玄武岩应用于水泥混凝土.doc

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水泥混凝土的发展趋势及玄武岩纤维在水泥混凝土中的应用
一、引言
近年以来，我国公路工程建设取得了辉煌的成就，其中混凝土结构、预应力混凝土结构技术突飞猛进，日新月异，取得了大批先进、成熟的技术成果，混凝土结构设计理论与设计规范水平已跻身世界先进行列。在建筑材料方面开发出一大批新型高强和高性能材料，如高强混凝土，已广泛应用于基本建设领域并显示出其在建设工程中的重要地位。但是，我们应当看到在大规模建设取得巨大成就的同时，还存在着一些问题，目前，在工程结构领域中一个相当普遍的问题是混凝土的耐久性和其裂缝问题，而且近年来已呈现出日益增多的趋势，已影响到生活和生产，并困扰着大批工程技术人员和管理人员。
二、普通水泥混凝土的特点和产生裂缝的原因
普通的混凝土是由水泥、水、粗集料和细集料四种组分按适当的比例配合搅拌成的拌合物，经一定时间硬化而成的人造石材，这种材料具有很多优点：抗压强度高、价格低廉、原材料丰富、易浇筑任意形状、不同强度、不同性能的构筑物等。已经成为路桥工程的主要建筑材料。但水泥混凝土存在着韧性差，脆性大，抗冲击性能低，易冻融、容易受温度湿度变化而开裂等缺陷，使混凝土在实际工作环境的使用遇到了很多问题，集中表现为混凝土裂缝。
混凝土在实际工作环境中容易受到各种因素的影响而发生破坏产生裂缝，工程裂缝成为影响正常使用极限状态的主要因素，裂缝产生的原因主要有以下两种类型：
(一) 形变变化引起的裂缝。变形作用，如温度变形、收缩变形等诸多因素，统称为变形作用引起的裂缝问题。此类裂缝几乎占全部裂缝的80%以上。
1. 塑性裂缝
它属于硬化前的裂缝。塑性收缩是指在塑性阶段的混凝土因表面失水而产生的收缩。混凝土在新拌状态下，拌和物中颗粒间充满水，若养护不足，表面失水速度超过内部水向表面迁移的速率，就会造成毛细管中产生负压，使浆体产生收缩。影响混凝土塑性收缩开裂的内部因素是水灰比、细掺料、混凝土的温度、凝结时间等；外部因素是风速、环境温度、相对湿度等。
2、 干燥收缩裂缝
在高温、低湿、高风条件下因混凝土中游离态水和吸附水的蒸发，混凝土的体积产生收缩称为干缩。混凝土的水分蒸发、干燥过程是由外向内、由表及里逐渐发展的。由于混凝土蒸发干燥非常缓慢，产生干燥收缩裂缝多在一个月以上，有时甚至更长，而且裂缝发生在表层很浅的位置，裂缝细微，有时呈平行状或网状，常常不被人们注视。干缩引起的裂缝混凝土凝固初期到混凝土完全硬化这段时间产生裂缝的主要原因。但是要特别注意，由于碳化和钢筋锈蚀的作用，干缩裂缝不仅损害薄壁结构的抗渗性和耐久性，也会使大体积混凝土的表面裂缝发展成为更严重的裂缝，侵蚀混凝土中的配筋，影响结构的耐入性和承载能力。
3、温度裂缝。
水泥水化过程中放出大量的热，且主要集中在浇筑后的前7天内，一般每克水泥可以放出502J的热量，如果以水泥用量350-550kg/m3来计算，每立方米混凝土将放出17500-27500KJ的热量，从而使混凝土内部温度升高（可达70℃左右，甚至更高）。对于大体积混凝土来说，这种现象更为严重，因为混凝土内部和表面的散热条件不同，所以混凝土中心温度低，形成温度梯度，造成温度变形和温度应力。温度应力和温度差成正比，当这种温度应力超过混凝土的内外约束应力（主要是混凝土抗拉强度）时，就会产生裂缝。同样在混凝土的工作过程中由于界面内部温差过大同样会产生裂缝。
