玄武岩纤维水工高性能混凝土的耐久性研究.pdf

2 0 1 3年第 5期 5月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 3 No 5 Ma v 玄武岩纤维水工高性能混凝土的耐久性研究 何军拥 ， 田承宇 ( 1 广东工贸职业技术学院 ， 广州 5 1 0 5 1 0 ； 2 中国水利水电第八工程局科研设计院， 长沙 4 1 0 0 0 7 ) 摘要 ： 通过试验研 究发 现 ， 玄武岩纤维材料 具有 良好的耐酸碱 性能， 掺入 玄武岩纤维可使 水工高性能混凝 土 的抗渗性能 、 抗 氯离子渗透性能和抗冻性能均得到明显改善 。 关键词 ： 玄武岩纤维 ； 水工 高性能混凝土； 耐久性能 ； 抗渗性 ； 抗氯离子渗透性 ； 抗 冻性 Ab s t r a c t ： T h rou g h t h e e x p e ri me n t a l r e s e a r c h ， i t i s f o u n d t h a t the b a s alt fi b e r ma t e ri a l h a s g o o d r e s i s t a n c e t o a c i d a n d a l k a l i At t h e s a me t i me ， c o mp a r e d wi t h t h e o r d i n a r y c o n c r e t e ， t h e p e r f o r ma n c e o f i mp e rm e a b i l i t y ， c h l o r i d e p e rm e a b i l i t y a n d f r o s t r e s i s t a n c e o f b a s a l t fi b e r r e i n f o r c e d h y d r a u l i c e o n c r e t e c a n b e i mp r o v e d o b v i o u s l y Ke y wo r d s ：B a s a l t fi b e r ；H i g I 1 p e rf o rma n c e h y d r a u l i c c o n c r e t e ； D u r a b i l i t y ； I m p e rme a b i l i t y ； C h l o r i d e p e rme a b i l i t y ； Fr o s t r e s i s t a nc e 中图分类号 ： T U 5 2 8 5 7 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 O O O 一 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 l 0 5 - 4 6 - 0 3 0前 言 水工混凝土建筑物 的最显著特点就是长期工 作在水环境之中， 因此 ， 水的渗透 、 侵蚀 、 冻融 、 冲刷 和磨蚀等要 比一般混凝土建筑物严重得多 。近年 来 ， 国内外 由于混凝土耐久性不 良而引起的工程损 坏事故不断发生 ， 由此带来 了工程维修费用 的迅速 增加 ， 因此 ， 混凝土的耐久性研究受到了普遍重视 。 近年来 ， 国内外许多学者专心致力于水工混凝土的 改性研究 。水利水电科学研究院等部门通过对我 国 3 2座水电站混凝土大坝以及 4 0余座钢筋混凝土闸 等水工混凝土建筑物耐久性及病害处理调查表明 ， 我 国已建 的水工混凝土建 筑物在运行 中主要存在 以下病害 ： 裂缝破坏 、 渗漏 溶蚀 、 冻融破坏 、 冲磨气 蚀 、 碳化及钢筋锈蚀 、 环境水的侵蚀以及低 强风化 、 碱骨料反应和坝顶的不正常升高 ” 。 有关研究表明 ，在混凝土 中掺入适量的纤维 ， 能改善混凝土 的脆性特征 ，减少混凝土的收缩裂 缝 ， 提高混凝土的韧性 、 抗 冲击性能 ， 还能提高混凝 土 的抗渗 、 抗冻等特性 ， 是水工混凝 土高性能化 的 很好途径I2 。玄武岩纤维被誉为“ 石头变丝” 的 2 l 世 纪新型环保型材料 ， 亦被称为最佳“ 多能” 纤维。