玄武岩纤维混凝土与聚丙烯纤维混凝土、聚丙烯腈纤维混凝土性能测试研究报告

       水泥混凝土由于具有抗压强度高，成本低廉，原材料丰富等特点，是目前结构工程中广泛应用的建筑材料。但普通混凝土自身存在一些缺陷，如容易收缩开裂、抗拉抗折强度低、韧性差、脆性大、抗冲击性能较低等，限制了混凝土在工程中的广泛应用。为此，人们在水泥基材料中掺入其他组分以改善混凝土性能的研究。

       纤维混凝土是国际上近年来发展很快的新型水泥基复合材料，以其优良的抗拉抗弯强度、阻裂限缩能力、耐冲击及优良的抗渗、抗冻性能而成功地应用于军事、水利、建筑、机场、公路等领域，目前他已成为研究较多、应用较广的水泥基复合材料之一。在混凝土基材中掺入纤维是提高混凝土韧性、抗冲击性能和抑制砂浆塑性收缩开裂的一条有效途径。

       用于纤维混凝土复合材料的纤维，其阻裂、增强和增韧作用主要取决于纤维本身的力学性能、纤维与基体的粘结性能以及纤维的数量和在基体中的分布情况。纤维根据弹性模量的大小可分为两大类，纤维弹性模量小于基体弹性模量的有：纤维素纤维、聚丙烯纤维、聚丙 烯腈纤维等；纤维弹性模量高于基体弹性模量的有：石棉纤维、玻璃纤维、钢纤维、碳纤维、芳纶纤维等。连续玄武岩纤维是近几年来时有报道的新纤维。

       连续玄武岩纤维（Continuous  Basalt  Fibre 简称CBF或BF）是一种无机纤维材料。它用纯天然火山喷出岩为原料，经1450—1500`C的高温熔融后快速拉制而成的连续纤维，其外观为金褐色。玄武岩纤维具有耐高温、耐烧蚀、耐酸碱性能好、耐化学性能好和热稳定性优越等优点。作为基础工业的增强复合材料有很好的发展前景，特别是玄武岩纤维在建筑工程中，与碳纤维有性价比优势。

受江苏天龙玄武岩连续纤维高新科技有限公司的委托，国家水泥混凝土制品质量监督检验中心对该公司生产的短切玄武岩纤维掺入混凝土的性能进行了测试，已研究玄武岩纤维掺入后对混凝土性能的影响；并结合以往聚丙烯腈纤维、聚丙烯纤维掺入混凝土后性能的改善测试的情况进行对比分析。

      连续玄武岩纤维除了具有高科技纤维高比强度、高比模量的特点外，CBF还具有耐温性佳（—269~700℃）、抗氧化、抗辐射、绝热隔音、过滤性好、抗压缩强度和剪切强度高、适应于各种环境下使用等优异性能，且价格比好，是一种纯天然非金属材料，也是一种可以满足国民经济基础产业发展需求的新的基础材料和高技术纤维（其性能见表1、表2）。由于它具有原材料的天然性、性能的综合性、成本的廉价性和工艺的简洁性、技术的高难性、以及应用的广泛性等特征。因此，CBF及其复合材料可以较好的满足建筑、国防建设、交通运输、石油化工、环保、电子、航空航天等领域结构材料的需求，对国防建设、重大工程和产业结构升级具有重要的推动作用。它既是21世纪符合生态环境要求的绿色新材料，又是一个在世界高技术纤维行业中可持续发展的有竞争力的新材料产业，也是我国新材料领域的863计划成果；尤其是我国已经拥有自主知识产权的CBF制造技术及工艺，并且以“后来者居上”的后发优势达到了国际领先水平、在我国大力发展玄武岩纤维在建筑领域的应用无疑具有重要的意义。近几年来，由于CBF良好的综合性能和性价比，越来越被材料界和建筑界领域的用户看好。

