孫從炎，陳文亮，黃建超

(浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

連續(xù)火成巖纖維 (CIF，Continue Igneous Fiber)是以天然的火山巖礦石作為原料，將礦石破碎后加入熔窖中，在1450～1500℃熔融后，通過鉑銠合金拉絲漏板制成的連續(xù)纖維。因?yàn)樵摾w維主要成分為火山巖漿中的SiO2，因此稱之為“火成巖纖維”。由于早期的原料以玄武巖為主，因此，研究前期的文獻(xiàn)多稱其為“連續(xù)玄武巖纖維 (CBF，Continue Basalt Fiber)”［1］。

混凝土的耐久性主要包括了抗凍性、抗?jié)B性和抗侵蝕性，抗凍融性能是影響混凝土結(jié)構(gòu)物耐久性重要的因素之一［2］。現(xiàn)有的研究成果表明，纖維混凝土可有效改善抗?jié)B、抗凍融等工程性能和耐久性［3］。因此，火成巖纖維摻入混凝土中能否改善其抗凍融性能，是火成巖纖維水工混凝土工程性能的重要研究內(nèi)容，也是應(yīng)用于水工混凝土的基本條件。

本文在考慮水工混凝土結(jié)構(gòu)工作環(huán)境及耐久性要求的基礎(chǔ)上，通過典型混凝土配合比試驗(yàn)，研究了火成巖纖維粉煤灰水工混凝土的抗凍性能，分析了火成巖纖維對抗凍性能的增強(qiáng)效果，得到的研究成果可為火成巖纖維增強(qiáng)混凝土在水利工程中的實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。

2 抗凍性試驗(yàn)研究

2.1 原材料與配合比

2.1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)所用的水泥采用建德紅獅PO42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，經(jīng)檢驗(yàn)水泥物理力學(xué)性能符合國標(biāo)規(guī)定。砂料取自長江砂，砂料的細(xì)度模數(shù)為2.80～2.94，均屬中粗砂，粗骨料為最大粒徑40mm的碎石，摻合料采用蘭溪產(chǎn)二級(jí)粉煤灰，外加劑為杭州遠(yuǎn)流化工有限公司產(chǎn)的YL復(fù)合高效減水劑 (萘系)?；鸪蓭r纖維為浙江石金玄武巖纖維有限公司生產(chǎn)的無捻粗紗短切纖維，纖維的長度為20mm。

2.1.2 試驗(yàn)混凝土配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)混凝土配合比以水利工程經(jīng)常使用的配合比為背景，粉煤灰的摻量選取為膠凝材料的15%，在水工粉煤灰混凝土中摻入一定量的短切火成巖纖維，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C30。試驗(yàn)混凝土配合比見表1。

表1 C30粉煤灰混凝土配合比表

在表1混凝土配合比的基礎(chǔ)上，按固定水膠比和坍落度，以不同纖維摻量成型混凝土試件，纖維摻量以0.5kg/m3(體積摻量為0.15%)遞增，從0.5kg/m3增加到4.0kg/m3(體積摻量為1.26%)。為保證施工混凝土的坍落度，根據(jù)火成巖纖維混凝土的工作性試驗(yàn)成果，在纖維摻量增加的同時(shí)通過適當(dāng)增加外加劑保證相同的坍落度、水泥及水的用量。不同纖維摻量和外加劑摻量的C30粉煤灰混凝土試驗(yàn)配合比情況見表2。

表2 粉煤灰混凝土抗凍試驗(yàn)的纖維摻量表

2.2 試驗(yàn)方法

火成巖纖維混凝土抗凍試驗(yàn)按照SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行?；炷量箖鲂栽囼?yàn)試件均為尺寸100mm×100mm×400mm的棱柱體;每組試件3個(gè)，試件制作完成后1d拆模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d后，在到達(dá)試驗(yàn)齡期的前4d，將試件在 (20±3)℃的水中浸泡4d。測定初始質(zhì)量和初始自振頻率，每50次循環(huán)對試件檢測1次，測定試件質(zhì)量和自振頻率，計(jì)算相對動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失。相對動(dòng)彈性模量與混凝土的質(zhì)量損失率均按SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中的公式計(jì)算，以3個(gè)試件測值的平均值作為該組試件的試驗(yàn)結(jié)果。

相對動(dòng)彈性模量下降至初始值的60%或質(zhì)量損失率達(dá)到5%時(shí)，即認(rèn)為試件已經(jīng)破壞，并以相應(yīng)的凍融循環(huán)次數(shù)作為混凝土的抗凍等級(jí)。

3 抗凍性試驗(yàn)成果分析

3.1 試驗(yàn)成果分析

按照上述試驗(yàn)方法，得到水工粉煤灰混凝土不同纖維摻量下28d齡期的抗凍性能試驗(yàn)成果 (見表3)。由表3中可知，當(dāng)纖維摻量≤3.0kg/m3時(shí)，混凝土抗凍等級(jí)一般來說只能達(dá)到F150;當(dāng)纖維摻量為3.5，4.0kg/m3時(shí)，C30混凝土抗凍等級(jí)能達(dá)到F200。

