng)1 450～1 500℃的高溫熔融后快速拉制而成的連續(xù)纖維。與碳纖維、芳綸纖維、聚乙烯纖維等其它高科技纖維相比，BF具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如突出的力學(xué)性能，耐高溫，可在-269～650℃范圍內(nèi)連續(xù)工作，耐酸堿，吸濕性低，且絕緣性好，絕熱隔音性能優(yōu)異，透波性能良好等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)玄武巖熔化過程中沒有硼、砷和其它堿金屬氧化物排出，使玄武巖連續(xù)纖維的制造過程對(duì)環(huán)境無害，無工業(yè)垃圾，不向大氣排放有害氣體，玄武巖連續(xù)纖維是21世紀(jì)新型的環(huán)保型纖維［1］。

目前已有學(xué)者對(duì)玄武巖纖維在混凝土中的應(yīng)用開展研究［2-8］，但對(duì)纖維用于提高水工混凝土抗沖磨性能的研究主要集中在聚丙烯纖維上，玄武巖纖維在這一領(lǐng)域的系統(tǒng)研究尚較少［9，10］。本文研究不同摻量玄武巖纖維及與硅粉復(fù)摻對(duì)水工抗沖磨混凝土的性能的影響，并與聚丙烯腈纖維（PANF）進(jìn)行了對(duì)比。

1 試驗(yàn)原料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

宿遷中聯(lián)P·O42.5水泥，具體性能見表1；南京華能電廠Ⅰ級(jí)粉煤灰；貴州遵義聯(lián)豐工貿(mào)有限公司產(chǎn)硅粉；駱馬湖河砂，細(xì)度模數(shù)2.3；南京江寧碎石，5～31.5 mm連續(xù)級(jí)配，表觀密度2 730 kg／m3；南京瑞迪高新技術(shù)公司產(chǎn)HLC-NAF2高效泵送劑，減水率＞18%；深圳海川工程科技有限公司產(chǎn)路威2002型聚丙烯腈纖維及浙江石金玄武巖纖維有限公司產(chǎn)BF短切玄武巖纖維，技術(shù)參數(shù)見表2。

表1 水泥的物理力學(xué)性能Table1 Physical and mechanical properties of the cement

表2 纖維技術(shù)參數(shù)Table2 Technical param eters of two fibers

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)根據(jù)SL352-2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度采用150 mm×150 mm×150 mm立方體試件；靜力抗壓彈性模量采用150 mm×150 mm×300 mm棱柱體試件；軸向抗拉強(qiáng)度、干縮試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×515 mm棱柱體試件；抗沖磨性能試驗(yàn)采用水下鋼球法；抗?jié)B試驗(yàn)采用1.3 MPa下一次加壓并恒壓24 h后測(cè)定。

設(shè)計(jì)混凝土配合比為水泥∶粉煤灰∶砂∶石∶水＝362∶60∶716∶1 072∶190（單位：kg／m3），通過調(diào)節(jié)減水劑摻量控制混凝土坍落度為18～21 cm，具體配合比及新拌混凝土性能見表3。按照表中混凝土配合比，將水泥、砂、石、外加劑、礦物摻合料和纖維在攪拌機(jī)中干拌1 min，再加水濕拌3 min，出料后測(cè)定坍落度及含氣量并裝模。

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 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

由圖1可見：纖維的摻入對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度略有降低，BF略低于PANF，且隨著BF摻量的提高，抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)；BF復(fù)摻硅粉后強(qiáng)度提高約20%，增強(qiáng)效果明顯。由圖2、圖3可見：2種纖維均能提高混凝土抗拉強(qiáng)度，同摻量下BF對(duì)抗拉強(qiáng)度的提高幅度略高于PANF，隨著BF摻量的提高，抗拉強(qiáng)度也隨之提高；BF和硅粉復(fù)摻后抗拉強(qiáng)度顯著提高。

2.2 纖維對(duì)混凝土彈性模量的影響

纖維對(duì)混凝土抗壓彈性模量的影響見圖4。由圖4可見：纖維的摻入可使混凝土彈性模量得到不同程度提高，同摻量下BF略高于PANF；隨著BF摻量提高，彈性模量呈增大趨勢(shì)；復(fù)摻硅粉后28d彈性模量提高約11.3%。

圖1 纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of fiber on concrete com pressive strength

圖2 纖維對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of fiber on concrete splitting tensile strength

圖3 纖維對(duì)混凝土軸心抗拉強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of fiber on concrete axis tensile strength

