浅析玄武岩纤维在水泥混凝土性能

一、绪论玄武岩非金属纤维以它独特物理化学特性，可广泛应用于建设工程领域。以玄武岩纤维配制的混凝土，不但保持了普通水泥混凝土的优良特点，而且无机的玄武岩非金属纤维混凝土的性能是其它纤维混凝土所无法比拟的。它以绿色、环保、***的面孔高调亮相，赢得了各界建筑人士的青睐。本文通过对玄武岩纤维混凝土的性能描述，让读者在建设工程领域合理使用玄武岩纤维混凝土有个进一步的认识。二、普通水泥混凝土缺陷众所周知，普通水泥混凝土是一种三相混合材料，它是由胶凝材料、颗粒状骨料、水，必要时加入外加剂和掺合料，按混凝土配合比设计及试验验证的配合比配制，经搅拌均匀、密实成型、养护硬化而成的一种人工石材。混凝土在外部荷载或环境因素（温度和湿度）作用下会产生变形。混凝土的抗拉强度低，变形性能差，难以避免混凝土变形引起结构裂缝的产生。随着混凝土强度的不断提高，其脆性表现也越加明显。因此减少混凝土变形裂缝、增强其韧性成了目前提高混凝土性能的研究焦点之一。三、纤维水泥混凝土为了降低水泥混凝土因裂缝导致的使用缺陷，各国学者纷纷开展了增加混凝土抗拉强度和韧性的研究，其中利用纤维增强增韧水泥混凝土引起了研究人员的广泛关注。国内一些高校和研究院所就不同种类纤维的增强增韧作用进行了广泛的研究，使**度、高韧性、高耐久性的纤维增强增韧水泥混凝土取得长足发展。假定混凝土基体和纤维完全结合，且纤维在混凝土中呈一维单向排列。那么该向混凝土的抗拉强度是由纤维和基体的体积比与其应力所共同决定的，抗拉强度计算公式为： 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　σ_c=σ_fv_f σ_mv_m（1）式中：　σ_c一—混合材料的抗拉强度；σ_m　一—基体的抗拉强度； σ_f一—纤维的抗拉强度； v_f－—单位混凝土体积中的纤维体积； v_m一—基体体积。假定 　 　 　　v_f σ_{m 　=1}
则有 　 　　σ_c=σ_fv_f σ_m　（1-v_f） 　 　 　 　 　 　 　 　 　由于混凝土基体与纤维充分粘结，那么ε_c=ε_f=ε_m即 　　σ_c/E_c=σ_f/E　_f=σ_m/E　_m　　　　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　（2）设 　 　σ_f/　σ_m=　E　_f　/E　_m　=m　　 　 　 　 　 　 　 　 　则有　σ_c=σ_m　[1 V_f(m-1)]　　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 （3）这就是纤维增强抗裂机理的混合理论。它告诉我们：纤维水泥混凝土的抗拉强度，与基体的抗拉强度和单位混凝土体积中的纤维用量有关。但该理论只是简单的对纤维和水泥基体力学性能加以组合，并没有考虑纤维在水泥基体中复杂的排列方式，纤维与基体的界面实际粘结清况以及实际纤维掺量对混凝土强度的影响因素，还有待进一步的研究发展。四、玄武岩纤维水泥混凝土4.1 玄武岩纤维的适用性玄武岩纤维是由单组分玄武岩矿物原料经熔制拉丝制成，当量直径7-15μm。2002年国家科技部将“玄武岩连续纤维及其复合材料”项目列入国家863计划。2006年国家发展和**委员会将连续玄武岩纤维列为我国中长期**发展的四大高新技术纤维之一。玄武岩纤维与其它纤维相比，具有很多独特的优点。它具有更好的耐温性能，可在-269～700℃范围内连续工作；有优良的耐酸、耐碱、耐腐蚀性能；抗拉强度和*限应变率高，弹性模量大；并且同属硅酸盐系列，与水泥基相容性好，在搅拌过程中，能够较好地分散均匀，符合现有设备和施工条件的要求。玄武岩纤维与其它主要纤维的力学性能比较见表-1；根据《纤维混凝土应用技术规程》JGJT221-2010，合成纤维的性能要求见表-2。表-1 玄武岩纤维与其它主要纤维的力学性能比较