        从表1、表2中可以看出，玄武岩纤维具有一系列优越的性能。（1）原材料的天然性。由于生产CBF的原料取决于天然的火山喷出岩，除了它与生俱来就具有很高的化学稳定性和热稳定外，其中并没有与人类健康有害的成分。（2）性能的综合性。玄武岩纤维是名副其实的“多能”纤维。譬如既耐酸又耐碱、既耐低温又耐高温，既绝热电绝缘又隔音，拉伸强度超过大丝束碳纤维，断裂延伸率比小丝束的碳纤维还要好；CBF表面极性，与树脂复合时界面结合的浸润性极好，而且CBF具有三维的分子维数与分子维数—维的线性聚合物纤维相比具有较高的抗压缩强度、剪切强度和在耐恶劣环境中使用的适应性、抗老化性等等优异的综合性能。（3）成本的低廉性。水泥混凝土用的玄武岩纤维价格并不高，是聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维非常有竞争力的替代品。（4）天然的相容性。玄武岩纤维是典型的硅酸盐纤维，用它与水泥混凝土和砂浆混合时很容易分散，新拌玄武岩纤维混凝土的体积稳定、和易性好、耐久性好，具有优越的耐高温性、防渗抗裂性和抗冲击性。因此，玄武岩纤维增强混凝土可以在房屋、桥梁、高速公路、高速铁路、城市高架道路、飞机跑道、海港码头、地铁隧道、沿海防护工程、核电站设施、军事设施等等建筑领域起到加固补强、防渗抗裂、延长使用寿命等作用。CBF是天然绿色的新材料，将给人类的建筑业和我国优先发展的交通运输领域带来重大变革！

       

                                               

3.1  研究内容

按委托方要求，从以下几个方面研究不同掺量纤维对混凝土性能影响：

（1）玄武岩纤维掺入后对混凝土工作性（坍落度）的影响；

（2）玄武岩纤维对混凝土立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、静力受压弹性模量的影响；

（3）玄武岩纤维对混凝土抗冲击性的影响；

（4）玄武岩纤维对混凝土抗渗性能、抗冻性能、收缩性能的影响；

（5）玄武岩纤维对混凝土早期抗收缩缝的影响；

（6）结合以往实验结果，对玄武岩纤维与聚丙烯纤维混凝土、聚丙烯腈纤维混凝土性能进行对比。

3.2  试验用原材料

  （1）水泥

  （2）粗集料：花岗石碎石，粒径为5—25mm；

  （3）细集料：长江砂，细度模数为2.6；

  （4）水：普通自来水；

  （5）外加剂：高效减水剂；

  （6）粉煤灰：I级粉煤灰；

  （7）短切玄武岩纤维：由江苏天龙玄武岩连续纤维高新科技有限公司提供，2#配合比玄武岩纤维规格直径为16mm，长度12mm，掺量：1kg/ ;3#配合比玄武岩纤维规格直径为16µm，长度18mm，掺量：3kg/ ;

  (8)聚丙烯纤维，国内某厂生产，纤维规格直径为31µm，长度19mm，三叶异型截面，纤维密度0.91(kg/ )，掺量：0.9kg/ ;

 (9)聚丙烯腈纤维，国内某单位经销，纤维规格直径为13µm，长度6mm，纤维密度1.18(kg/ )，掺量：1kg/ 。

            表3：连续玄武岩纤维主要参数

3.3试验方法

（1）新拌混凝土坍落度试验及结果评定参照GB50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》；

（2）混凝土立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度和静力受压弹性模量试验及结果评定按照GB50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》；

（3）混凝土抗渗性能、抗冻性能（慢冻法）、收缩试验及结果评定按照GBJ82-85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》；

（4）水泥砂浆早期抗干缩开裂性能试验及结果评定按照JC/T951-2005《水泥砂浆抗裂性能试验方法》，抗开裂指数和限裂效能等级计算按CECS38：2004《纤维混凝土结构技术规程》；

（5）混凝土抗冲击性能试验参照美国砼学会ACI-544“纤维增强混凝土的性能测试”技术报告中推荐的抗冲击性能试验方法。

       锤重4.45kg，其自由落下高度1000mm，锤落在试件表面上的Ø63.5mm钢球上，冲击荷载经过钢球传递到试件上。抗冲击试件尺寸为Ø150mm×63.5mm（切割边长200mm立方体试件，去除成型表面50mm后切割而成），每组共三个试件。实验结果评定：经落锤冲击，当试件裂缝宽度大于3mm时，记录冲击次数，实验结果取3个数据的平均值。

3.4  搅拌制度

      混凝土：细集料+水泥+纤维+水+外加剂+粗集料拌合三分钟，混凝土成型采用振动台振动成型。

3.5  试验配合比见表4、表5

          表4：试验配合比（单位：kg/ ）

         表5：试验配合比（单位：kg/ ）

4.1 不同纤维、不同纤维掺量与不掺纤维的混凝土坍落度试验结果见表6

        表6：纤维的掺入对新拌混凝土坍落度的影响

4.2不同纤维、不同纤维掺量与不掺纤维的混凝土抗压强度比、抗折强度比、劈裂抗拉强度比、抗冻性能、抗渗性能提高系数、收缩性能、抗冲击性能及水泥砂浆抗干缩开裂性能的影响的实验结果见表4.