表3 不同纖維摻量下C30粉煤灰混凝土抗凍性能試驗(yàn)結(jié)果表

將表3的成果以不同纖維摻量與凍融循環(huán)次數(shù)的質(zhì)量損失關(guān)系繪成曲線 (見圖1)，由圖1可知，總體上混凝土的質(zhì)量損失是隨著火成巖纖維摻量的增加而減少的，凍融次數(shù)從50次增加到150次時(shí)，質(zhì)量損失與纖維摻量的增加而減少的趨勢基本上一致。當(dāng)纖維摻量增加到3.5～4.0kg/m3時(shí)混凝土的質(zhì)量損失減少趨勢明顯趨緩 (50次和150次循環(huán))，說明纖維繼續(xù)增加對改善混凝土的抗凍性能的作用已不大。

同理，將表3的成果以不同纖維摻量與相對動(dòng)彈性模量關(guān)系繪成曲線 (見圖2)，由圖2可知，隨著纖維摻量增大，相對動(dòng)彈性模量也隨著增大。當(dāng)纖維摻量增加到3.0kg/m3以上時(shí)混凝土的相對動(dòng)彈性模量增強(qiáng)趨勢趨緩。

趨勢的波動(dòng)可能是由于混凝土的不均勻性和隨機(jī)性影響造成的。

上述試驗(yàn)成果反映了火成巖纖維對混凝土抗凍性能的影響，并得到不同的纖維摻量對抗凍性能的增強(qiáng)效果，以及該配合比水工粉煤灰混凝土中火成巖纖維的最佳摻量。

圖1 C30混凝土纖維摻量對重量損失影響曲線圖

圖2 C30混凝土纖維摻量對相對動(dòng)彈模影響曲線圖

3.2 抗凍性機(jī)理淺析

已有的研究成果表明，混凝土的抗凍性能主要與密實(shí)性有關(guān)［4］。而影響纖維混凝土抗凍性能的另2個(gè)方面的主要因素:一是溫度、濕度、時(shí)間和凍融循環(huán)次數(shù)等外因;二是纖維混凝土本身的特性，如抗拉極限應(yīng)變、韌性、含氣量、氣泡性質(zhì)、纖維摻量和品種等內(nèi)因。水工混凝土的性能介于高強(qiáng)混凝土和普通混凝土之間，水工混凝土的施工具有澆筑倉面大、強(qiáng)度高、溫控要求嚴(yán)格等特點(diǎn)。故水工混凝土往往通過摻入粉煤灰、降低水泥用量、以及復(fù)摻其他一些添加劑來改善混凝土性能，提高混凝土的質(zhì)量，特別是提高混凝土的抗裂性及耐久性。

從試驗(yàn)研究的成果分析，摻入纖維對提高粉煤灰混凝土抗凍融性能的作用機(jī)理可能是由于數(shù)千萬根微細(xì)纖維改善了混凝土內(nèi)在品質(zhì)，減少了內(nèi)部缺陷數(shù)量，降低了原生裂隙尺度，提高了混凝土的抗拉極限應(yīng)變和斷裂等抗拉性能;另外，由于纖維素纖維直徑小，單位質(zhì)量的纖維數(shù)量龐大，纖維間距小，增加了混凝土凍融損傷過程中的能量損耗，有效抑制了混凝土微裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，從而抑制了混凝土的凍脹開裂，有益于混凝土低溫環(huán)境下的強(qiáng)度增長和抗凍融耐久性的提高。

4 結(jié)語

試驗(yàn)結(jié)果表明，與未摻纖維的混凝土相比，火成巖纖維粉煤灰混凝土的質(zhì)量損失率和相對動(dòng)彈性模量的下降均比較小。以摻入纖維3.0kg/m3為例:摻入火成巖纖維后混凝土的質(zhì)量損失呈逐漸減小的趨勢，其失重率從50個(gè)凍融循環(huán)到150個(gè)凍融循環(huán)時(shí)下降了38.7%～31.4%;相對動(dòng)彈性模量從50個(gè)凍融循環(huán)到150個(gè)凍融循環(huán)時(shí)增加了3.5%～14.9%。相對動(dòng)彈性模量的下降和質(zhì)量損失率是判定混凝土抗凍等級(jí)的主要指標(biāo)，因此本試驗(yàn)研究對了解摻火成巖纖維的粉煤灰混凝土抗凍性能具有重要的意義，可作為火成巖纖維水工混凝土應(yīng)用的參考。

［1］齊風(fēng)杰，李錦文.連續(xù)玄武巖纖維研究綜述 ［J］.高科技纖維與應(yīng)用，2006，31(2):42-46.

［2］李金玉，曹建國，徐文雨，等.混凝土凍融破壞機(jī)理的研究［J］.水利學(xué)報(bào)，1999(1):41-49.

［3］吳釗賢.玄武巖纖維混凝土基本力學(xué)性能與應(yīng)用研究 ［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2009.

［4］潘鋼華，秦鴻根，孫偉，等.粉煤灰混凝土凍融破壞機(jī)理研究［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2002，5(1):37-41.