干濕循環(huán)條件下玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能研究

高紅　朱輝　侯倩倩

摘要：在干濕循環(huán)條件下，通過(guò)玄武巖纖維混凝土和普通混凝土進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，分析了二者的抗壓強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)和質(zhì)量損失率的變化情況，結(jié)果表明摻加玄武巖纖維能有效提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)。由于玄武巖纖維具有經(jīng)濟(jì)綠色的優(yōu)點(diǎn)，可以通過(guò)推廣，廣泛應(yīng)用于干濕交替的海洋環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：干濕循環(huán)；玄武巖纖維；抗壓強(qiáng)度；抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)；質(zhì)量損失率

中圖分類號(hào)：TU528.572 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-3024（2016）22-0001-04引言

自從混凝土問(wèn)世以來(lái)，其一直承擔(dān)著極其重要的角色。隨著混凝土技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，纖維混凝土憑借其在抗壓強(qiáng)度和耐久性上的優(yōu)勢(shì)，得到了建筑行業(yè)的廣泛應(yīng)用。其中，玄武巖纖維混凝土就是一種典型代表。

混凝土是一種多相復(fù)合材料、各組成材料性質(zhì)差異、并且受施工養(yǎng)護(hù)影響，混凝土內(nèi)不可避免的存在微裂縫。這些裂縫的存在，降低了混凝土強(qiáng)度，也是混凝土呈脆性破壞的主要原因。

加入摻合料和化學(xué)外加劑，提高混凝土的密實(shí)性和強(qiáng)度，是制備高性能混凝土的主要途徑。

但是，它們的抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比僅為6%，存在拉壓比低、韌性差與收縮大等缺點(diǎn)。并且隨著強(qiáng)度的提高，混凝土脆性表現(xiàn)的愈明顯。減少收縮、提高韌性成為了目前混凝土研究的焦點(diǎn)之一。

纖維具有抑制混凝土收縮，提高混凝土抗拉強(qiáng)度，增加混凝土韌性的作用，有望解決高強(qiáng)高性能混凝土中出現(xiàn)的拉壓比低、韌性差和收縮大的問(wèn)題。同時(shí)，也能夠適應(yīng)現(xiàn)有施工水平和設(shè)備條件。

纖維增強(qiáng)混凝土作為一種復(fù)雜的增強(qiáng)復(fù)合材料，具有較高的強(qiáng)度和優(yōu)越的變形能力，有廣泛而重要的工程應(yīng)用背景，特別是軍事防護(hù)工程領(lǐng)域。

玄武巖纖維是一種新的混凝土增強(qiáng)材料，由純天然的火山巖（含玄武巖）礦石經(jīng)高溫熔融、拉絲而成，是典型的硅酸鹽纖維，具有天然的相容性和優(yōu)越的力學(xué)性能。

國(guó)外對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料研究得比較深入，Dylmar Penteado Dias等研究了玄武巖纖維摻量對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)無(wú)機(jī)聚合物水泥混凝土斷裂韌度的影響，并將其與玄武巖纖維增強(qiáng)硅酸鹽水泥混凝土（Basalt fiber reinforced concrete，簡(jiǎn)稱BFRC）的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，玄武巖纖維增強(qiáng)無(wú)機(jī)聚合物水泥混凝土具有更加優(yōu)越的斷裂性能。

值得注意的是，當(dāng)玄武巖纖維的體積摻量為1%時(shí)，玄武巖纖維增強(qiáng)硅酸鹽水泥混凝土的準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度，較素混凝土分別降低了26.4%、12%。

Zielinski等室內(nèi)測(cè)試了玄武巖纖維增強(qiáng)水泥砂漿28天的物理、力學(xué)性能，并給出了纖維的最佳摻量。然而，國(guó)內(nèi)在此方面的研究才剛剛起步。

“玄武巖纖維是玄武巖在1450℃-1500℃的溫度下經(jīng)熔斷后，通過(guò)鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續(xù)纖維。純天然的玄武巖纖維呈現(xiàn)褐色，并且?guī)в薪饘俟鉂?，玄武巖纖維是一種無(wú)機(jī)環(huán)保綠色高性能材料。

它除了具有穩(wěn)定性好、電絕緣性、抗腐蝕性的優(yōu)點(diǎn)外，還具有生產(chǎn)工藝產(chǎn)生的廢棄物少，對(duì)環(huán)境污染小，產(chǎn)品可直接轉(zhuǎn)入生態(tài)環(huán)境中，無(wú)任何危害的優(yōu)點(diǎn)。”