有 国外专家认 为 ， 玄武岩纤维最具优势的是其综合性 能 。研究表明 ， 在水泥砂浆 中掺入乱 向短切玄武岩 纤维后 ， 强度及抗裂性能均得到明显改善 。 本文主要 对玄武岩纤维 水工混凝 土的耐久性 能进行研究 ， 主要研究内容有 ： 玄武岩纤维材料 的 耐蚀性和化学稳定性 ， 玄武岩纤维? 昆凝土的抗渗性 基 金项 目： 中国水利水电建设集 团公 司资助项 目。 46 - 能 、 抗氯离子渗透性能和抗冻性能。 1 试 验用 原材料 及搅 拌工 艺 1 1 原材料 ( 1 ) 短切玄武岩纤维 ： 主要性能参数见表 1 。 表 1 玄武 岩纤维 的主要性能参数 ( 2 ) 聚丙烯纤维 ： 直径 1 7 m， 长 1 2 m m， 密度为 0 91 k g m 。 ( 3 ) 其它原材料 ： 水泥 、 粗集料 、 细集料 、 高效减 水剂 、 粉煤灰 ， 原材料技术参数与参考文献【 5 】 相同。 1 2 搅拌工艺 混凝土搅拌工艺与参考文献 5 中的搅拌工艺 相 同 。 2 试 验研 究及 分析 2 1 玄武岩纤维的耐蚀性和化学稳定性 首先 ， 由于水泥是一种碱性材料 ， 所以 ， 增强纤 维应具有较好的耐碱性能 ， 才能保证在水泥基材中 的增强效果 ； 其次 ， 在堤坝等水工混凝土结构 以及 其它易受潮湿 、 盐类与碱性混凝土介质腐蚀而导致 金属钢筋腐蚀 的结构 中 ， 对纤维的耐酸性 、 耐碱性 也有较高的要求。鉴于 目前对于增强纤维的耐碱和 耐酸性能试 验的相关研究报道还较少 ， 本研究主要 对 聚丙烯纤维 、玄武岩纤维 和耐碱玻璃纤维 的耐 酸 、 耐碱性能进行了对比试验 。试验方法 ： 取2 0 g纤 维原纱 ， 在腐蚀温度 8 0 的 2 mo l L H C 1 溶液 、 N a O H 溶 液中煮 2 h 、 4 h 、 6 h和 8 h后 取出 ，用清水 冲洗干 净 ， 放置在室温下干燥 2 4 h ， 分出单丝 ， 用 电子单纤 何拥军 ， 田承宇 玄武岩纤维水工高性能混凝土的耐久性研究 维强力仪测试单丝断裂强度 ，每组试验不少于 2 5 个有效数据 ， 求其平均值 ， 并与未煮试样进行对 比， 得 到三种纤 维在不同时间段 内的单丝断裂强度损 失率同， 试验结果见 图 1 和图 2 。 7O 5 6 o 0 骥 斟 4 0 30 藉 2 0 10 O 0 2 4 6 时间 l l 图 1 2 m o l L H C 1 溶液中三种纤维单 丝的断裂强度损失率 o 2 4 6 时 间， h 图 2 2 m o l L N a O H溶液 中三种纤维单丝 的断裂 强度 损失 率 由图 l可见 ， 在酸性 介质中 ， 玄武 岩纤维 的耐 酸性 能优 于聚丙烯纤维 ，并 大大优于耐碱玻璃纤 维 ， 说 明玄武岩纤维在酸性介质中具有更加稳定 的 化学性能 。究其原 因是玄 武岩纤维 的主要成分为 S i O z ， 经酸腐蚀后 ， S i O ： 相对含量没有减少或减少很 小 ， 因此 ， 酸性溶液对玄武岩纤维的损伤不大。 由图 2可见 ， 在碱溶 液中 ， 聚丙烯纤 维的单丝 断裂强度损失率最小 。经过 8 h高温腐蚀后 ， 其断裂 强度仅损失 1 7 8 5 ， 而玄武岩纤维和耐碱玻璃纤维 在腐 蚀 6 h后 的断裂强度损 失率分别 是 3 5 4 5 和 6 0 4 7 。因此 ， 从断裂强度损失率角度来看 ， 聚丙烯 纤维 的耐碱性能最优 ， 其次是玄武岩纤维 ， 最差 的 是耐碱玻璃纤维。 2 2 玄武岩纤维水工混凝土的抗渗性能 玄武岩纤维水工高性能混凝土抗渗 性能试验 及结果评定按照 D 1 5 1 5 0 -2 0 0 1 水工混凝土试 验规程 进行 。 混凝土配合 比为 ： 水泥用量 4 0 8 k g m ， 水胶 比 0 3 6 ， 砂率 3 8 ， 粉煤灰掺量 1 5 ， 减水剂掺 量 1 5 ， 纤维掺量分别为 0 、 0 9 k g m 、 1 2 k g m 。 。 按照 D 5 1 5 0 -2 0 0 1规定 ， 试件为上 口直径 1 7 5 mm， 下 口直径 1 8 5 m m， 高 1 5 0 m m的圆锥体 ， 每 6个试件为 一 组 ， 按规 范测定 渗水 高度 ， 并求解 出相对渗透 系 数和抗渗性能提高系数， 试验结果见表 2 。 