(二) 设计、材料、施工和使用原因引起的裂缝。由于不合理的设计、劣质的材料、粗糙的配合比、错误的施工工艺和不当的使用同样会使混凝土产生裂缝。随着高强、早强和泵送混凝土的大量使用，使得对混凝土裂缝控制的难度也越来越大。工程上不少构件（尤其是高强度薄壁、薄层结构）在开始工作以前便出现裂缝，各方为原因和责任问题经常挣执不下。虽然大多数情况施工方承担了责任，质量问题解决以后，并经过深刻总结教训，但往往问题还会出现。实际上，施工进度的要求、混凝土自身的特性使得完全避免此类问题的出现的难度非常大。对于已经投入使用的项目，我们往往会发现，构件出现病害如开裂、混凝土剥落、碳化的时间往往比我们预期的要早的多。比如我们目前对服役十年左右的桥梁从内心都感觉是“老桥”了，因为已经不同程度地出现病害，而设计施工上是为着“百年大计”的理念建设的。规范修订时加大了保护层的厚度，便是国家对混凝土的耐久性提出更高的期望，同时也流露出些许无奈。
综上所述，混凝土构件产生裂缝的原因主要是混凝土自身的特性以及受环境、设计、施工和使用的影响。设计、施工和使用方面的原因容易发现，也容易通过优化设计、科学施工、规范使用进行解决，要有效的解决混凝土裂缝和耐久性问题，就必须从材料着手，探索和研究一种低热、低弹性模量、高极限拉伸、适当的抗压强度，较高的抗拉强度、极限拉伸和适当的徐变并在施工中较好的流动性特性的高性能混凝土。
三、目前水泥混凝土的发展趋势
自从波特兰水泥出现后，水泥基材料经历了漫长的发展过程。近百年来，水泥与水泥基材料的总的发展趋势是不断提高强度。这是由于使用部门不断提高强度的要求所致。尤其是近50年来，片面提高强度而忽视其它性能的倾向造成水泥生产向大幅度增加细度和硅酸三钙、铝酸三钙的含量发展，水泥标号或28d胶砂抗压强度从30Mpa猛增到60Mpa，并越来越多地使用50Mpa以上的混凝土。提高混凝土强度的方法除采用高标号水泥外，更多的是增加单方水泥用量，降低水灰比及单方用水量。因此混凝土的流动性随之下降，甚至出现必须依靠强力振捣才能保证密实性和均匀性的干硬性混凝土，这非常不利于现在大体积混凝土连续浇筑的施工，更不用说进行泵送施工了。到80年代后，混凝土耐久性问题愈来愈尖锐。因混凝土材质劣化和环境等因素的侵蚀作用，常出现混凝土建筑物破坏失效甚至倒塌等事故，造成巨大损失。
例如在交通行业，高速公路和城市快速公路在我国迅速发展，其结果是大量的公路桥和立交桥在全国各地建设起来，近几年来，随着交通量的增加和荷载等级的提高，铺装混凝土的强度不断地提高，但桥面铺装层的破坏情况越来越严重。究其原因是由于桥面铺装层随车辆重复荷载的振动、冲击、拉伸和剪切等作用及温度气候变化引起膨胀收缩后，铺装层往往会产生局部细微裂缝，处于负弯矩的铺装层尤为严重，当结构受弯时荷载等于破坏荷载的15%~20%时就开始产生裂缝，铺装层一旦出现裂缝，随着裂缝扩展会造成结构承载力降低，并会引起桥面渗水或漏水，造成钢筋锈蚀，使冻融破坏加剧，铺装层就会加速破坏。
有鉴于此，加上施工能耗、劳动与环境保护，尤其是均匀性对工程安全所具有的极端重要性，因此对混凝土的工作性能提出了愈来愈高的要求，传统的单一高强化的主流思想受到批评。人们在经济建设中开始重视贯彻可持续发展战略，混凝土强度已不再成为追求的单一目标，混凝土耐久性和易施工性渐渐成为人们关注的焦点，设计时仅把强度作为控制指标已明显不能满足实际应用的需要。研究开发高性能混凝土、防裂纤维混凝土、绿色混凝土备受宠爱，高性能混凝土逐渐成为合理的、科学的发展路线。
高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，不仅以强度为主要指标，而以它的耐久性与和易性作为设计的主要指标，针对不同用途要求，对下列性能有重点地予以保证，即耐久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。它是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，是近年来混凝土材料发展的一个重要方向。高性能应该具有以下几个特征：
（1）混凝土的使用寿命长要长。根据工程使用的环境与部位，对混凝土的耐久性必须有严格的要求，因此，控制混凝土设计的并不单是强度，还应包括耐久性。
（2）混凝土应具有较高的体积稳定性。即混凝土在硬化早期应具有较低的水化热，硬化后应就有较小的收缩变形。