表7：纤维的掺入对混凝土抗压强度比、抗折强度比、劈裂抗拉强度比、抗渗性能提高系数、收缩率、抗冻性和抗冲击性、水泥砂浆抗干缩开裂性能的影响

注：①抗压强度比为掺纤维混凝土抗压强度与同期不掺纤维混凝土抗压强度的百分数；

②抗折强度比为掺纤维混凝土抗折强度与同期不掺纤维混凝土抗折强度的白分数；

③劈裂抗拉强度比为掺纤维混凝土抗拉强度与同期不掺纤维混凝土抗拉强度的百分数

④混凝土抗渗性能提高系数计算按式（1）计算：

               ( )×100·················（1）

式中： ——混凝土抗渗性能提高系数,%;

    ——受检混凝土的渗水高度，mm

    ——基准混凝土的渗水高度，mm

⑤混凝土抗冲击性能按式（2）计算：

                 ×100······················（2）

式中： ——混凝土抗冲击性，%

      ——受检混凝土的破坏冲击次数，次；

      ——基准混凝土的破坏冲击次数，次。

⑥收缩率比为掺纤维混凝土的收缩率与同期不掺纤维混凝土的收缩率比的百分数；

⑦抗冻性中强度损失率比为掺纤维混凝土冻后强度损失率与不掺纤维混凝土冻后强度损失率的比值百分数；

⑧裂缝降低系数按CECS38：2004《纤维混凝土结构技术规程》；

⑨限裂效能等级按CECS38:2004《纤维混凝土结构技术规程》。

5.1 纤维掺入后，由于它均匀分布于混凝土中，有效阻止了混凝土的离析，混凝土粘聚性能和抗泌水性大大提高，混凝土坍落度少有降低，但降低程度较小。玄武岩纤维与聚丙烯纤维基本一致，而聚丙烯纤维下降幅度稍大些。

5.2 在体积掺量基本一致的情况下，纤维的掺入对混凝土抗压强度略有降低，三种纤维下降幅度基本一致。在玄武岩纤维掺量较少的情况下（1.0kg/ ）抗折强度下降幅度较大。

5.3 在体积掺量基本一致的情况下，三种纤维的掺入对混凝土抗折强度、劈裂抗拉强度没有发生明显变化，在玄武岩纤维掺量较少的情况下（1.0kg/ ）抗折强度、劈裂抗拉强度有所下降。纤维的掺入可以弥补混凝土脆性的不足。

5.4 纤维的掺入明显提高混凝土的抗冲击性能。在混凝土中掺入纤维，由于纤维比表面积大，单位体积内纤维根数多，在现为内部构成一种均匀的三维乱向分布的网络体系，这一均匀的乱向网络体系有助于提高混凝土受冲击时的动能的吸收。在混凝土受冲击荷载作用时，纤维可以缓和混凝土内部裂缝尖端应力集中程度而有效地阻碍混凝土中裂缝的迅速发展，而吸收由于冲击荷载产生的动能，从而提高混凝土的抗冲击性能。在体积掺量基本一致的情况下，玄武岩纤维混凝土抗冲击性能改善更明显。

5.5  25次冻融循环后掺入纤维的混凝土抗压强度损失率低于不掺纤维的混凝土抗压强度损失率，混凝土中掺入纤维，可以缓解温度变化而引起的混凝土内部应力的作用，防止温度裂缝的扩展。同时混凝土中掺入纤维，在混合过程中引进了空气，使混凝土内空气含量增加，抗冻性能得以改善。三种纤维以聚丙烯腈纤维抗冻性能最好，在体积掺量基本一致的情况下，聚丙烯纤维与玄武岩纤维25次冻融循环混凝土抗压强度损失率基本一致。

5.6 掺入纤维的混凝土的抗渗透能力得到改善，均匀分布于混凝土中的大量纤维起了“承托”作用，降低了混凝土表面的析水与集料的离析，从而使混凝土中微孔隙含量大大降低；同时纤维的掺入减少了混凝土中的初始原生裂缝，所带来的明显的阻裂效应使纤维混凝土的抗渗能力得以提高。在体积掺量基本一致的情况下，玄武岩纤维较聚丙烯纤维有更好的抗渗透性能。