由表 2可见 ， 在掺量基本相 同情况下 ， 玄武岩 纤维较聚丙烯纤维有更好的抗渗透性能。当掺量分 别为 0 9 k g m。 、 1 2 k g m 时 ，玄武岩纤维混凝土的抗 渗性能提高系数分别为 3 5 3 和 3 9 2 ，聚丙烯纤 维的抗渗性能提高系数分别为 3 3 3 和 3 7 3 。从 抗渗性能改善情况来看 ， 玄武岩纤维略优于聚丙烯 表 2 玄武岩纤 维及 聚丙 烯纤 维增 强混 凝土抗渗试验结果 注 ： C 0为普 通 混 凝 土 ， B F R C - 0 9 、 P F R C 一 0 9分 别 为纤 维 掺 0 9 k g m 的玄武岩纤维混凝土和聚丙烯纤维混凝土 ，其余 类 推 ， 下 同。 纤维 。因此 ， 玄武岩纤维在抗渗性应用方面可替代 聚丙烯纤维 。另外 ， 如再掺人粉煤灰 ， 纤维混凝土的 强度和抗渗能力均可得到一定程度的提高。 2 - 3 玄武岩纤维水工混凝土的抗氯离子渗透性能 钢筋混凝土耐久性不足 问题给世界各 国带来 巨大经济损失 ， 氯离子是各种侵蚀介质 中侵蚀性最 强离子之一。氯盐主要存在于海水 、 盐湖及除冰盐 中， 氯离子侵入 引起混凝 土中的钢筋锈蚀 ， 继而导 致混凝土膨胀开裂而破坏结构 7 1 。因此 ， 氯离子侵蚀 是引起钢筋锈蚀的“ 元凶” ， 而钢筋锈蚀又是影响混 凝土耐久性的第一因素 。在高性能混凝土中 ， 抗氯 离子渗透性能是一个重要的耐久性指标 。因此 ， 研 究玄武岩纤维混凝土抗氯离子渗透性能十分必要。 玄 武岩纤 维混凝土抗 氯离子渗透性能试验及 结 果评 定 按 照美 国试 验 与 材料 协 会 的 A S T M C 1 2 0 2 9 7 混凝 土耐氯离子穿透能力电标试 验方 法 进行。 试验采用 1 0 0 mm直径， 厚 5 0 mm的混凝土 试件 ， 其水胶 比为 0 4 6 ， 砂率 3 4 ， 水泥用量 3 3 0 k g m 。试件养护龄期 2 8 d ， 在真空条件下处理 3 h ， 并在 真空饱水机中真空饱水 l h ， 再在水 中浸泡 1 8 h 。试 件经过上述处理后固定在两个特定的水槽之 间， 在 外加 电场持续通电 6 h后测定通过混凝土试件的总 电量， 用通过混凝土的总导 电量来判断混凝土的抗 氯离子渗透能力 ， 试验结果见表 3 。 由表 3可见 ， 掺人玄武岩纤维后 ， 混凝土 6 h总 通电量较普通混凝土降低了 4 4 2 C， 氯离子在纤维混 凝土 中的渗透性由“ 低 ” 变为 “ 极低” 。由此可见 ， 玄 武岩纤维 的掺 人提高了水工混凝 土的抗氯离子渗 透性能。从表 3 还可以发现 ， 掺入粉煤灰后 ， 玄武岩 纤维混凝土的抗氯离子渗透能力增加更加显著 。因 表 3 玄武 岩纤维混凝土 电通量试验结果 4 7 加m o 、 褂 憩 蔷 2 0 1 3年第 5期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 5期 此 ， 目前诸多专家和技术人员正尝试采用粉煤灰或 硅粉 、 高效减水剂等双掺技术 ， 以求在更大程度上 提高水工混凝土结构的抗氯离子侵蚀能力。 2 4玄武岩纤维水工混凝土的抗冻性能 冻 融破坏是水工混凝土结构运行过程 中产生 的主要病害之一 。在我国北方寒冷地区 ， 混凝土结 构物 、 水坝及港 口码头等经常 由于冻融循环作用而 发生不同程度 的破坏 。因此 ， 混凝土的抗冻性能是 耐久性 的表征 ， 也是寒冷地区混凝土所必须测试的 性能指标 。目前 ， 国内外在混凝土冻融损伤机理及 工程冻害分析方面的研究以普通混凝土为主。玄武 岩纤维对混凝土具有增强 、 阻裂 以及增强韧性等特 点 ， 但其冻融损伤性能如何 ， 需要进一步探讨。本研 究主要通过在混凝土中掺人适量的玄武岩纤维 、 适 量的外加剂 ( 引气剂和减水剂等) 和掺合料( 粉煤 灰 等) 来研究水工混凝土的抗冻性能。 玄武岩纤维混凝土抗冻性试验及结果评定按 D L T 5 1 5 0 -2 0 0 1 进行 ，试件采用 1 0 0 mmx 1 0 0 m mx 4 0 0 ra m棱柱体 ， 配合 比为 ： 水胶 比 0 5 0 ， 砂率 4 0 ， 粉煤灰掺量 2 0 、减水剂掺量 0 7 5 ，引气剂掺量 0 0 1 3 。