玄武岩纤维混凝土与聚丙烯及其它纤维混凝土性能测试研究报告_精品文档.doc
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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
1.前言
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（ContinuousBasaltFibre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。
受横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司的委托，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。
2.连续玄武岩纤维简单介绍
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！
表1：
连续玄武岩纤维的主要技术指标
编号
性能指标
数值
1
热物理性能
使用温度℃
—269～700℃
粘结温度℃
1050℃
导热系数w/m°k
0.03～0.038
2
物理性能
单丝直径µm
7～15
密度（kg/）
2650
弹性模量（kg/）
10000～11000
拉伸强度（MPa）
4150～4800
热处理下拉神强度%
20℃
100
200℃
95
400℃
82
3
化学稳定性（在3小时沸腾条件下失重%）
2NHCL
2.2
2NNaOH
6.0
O
0.2
表2：
连续玄武岩与其它纤维的指标对比
纤维类型
纤维密度
（g/）
力学强度
（MPa）
弹性模量
（GPa）
伸长率
（%）
玻璃纤维类
A型玻纤
C型玻纤
E型玻纤
S—2型玻纤
2.46
2.46
2.60
2.49
3310
3310
3450
4830
69
69
76
97
4.8
4.8
4.76
5.15
硅土纤维
2.16
206—412
——
——
石英纤维
2.20
3438
——
——
碳纤维
大丝束
中丝束
小丝束
1.74
1.80
1.80
3620
5100
6210
228
241
297
1.59
2.11
2.20
芳香族聚酰胺纤维类
Kevlar29
Kevlar149
1.44
1.47
3620
3480
41.4
186
3.6
1.5
聚丙烯纤维
0.91
270—650
38
15—18
聚丙烯腈纤维
1.18
500—910
75
11—20
连续玄武岩纤维
2.65
4150—4800
100—110
3.3
3.实验研究
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：
江苏金猫水泥有限公司生产；
（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：
由横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司提供，2#配合比玄武岩纤维规格直径为17mm，长度12mm，掺量：
1kg/;3#配合比玄武岩纤维规格直径为15µm，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
性能
连续玄武岩纤维
含水率（%）
0.1
比重（相对密度）
2.65
纤维长度
>5万米
延伸率（%）
3.3
受热反应及燃烧状态
不燃
抗酸碱性
较好
抗拉强度（Mpa）
>780
3.3试验方法
（！
）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/）
配合比编号
水泥
（P.042.5）
粉煤灰
砂
石
水
JC-2
纤维
1
空白砼
420
60
656
1069
175
7.2
/
2
玄武岩纤维砼
420
60
656
1069
175
7.2
1.0
3
玄武岩纤维砼
420
60
656
1069
175
7.2
3.0
4
聚丙烯纤维砼
420
60
656
1069
175
7.2
0.9
表5：
试验配合比（单位：
kg/）
配合比编号
水泥
（P.032.5）
砂
石
水
外加剂
纤维
5
空白砼
450
666
1184
150
4.5
/
6
聚丙烯腈纤维砼
450
666
1184
150
4.5
1.0
4、实验结果
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
配合比编号
坍落度（mm）
1
空白砼
190
2
玄武岩纤维砼
180
3
玄武岩纤维砼
175
4
聚丙烯纤维砼
180
5
空白砼
185
6
聚丙烯腈纤维砼
165
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
配合比编号
抗压强度比
抗折强度比
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