表-2 合成纤维的性能要求

综上所述，玄武岩纤维能更好的适用于纤维混凝土的生产。同其它纤维一样，对提高混凝土抗拉强度和抗裂性能，**或减少水泥基体的变形裂缝能产生明显效果。4.2 玄武岩纤维混凝土的特性玄武岩纤维是典型的硅酸盐纤维，与混凝土基体具有天然的相容性，能使新拌玄武岩纤维混凝土体积稳定，和易性较好。在混凝土中均匀多向分布玄武岩纤维，对水泥混凝土起到了“网联”与“承托”作用。这种作用所产生的效应表现在以下几个方面：（1）提高水泥混凝土的抗拉强度。玄武岩纤维易随机均匀地分布在水泥混凝土中，跨越水泥混凝土中存在的微细缝隙，对裂缝的产生和发展起到了约束作用，阻止了裂缝的扩展，从而也就提高了水泥混凝土的抗拉强度。（2）提高水泥混凝土的抗渗性能。均匀分布的大量玄武岩纤维在混凝土中起了“承托”作用，降低混凝土表面的析水与集料的离析现象，使水泥混凝土中的微空隙含量大大减少，*大地提高了混凝土的防水抗渗性能。（3）提高水泥混凝土的抗裂性能。玄武岩纤维与水泥基材料能充分混合，在混凝土中形成不规则的多向分布网络体系，这种分布造成了大量的微配筋，承受水泥混凝土在收缩变形时产生的应力和能量，增加了水泥混凝土的韧性，**了其裂纹的产生和发展。（4）提高水泥混凝土的抗冲击性能。均匀分布的玄武岩纤维对于混凝土的冲击力学性能具有一定的改善效果。通过对玄武岩纤维混凝土（BFRC）和碳纤维混凝土（CFRC）冲击力学性能的对比发现：当纤维掺量为0.11%(体积)时，玄武岩纤维的增强、增韧效果更佳。（5）提高水泥混凝土的抗冻性能。玄武岩纤维可以吸收水泥混凝土冷冻过程中张力形成的能量，延缓水泥混凝土冷冻过程中微裂纹的形成和扩散，提高水泥混凝土的抗冻性。由于生产玄武岩纤维的原料取自于天然的火山喷出岩，在原料中几乎不含有对人类健康有害的成分，在如今节约资源、绿色环保、以人为本的人文社会，玄武岩纤维混凝土在建筑工程领域的推广也具有重大而深远的意义。4.3 玄武岩纤维混凝土的应用水泥混凝土质量稳定，是纤维混凝土应用的前提之一。纤维的作用受施工过程、组成材料等影响较大，并且影响到纤维混凝土的质量。采用玄武岩纤维配置混凝土，对混凝土质量无不良影响，无机的玄武岩纤维与**的聚丙烯等纤维相比，其***等各项性能无疑更佳。因此，玄武岩纤维混凝土是一种有代表性的高性能混凝土，其耐久性能和长期性能的改善，可以拓宽建设工程应用领域。河北盛章节能科技有限公司生产短切玄武岩纤维，掺入量为2.0kg/m3，解决了部分地下室混凝土墙体裂缝的质量通病。通过对结构应力集中部位、外墙转角处、墙体中部附近等工程部位实地查看，与以往工程相比裂缝情况明显减少。但也出现新的问题：（1）在混凝土中玄武岩纤维分布不均匀，有结团现象；（2）局部产生多缝开裂。其原因分析和建议如下：（1）纤维结团。大概是玄武岩纤维掺量过多没有充分搅拌分散造成。建议玄武岩纤维掺量由2.0%改为1.0-1.2kg/m3，或适当增加玄武岩纤维混凝土的搅拌时间。（2）多缝开裂。如果纤维掺量过少、间距较大，纤维就未能发挥有效的阻裂效应，让混凝土变形造成开裂；反之，依据多缝开裂理论，当纤维掺量大于临界体积率时，纤维将承担全部荷载，并有可能产生多缝开裂现象。同样建议减少玄武岩纤维掺量。以上分析和建议可作参考，正确的结论有待通过科学研究，从科学实验中获得依据。