试件标准养护 2 4 d后浸泡到( 2 0 3 ) o C的水 中饱水 4 d ， 然后放入混凝土快速冻融试验机中进行 冻融循环试验。试件中心的冻融温度为( 一 1 8 2 ) o C ( 7 2 ) o C， 一个冻融循环历时 3 h左右 ， 冻融循环次数 为 1 5 0次 、 1 7 5次 、 2 0 0次 、 2 5 0次 、 3 0 0次 、 3 5 0次 、 4 0 0次 ，分别测定试件的质量损失和相对动弹性模 量 ， 判定混凝土冻融损伤情况 ， 试验结果见表 4 。 由表 4可见 ， 经 4 0 0次融循环后 ， 未掺纤维普 表 4 玄武岩纤维及聚丙烯 纤维增 强混凝土抗冻性试验结果 通混凝 土试件 的质量损失率和相对动弹性模量分 别为 0 7 2 和 7 9 9 ；掺 O 9 k g m 玄武岩纤维试件 的质量损失率 和相对 动弹性模量分别为 0 6 2 和 8 4 2 ；掺 0 9 k g m。 的聚丙烯纤维试件的质量损失 率和相对动弹性模量分别为 0 5 7 和 8 6 2 。由此 可见 ， 纤维 的掺人可使混凝土抗冻性能得到有效提 高。值得注意的是 ， 玄武岩纤维 的掺人虽可改善混 凝土的抗冻性 ， 但这种改善效果并非 随着纤维掺量 的增大而一直提高 。另外 ， 掺入适量 的粉煤灰能提 高混凝土的抗冻性能 ， 但粉煤灰掺量过大反而会对 混凝土的抗冻性能带来一定的负面影响。 3结 论 ( 1 ) 玄武岩纤维具 有明显 的耐酸耐碱性 ， 且 防 水性能好 ， 属一级防水材料， 该特性为其在堤坝 、 港 口深水码头 、跨海大桥等领域 的应用拓宽了前景。 同时， 其成本 比碳纤维低得多， 优越性明显。 ( 2 ) 掺 0 9 k g m 玄武岩纤维的水工混凝土抗渗 性提高 3 5 3 ， 4 0 0次冻融循环后相对动 弹性模量 保留值达 8 4 2 。玄武岩纤维体积掺量为 1 2 的水 工混凝土 6 h电量低于 1 0 0 0 C ，氯离子渗透性能表 现为“ 极低” ， 即玄武岩纤维混凝土具有 良好的水工 特 性 。 ( 3 ) 在纤维掺量基本相 同的情况下 ， 玄武岩纤 一 48一 维和聚丙烯纤维混凝土 的耐久性能大体一致 ， 但玄 武岩纤维绿色环保且综合性能更好 ， 因此 ， 在配制 水工高性能混凝土时 ， 宜优先采用玄武岩纤维 。 参考 文献 ： 【 1 李金 玉 必须 重视我 国水工混凝 土建筑物 的耐久 性 J 大 坝与安全， 1 9 9 0 ( 1 ) ： 1 9 3 0 2 盛松涛， 方坤河 聚丙 烯纤维在水 工高性能 混凝土 中的作 用【 J 混凝土， 2 0 0 3 ( 1 1 ) ： 5 1 - 5 3 ， 5 9 3 廉杰， 杨 勇新， 杨萌， 等 短 切玄武岩纤维增强混凝土力学性 能的试验研究 J 工业建筑， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 6 ) ： 8 1 0 4 何军拥， 黄小清， 田承字 玄武岩纤维增强 、 阻裂性能的试验 研究 J 混凝土与水泥制品， 2 0 1 1 ( 3 ) ： 3 6 3 9 5 何军拥， 黄小清， 田承宇 玄武岩纤维增强高能混凝土配合 比的正交试验研究 【 J 】 混凝土与水泥制 品， 2 0 1 0 ( 3 ) ：4 5 4 7 6 】 高鹏 锟， 胡微微， 赵党锋 ， 等 聚丙烯 、 玄 武岩纤维 和耐碱玻 璃纤维耐碱性能对 比分析【 J J 天津纺织科技， 2 0 1 1 ( 1 ) ： 1 9 2 1 【 7 姚少 巍， 罗永会， 高振 国 影 响混凝土抗氯 离子渗透性能试 验结果的因素分析 J 商品混凝土， 2 0 0 7 ( 3 ) ：4 5 ， 1 8 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 3 2 8 作者简介： 何军拥( 1 9 7 1 - ) ， 男， 副教授 、 硕士研究生。 通讯地址 ： 广 州市 天河 区广卅 I 大道北 9 6 3号 联 系电话 ： 1 8 0 2 8 6 2 2 4 3 5 E - ma i l ： h j y o n g 2 0 0 1 1 6 3 c o m