（3）高性能混凝土应具有良好的施工性能。混凝土拌合物应有较高的流动性，不分层、离析，易充满模型；泵送混凝土还应有良好的可泵性。
（4）根据不同用途和工作环境应具有一定的强度和较高的密实度。
纤维混凝土被公认为是最具发展前景的高性能混凝土。
四、纤维混凝土
近年来的研究表明发展纤维混凝土是提高高性能混凝土质量的重要途径。纤维混凝土通常是以水泥净浆、砂浆或者混凝土为基材，以非连续的短纤维或者连续的长纤维作增强材料所组成的水泥基复合材料，主要作用是通过桥接作用来限制围观裂缝的发展，从而改善混凝土的性能。纤维加入水泥基本中的作用：
（1）阻裂。阻止水泥基体中原有缺陷（微裂缝）的扩展并有效延缓新裂缝的出现；（2）防渗。通过阻裂提高水泥基体的密实性，防止外界水分侵入；
（3）耐久。改善水泥基体抗冻、抗疲劳等性能，提高其耐久性；
（4）抗冲击。提高水泥基体的耐受变形的能力，从而改善其韧性和抗冲击性；
（5）抗拉。在使用高弹性模量纤维前提下，可以起到提高基体的抗拉强度的作用；
（6）美观。改善水泥构造物的表观性态，使其更加致密、细润、平整、美观。
现在主要使用的纤维混凝的种类及优缺点
1. 钢纤维混凝土其技术特点是能提高混凝土的韧性和抗拉强度，但是钢纤维搅拌时易结团，混凝土和易性差，难以施工且易锈蚀，钢纤维混凝土的自重大、在制造方面使用大量的钢材，加大了对钢材的消耗，增加成本较多。钢纤维在使用过程中破坏形态主要是被拔出，而不会被拉断，这说明钢纤维的与混凝土的粘附性不足，这会影响提高混凝土抗拉强度的效果，它增韧增强的原理是当裂缝产生后由于钢材的高模量和单根的高抗拉强度，阻止了裂缝的进一步开展；但由于数量有限，对微观裂缝约束效果不大，对抗渗、冻融等性能提高并不明显，另外，施工中钢纤维密度过大，振捣浇注时往往会沉于混凝土下部，不可能均匀分布，这往往也是理论研究和实际效果差异大的主要原因。
2. 尽管玻璃纤维已用于铺设混凝土路面，但是玻璃纤维在使用中暴露很大的缺点，如玻璃纤维混凝土暴露于大气中一段时间后，其强度和韧性会有大幅度下降，即由早期高强度、高韧性向普通混凝土退化。众所周知，普通的玻璃纤维还有一个致命的弱点，就是不耐碱，碱骨料反应是水泥混凝土的“癌症”。因此，普通玻璃纤维是不能用作水泥混凝土基增强材料的，即使是耐碱玻璃纤维（AR）也不适宜与普通波特兰水泥复合，最好与低碱度水泥复合。这主要是为了减轻水泥基材对玻璃纤维表面的碱性侵蚀作用。我国“双保险“的技术路线（即耐碱玻璃纤维与低碱度水泥复合）由于是”削足适履“的做法，加之，耐碱玻璃纤维在外观上很难与普通玻璃纤维相区别，几十年来一直难以大面积推广。
3. 合成纤维包括聚丙烯纤维、聚酯和聚丙烯腈纤维等，它与钢纤维的相似点是不受水化产物的侵蚀，有一定的抗拉强度，可三维乱向分布于混凝土基体中，其阻裂原理是充分发挥了纤维数量（每公斤数千万根）优势，具有很大的表面积，对微裂缝约束，使之不至于连通，效果显著。但是合成纤维密度小，单丝直径较小，存在增稠效应，不利于混凝土的震动密实，由于合成纤维的抗拉强度较低，在使用过程中其破坏形态主要是纤维被拉断，且在抗老化、耐碱方面也不够好。
4. 碳纤维是20世纪60年代开发研制的一种高性能纤维，具有抗拉强度和弹性模量高、化学性质稳定，与混凝土粘结良好的优点，但由于碳纤维价格昂贵，工程应用中受到一定的限制。
由以上几种纤维混凝土的性能可以看出，这几种纤维混凝土都存在一些缺陷，在满足高性能混凝土方面都是不太理想，无法很好地解决现存的一些问题。纤维混凝土发展了几十年的经历告诉我们：必须在纤维上有所突破，才能使纤维混凝土这种高性能混凝土真正得到广泛使用。
五、玄武岩纤维混凝土
随着生产技术的解密，连续玄武岩纤维（简称CBF）是近几年来才时有报道的新纤维，它是一种无机纤维材料，用纯天然火山喷出岩为原料，经1450~1500℃高温熔融后快速拉制而成的连续纤维，其外观为金褐色，具有卓越的综合性能和较低的价格。连续玄武岩纤维的特性：