圖4 纖維對(duì)混凝土彈性模量的影響Fig.4 Effect of fiber on concrete elastic modu lus

2.3 纖維對(duì)混凝土抗沖磨性能的影響

不同纖維對(duì)混凝土抗沖磨性能的影響見表4。表中結(jié)果表明，摻入纖維能夠顯著提高混凝土抗沖磨性能，摻量同為1 kg／m3情況下BF混凝土抗沖磨強(qiáng)度提高率比PANF混凝土高8.6%；不同BF摻量時(shí)，隨著BF摻量增大，抗沖磨強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這可能與BF摻量過大后分散不均勻有關(guān)；硅粉和BF復(fù)摻后混凝土抗沖磨強(qiáng)度比空白提高117.6%，抗沖磨效果明顯。

表4 纖維對(duì)混凝土抗沖磨性能的影響Table4 Effect of fiber on concrete abrasion resistance

2.4 纖維對(duì)混凝土干縮的影響

由圖5中不同混凝土的干縮曲線可見：摻加纖維后，混凝土不同干縮齡期干縮變形比空白有所增大，且同摻量下BF混凝土干縮大于PANF混凝土；纖維摻量為1 kg／m3時(shí)，28 d干縮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%；隨著BF摻量增大，混凝土不同齡期干縮也相應(yīng)增大；硅粉和BF復(fù)摻后，混凝土28 d干縮比空白增大21.8%，比單摻BF增大14.4%。由于硅粉摻量?jī)H為16 kg／m3，相當(dāng)于取代3.8%的水泥，其導(dǎo)致的干縮變形尚不至于引起混凝土的干縮開裂問題。

圖5 纖維對(duì)混凝土收縮性能的影響Fig.5 Effect of fiber on concrete dry shrinkage

2.5 纖維對(duì)混凝土抗?jié)B性能的影響

混凝土抗?jié)B試驗(yàn)表明，摻纖維與不摻纖維抗沖磨混凝土28 d抗?jié)B等級(jí)均大于W12。但從圖6中的混凝土試件滲水高度來看，同摻量下BF混凝土試件比PANF混凝土試件的滲水高度要低7.7%；不同BF摻量下1 kg／m3時(shí)滲水高度最低，1.2 kg／m3摻量時(shí)可能由于分散不均勻?qū)е聺B水高度反而增大；硅粉和BF復(fù)摻情況下混凝土滲水高度比單摻BF降低53.8%，比空白降低82.5%。

圖6 纖維對(duì)混凝土抗?jié)B性能的影響Fig.6 Effect of fiber on concrete impermeability

3 結(jié) 論

（1）摻入纖維使混凝土抗壓強(qiáng)度略有降低，但混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度、軸心抗拉強(qiáng)度、抗壓彈性模量、抗沖磨強(qiáng)度、抗?jié)B性能得到不同程度的提高。

（2）摻量同為1 kg／m3時(shí)，BF混凝土相比PANF混凝土，除抗壓強(qiáng)度略低外，其它各項(xiàng)性能指標(biāo)均略高于后者。

（3）隨著BF摻量增大，混凝土各項(xiàng)性能并不呈現(xiàn)規(guī)律變化，某些性能反而隨摻量增大而降低，這應(yīng)該和其分散的不均勻性有關(guān)。

（4）硅粉復(fù)摻BF后混凝土各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)均明顯改善，應(yīng)用于水工抗沖磨混凝土具有突出的性能優(yōu)勢(shì)并符合國(guó)家倡導(dǎo)的綠色可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

［1］ 胡顯奇，董國(guó)義，鄢 宏.玄武巖纖維在建筑和基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用［J］.工業(yè)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 韌，畢 重，王 玉，等.短切玄武巖纖維自密實(shí)混凝土力學(xué)性能的試驗(yàn)研究［J］.混凝土與水泥制品，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.

［5］ 廉 杰，楊勇新，楊 萌，等.短切玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的試驗(yàn)研究［J］.工業(yè)建筑，2007，37（6）：8-10.（LIAN Jie，YANG Yong-xin，YANGMeng，et al.Experimental research on mechanical behavior of chopped basalt fiber reinforced concrete［J］.Industrial Construction，2007，37（6）：8-10.（in Chinese））

［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］ 李為民，許金余.玄武巖纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)和增韌效應(yīng)［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，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］ 沈劉軍，許金余，李為民，等.玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土靜、動(dòng)力性能試驗(yàn)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］ 江朝華，趙 輝，陳 達(dá)，等.玄武巖纖維及聚丙烯纖維對(duì)水泥砂漿性能影響的對(duì)比分析［J］.硅酸鹽通報(bào)，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］李光偉.玄武巖纖維在水工抗沖蝕高性能混凝土中的應(yīng)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） ）

（編輯：周曉雁）

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 強(qiáng)（1962-）男，吉林德惠人，碩士研究生，主要從事水利工程建設(shè)及運(yùn)營(yíng)管理，（電話）0898-65303010，（電子信箱）wangqiang13968＠yahoo.com.cn。