除此以外，我國(guó)玄武巖的儲(chǔ)量豐富，主要分布在福建福鼎市白琳大嶂山、河南洛陽(yáng)市蔡店鄉(xiāng)、山東沂水圈里鄉(xiāng)和安徽明光市等，廣泛的玄武巖來(lái)源也為玄武巖纖維在價(jià)格上奠定了一定的優(yōu)勢(shì)。

玄武巖纖維作為我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的四大纖維之一，已經(jīng)在我國(guó)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，其在建筑行業(yè)、汽車行業(yè)、高溫過(guò)濾織物和隔熱材料等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。玄武巖纖維主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

玄武巖纖維混凝土是在混凝土中加入一定量的玄武巖纖維，能夠提高混凝土的粘聚性和穩(wěn)定性，同時(shí)提高混凝土的抗沖擊能力，降低其脆性，還可以改善混凝土的抗?jié)B能力、抗凍融能力和抗收縮能力，有利于提高混凝土的耐久性，延長(zhǎng)混凝土的使用壽命。

雖然摻入玄武巖纖維后使混凝土的成本有所增加，但考慮到摻入纖維后的混凝土使用性能的改善，使用壽命延長(zhǎng)，綜合成本下降。

對(duì)于存在于海水周期性浸濕環(huán)境中的混凝土，由于干濕交替，受到海水中氯離子滲透、硫酸鹽的侵蝕和陽(yáng)光、海水協(xié)同作用致鹽分積累引起鋼筋腐蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，從而造成維修費(fèi)用大大增加的現(xiàn)象。

因此，如何提高干濕交替環(huán)境下混凝土力學(xué)性能和耐久性能成為迫切需要解決的問(wèn)題。本文主要通過(guò)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)處于干濕交替環(huán)境中的普通混凝土和纖維混凝土進(jìn)行對(duì)比，對(duì)玄武巖纖維混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行研究。

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)的原材料選用P.042.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料為本地中河砂，粗骨料為級(jí)配為26.5的碎石，水采用普通自來(lái)水，玄武巖纖維采用江蘇天龍玄武巖纖維高新科技有限公司生產(chǎn)的玄武巖纖維短切紗，長(zhǎng)度為12mm。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和方便對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)了兩種水灰比的混凝土試塊，共四組?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)如表2所示：

1.2試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)制作混凝時(shí)采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌，拌合時(shí)先將纖維與砂、石、水泥同時(shí)加入攪拌機(jī)干拌30s，然后加水濕拌90s。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了四組抗壓混凝土試件，試件尺寸均為150mm×150mm×150ram。

編號(hào)分別為1-1、1-2、2-1和2-2。1-2組和2-2組玄武巖纖維混凝土的摻量為5kg/m³，攪拌完成后玄武巖纖維分布均勻。攪拌完成后裝入邊長(zhǎng)為150mm的混凝土試模中，通過(guò)振動(dòng)臺(tái)振實(shí)成型，24h后拆模并且放入恒定溫度20±3℃，相對(duì)濕度90%以上的養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)28d后，將每組試塊均放入烘箱中和人工配置的海水中進(jìn)行干濕循環(huán)（人工海水的配置如表2）。

為加快試驗(yàn)進(jìn)度，采取人工海水的濃度為天然海水濃度的5倍。根據(jù)配合比，先向自來(lái)水中加入NaCl、CaSO₄·2H₂O和CaCO₃，放置一夜，當(dāng)完全溶解后再加入MgCl₂和MgSO₄·7H₂O，等到鹽完全溶解并混合均勻后即可使用。

在侵蝕的過(guò)程中，侵蝕液的濃度會(huì)逐漸變化，因此，每隔15d更換一次溶液。將試件全部浸泡在人工海水溶液中16h，然后拿出置于80℃條件下的烘箱中烘8h，此為一個(gè)干濕循環(huán)，如此反復(fù)。在此期間15個(gè)干濕循環(huán)測(cè)定一次試件的抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量。

1.2.1抗壓強(qiáng)度測(cè)定

試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，測(cè)定干濕循環(huán)次數(shù)0次、15次、30次和45次混凝土試件的抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量。試驗(yàn)采用的儀器為WAW-2000微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，加載速度為0.5-0.8MPa/s。