（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、抗老化性等有优异的综合性能。（3）成本的低廉性。水泥混凝土用的玄武岩纤维价格并不高，明显低于钢纤维、碳纤维等，和合成纤维相当。（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。此外，玄武岩纤维的耐碱性要比耐碱玻璃强（见附表1）。因此，玄武岩纤维增强混凝土可以在基本建设的各个领域起到防渗抗裂、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！
GBF®纤维耐碱性的检测结果：

测试条件
温度℃
浸泡时间（h）
GBF®纤维保留强度
用1mol/L
NaOH溶液
40℃
2
91%
4
83%

60℃
2
75%
4
62%
注：依据国家玻璃纤维产品质量监督检验中心的检测报告。

除了它具有强度高、防渗抗裂、耐高温、耐酸碱腐蚀能力强、抗冲击性好等一系列优点外，它还在我国分布较广，价格便宜，造价低，还兼有绿色、环保、节约资源等优势，产品符合国家相关产业政策。且大量试验证明玄武岩纤维对混凝土性能有很好的改善作用，与钢纤维和合成纤维相比，玄武岩纤维的结合性更好，玄武岩纤维抗腐蚀耐锈蚀性均好于其它纤维。因此，玄武岩纤维用于水泥混凝土中有其自身的优势和特点，相比钢纤维混凝土、玻璃纤维混凝土、合成纤维混凝土和碳纤维混凝土较有明显的性能、价格等综合优势，替代潜力巨大。
玄武岩纤维应用在混凝土中的产品主要有玄武岩单丝和加捻合股两种，单丝纤维类似于其它合成纤维，具有微米级的直径，更有其他纤维不可比拟的良好分散性；加捻合股纤维是玄武岩纤维无捻粗纱，用多股平行原丝经加捻和合股合而成的玄武岩纤维制品，抗折性好、具有良好的性能。可以根据应用环境和目的的不同制造出不同长度、不同直径、不同捻度和捻向的产品规格。两种短切纤维既可根据需要单独加入混凝土，因其具有相同的抗拉强度、弹性模量和性能，更可以混合使用，生产出一种全新的、综合了合成纤维和钢纤维混凝土优点的高性能混凝土。与其他纤维混凝土相比，新型玄武岩纤维混凝土主要有以下优势：
（1）. 两种具有同类性质，不同直径的纤维可以一起受力，协同工作，优势互补，既共同防裂阻裂，又共同增韧增强。
（2）.玄武岩纤维原丝可以发挥数量优势，具有较大的表面积，对微裂缝约束，使之不至于连通，效果显著。并克服了合成纤维的密度小，弹性模量和抗拉强度低的缺点，不至于在裂缝扩展时被拉断，有效地防止微裂缝的扩展、对抗渗、抗冻融等效果好于合成纤维。
（3）.玄武岩纤维加捻合股可以发挥钢纤维的高模量和单根的高抗拉强度的优势，阻止了裂缝的扩展。又克服了钢纤维搅拌时易结团，不利于搅拌，难以施工且易锈蚀、耐久性差，钢纤维自重大的缺点。
（4）.玄武岩加捻合股纤维是典型的硅酸盐纤维，比重为2.63~2.8g/cm3，用它与水泥混凝土和砂浆密度相近，混合时很容易分散，且均布于混凝土内部，克服了钢纤维混凝土在振捣浇注时往往会沉于混凝土下部，不能均匀分布的缺点。
（5）.玄武岩加捻合股纤维表面已经改性，是一种“惰性纤维”，具有高度的稳定性，在高温、高腐蚀性的环境中能保持稳定性能，使玄武岩加捻合股纤维能适应混凝土的拌合、浇筑、凝结和使用的各个阶段的恶劣环境，提高混凝土的耐久性。
因此玄武岩加捻合股纤维的出现从材料和使用办法上都填补了一个空白，对于全面提高混凝土的综合性能起到了极大地推动作用，引起了国内外材料界与工程界的广泛重视与关注。国家相继投入了大量的人力、财力、物力进行该项研究与开发应用。随着国家863计划“玄武岩纤维及其复合材料” 等课题的研发完成，《水泥混凝土和砂浆用玄武岩纤维》国家标准的实施，必然迎来一个玄武岩纤维应用的浪潮，推动高性能混凝土在基本建设领域的全面应用。

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