5.7 掺入纤维的混凝土的28天收缩率与基准混凝土相比没有发生明显变化。在混凝土中掺入乱向分布的纤维后有效抑制了混凝土的塑性收缩，收缩的能量被分散到具有高抗拉强度而弹性模量较低的纤维上，增加了混凝土的韧性，控制了混凝土微细裂缝的产生与发展。原因是混凝土干燥收缩变形主要是混凝土中的水分散失而引起，掺入纤维后，由于表层材料中存在纤维材料，使得其失水面积有所减小，水分迁移困难，从而使毛细管失水收缩形成的毛细张力有所降低。纤维与水泥基之间界面的粘结力、机械啮合力等，会增加材料抗收缩变形和开裂的能力，降低混凝土的收缩变形。在体积掺量基本一致的情况下，聚丙烯腈纤维抗收缩变形能力最好，玄武岩纤维与聚丙烯纤维基本一致。

5.8  掺入纤维后的水泥砂浆抗干缩性能明显提高。纤维加入混凝土中经搅拌后纤维成乱向分布，一方面降低了混凝土的收缩应力，同时混凝土的粘聚性增大，有效阻止了混凝土的离析，水分迁移困难，减少了由于水泥砂浆体塑性收缩产生的可能性。随着纤维掺量的增加，纤维砂浆塑性开裂随之减少。纤维直径小，长度小，同等质量的纤维，其纤维根数越多，纤维的比表面积就越大，从而使纤维与水泥基材的粘结面积越大，粘结作用力会随之提高，纤维将承担更大一部分塑性开裂应力，所以其抗塑性开裂性能更为优越。在体积掺量基本一致的情况下，玄武岩纤维与聚丙烯纤维抗干缩开裂性能基本一致。而比较的聚丙烯腈纤维由于纤度小，单位体积内纤维根数多，造成早期抗干缩开裂效果更好。

5.9  从试验结果来看，玄武岩纤维混凝土与聚丙烯纤维混凝土、聚丙烯腈纤维混凝土性能实验结果基本相似。达不到一定掺量时混凝土性能改善情况不明显。玄武岩纤维部分指标抗冲击性能优于聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维。玄武岩纤维掺量以3.0kg/ 为佳。

   从测试数据来看：

（1）从实验的情况来看，玄武岩纤维完全可以代替聚丙烯纤维，在如今讲究绿色、环保、节约资源的今天，玄武岩纤维混凝土在建筑工程领域推广应用的意义重大；

（2）由于玄武岩纤维混凝土所具有的优良的抗裂、抗冻及抗渗性能，有利于混凝土耐久性的提高和延长混凝土工程的使用寿命。尽管使用纤维后会使单方混凝土的成本有所增加，但考虑到掺入纤维后的混凝土使用性能的改善，使用寿命延长，综合成本下降；

（3）高强高性能混凝土在工程中越来越广泛的使用，但普通高强混凝土脆性易裂的问题更严重，纤维的掺入可有效阻碍早期塑性开裂和自收缩开裂，有效改善了高强混凝土的性能，具有广阔的应用前景；

（4）采用玄武岩纤维配置混凝土，在混凝土搅拌、浇筑成型时，对混凝土无不良影响，且能改善混凝土的粘聚性和稳定性；

（5）在混凝土中掺入玄武岩纤维，提高了混凝土的抗冲击性能，降低其脆性，可以用于道路路面及桥面层工程中，能改善混凝土的力学性能；

（6）在混凝土中掺入玄武岩纤维，可以改善混凝土的抗渗性能、抗冻融循环能力和抗收缩能力。无机的玄武岩纤维与有机的聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维相比，抗老化的性能无疑更佳，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，可以拓宽用之于港口深水码头、跨海大桥以及严寒地区等领域。

（1）由于实验条件下，试件体积一般较小，纤维的掺入的优势如纤维阻裂效应所带来的好处未能充分体现，造成对纤维实际使用效果的低估，有待于在工程应用中积累数据；

（2）由于比较的不同品种的纤维规格有所不同，而纤维的规格直接影响实验的最后结果，因此，在可能的情况下应比较同规格的不同品种纤维的影响。                      

                      —— 国家水泥混凝土制品质量监督检验中心