三個(gè)試件為一組，以三個(gè)試件測(cè)值的算術(shù)平均值，作為該組試件的抗壓強(qiáng)度值。三個(gè)測(cè)值中的最大值或最小值，如果有一個(gè)與中間值的差超過(guò)中間值的15%，則把最大值及最小值一并舍去，取中間值作為該組試件的抗壓強(qiáng)度值；如果有兩個(gè)測(cè)值與中間值的差均超過(guò)中間值的15%，則該組試件的試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效。

1.2.2抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)測(cè)定

混凝土強(qiáng)度耐蝕系數(shù)應(yīng)按照下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

Kr-強(qiáng)度耐蝕系數(shù)（%）；

f_cn-為N次干濕循環(huán)后混凝土試件的抗壓強(qiáng)度測(cè)定值，精確至0.1MPa；

f_co-與受硫酸鹽腐蝕試件同齡期的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的一組對(duì)比混凝土試件的抗壓強(qiáng)度測(cè)定值，精確至0.1MPa。

f_co和f_cn以三個(gè)試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為測(cè)定值。當(dāng)最大值或最小值之一，與中間值之差超過(guò)中間值的15%時(shí)，剔除此值，取其余兩值的平均值作為測(cè)定值；當(dāng)最大值和最小值均超過(guò)中間值的15%時(shí)，則取中間值作為測(cè)定值。

1.2.3質(zhì)量損失率

2試驗(yàn)結(jié)果

在達(dá)到規(guī)定的干濕循環(huán)次數(shù)后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。同時(shí)觀察經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)后混凝土的破損情況。以干濕循環(huán)30次時(shí)1-1組試塊為例，圖1是試塊的力一時(shí)間曲線圖，圖2是抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后外觀圖。

2.1抗壓強(qiáng)度

2.1.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3給出了不同干濕循環(huán)次數(shù)條件下，混凝土的抗壓強(qiáng)度。

表3試件抗壓強(qiáng)度

2.1.2試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3給出了不同干濕循環(huán)次數(shù)條件下，混凝土抗壓強(qiáng)度一干濕循環(huán)次數(shù)曲線。

從圖3混凝土抗壓強(qiáng)度一千濕循環(huán)次數(shù)曲線圖中可以看出，水灰比同為0.45的1-1組試塊和1-2組試塊相比，水灰比同為0.55的2-1組試塊和2-2組試塊相比，可以發(fā)現(xiàn)同齡期下?lián)郊有鋷r纖維的混凝土的試塊均較不摻加玄武巖纖維的混凝土試塊強(qiáng)度高，說(shuō)明摻加玄武巖纖維是可以提高混凝土強(qiáng)度的。

玄武巖纖維在混凝土中均勻分布，具有較好的抗拉強(qiáng)度和較大的變形能力，同時(shí)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，起到二次強(qiáng)化的效果，減少了離析裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展。當(dāng)外力傳遞給混凝土?xí)r，可以通過(guò)玄武巖纖維與混凝土共同作用，改善混凝土的韌性，提高強(qiáng)度。

同時(shí)，四組試塊強(qiáng)度均呈現(xiàn)出隨著人工海水干濕循環(huán)次數(shù)的增加，強(qiáng)度先增大后降低的趨勢(shì)。1-1組試塊在干濕循環(huán)30次，強(qiáng)度達(dá)到最高值，而1-2、2-1和2-2組試塊在干濕循環(huán)15d時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最高值。

這是由于在干濕交替條件下，混凝土受到海水中改成氯離子、鎂離子、硫酸根離子等與混凝土中水泥中的水化產(chǎn)物等發(fā)生水化反應(yīng)等化學(xué)反應(yīng)，生成不溶性或難溶性物質(zhì)，填充了混凝土內(nèi)部的空隙，提高了混凝土的密實(shí)度，進(jìn)而提高了混凝土的強(qiáng)度。

隨著人工海水干濕循環(huán)的進(jìn)行，混凝土的腐蝕程度加深，主要表現(xiàn)為混凝土中固相物質(zhì)溶解造成溶失性破壞，同時(shí)在侵蝕介質(zhì)的作用下，混凝土中的鹽結(jié)晶體積增加，產(chǎn)生有害的內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致膨脹性破壞，混凝土試塊出現(xiàn)了強(qiáng)度下降的現(xiàn)象。

2.2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4給出了不同干濕循環(huán)次數(shù)條件下，混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)的變化曲線。

由圖4可見(jiàn)，混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加出現(xiàn)增大又減小的趨勢(shì)。

四組試塊的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)最大值分別為108.39%、120.13%、109.90%和116.28%，干濕循環(huán)45次后四組試塊的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)分別為98.08%、114.00%、98.5%和101.8%。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)楦蓾裱h(huán)開(kāi)始時(shí)，混凝土試塊的表面的空隙被腐蝕物填充，提高了混凝土的密度，抗壓能力增加，抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)增大；隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，混凝土的腐蝕程度增加，抗壓強(qiáng)度腐蝕系數(shù)減小。

由此可見(jiàn)，在水灰比相同的情況下，摻加玄武巖纖維的混凝土的抗壓強(qiáng)度系數(shù)明顯高于普通混凝土的抗壓強(qiáng)度系數(shù)。

2.3質(zhì)量損失率

2.3.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5給出了不同干濕循環(huán)次數(shù)條件下，混凝土的平均質(zhì)量。

2.3.2試塊質(zhì)量損失分析

表6給出了不同干濕循環(huán)次數(shù)條件下，混凝土的質(zhì)量損失率的試驗(yàn)結(jié)果。

圖5是混凝土質(zhì)量損失率變化曲線。

從圖5中可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，1-1組、1-2組合1-3組混凝土試塊均出現(xiàn)質(zhì)量減少、質(zhì)量損失率增加的現(xiàn)象。

這是由于試塊表面或者玄武巖纖維表面的附著物和雜質(zhì)被人工海水腐蝕溶于水中而造成質(zhì)量減少的現(xiàn)象。而2-2組混凝-土試塊，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，質(zhì)量出現(xiàn)升高又減少的現(xiàn)象，從而質(zhì)量損失率出現(xiàn)負(fù)值為0.62。

這是由于人工海水中的離子與試塊中水泥等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生不溶或者難溶物質(zhì)，造成試塊的質(zhì)量輕微增加。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，部分雜質(zhì)和附著物溶于水中，質(zhì)量又會(huì)減少。但是此種現(xiàn)象符合混凝土試塊在干濕循環(huán)過(guò)程中質(zhì)量變化的機(jī)理。

同時(shí)，四組試塊干濕循環(huán)45次時(shí)的質(zhì)量損失率m1-1、m1-2、m2-1、m2-2分別為0.74%、0.73%、O.5%和0.37%。在干濕交替環(huán)境下，水灰比相同的試塊相比可以看出，摻加玄武巖纖維的混凝土試塊質(zhì)量損失率低于普通混凝土試塊質(zhì)量損失率。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是玄武巖纖維具有抗腐蝕性和耐堿的特性，對(duì)混凝土的耐腐蝕能力有提高作用。但是四組混凝土試塊的質(zhì)量損失率變化相當(dāng)平緩，不宜作為混凝土耐久性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）同等配合比和干濕循環(huán)交替環(huán)境條件下，摻加玄武巖纖維能有效提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，改善混凝土的韌性。

（2）摻加玄武巖纖維的混凝土能有效提高混凝土的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)，有效提高混凝土早期強(qiáng)度，對(duì)混凝土早期強(qiáng)度有較高要求的結(jié)構(gòu)可以考慮加入玄武巖纖維。

（3）同等配合比和干濕循環(huán)交替環(huán)境條件下，摻加玄武巖纖維混凝土的質(zhì)量損失率變化較小，不宜將質(zhì)量損失率作為評(píng)定混凝土耐久性的標(biāo)準(zhǔn)。

4玄武巖纖維混凝土的應(yīng)用與推廣

自國(guó)家將玄武巖纖維項(xiàng)目列入863計(jì)劃開(kāi)始，積極有效整合了相關(guān)資源，玄武巖纖維相關(guān)產(chǎn)業(yè)得到迅猛發(fā)展。玄武巖纖維作為新型的混凝土增強(qiáng)材料，在建筑行業(yè)中的應(yīng)用前景十分廣闊。

其以高性能、低成本的發(fā)展為目標(biāo)，與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土相組合，充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)。

但是由于玄武巖纖維成分復(fù)雜，影響因素較多，要進(jìn)一步研究分析纖維含量與混凝土抗壓性能和抗沖擊性能等，推廣玄武巖纖維在建筑行業(yè)的應(yīng)用，取得良好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。