玄武岩纤维混凝土耐久性能试验研究

1、武汉理工大学硕士学位论文玄武岩纤维混凝土耐久性能试验研究姓名：朱华军申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：陈应波20090401武汉理工大学硕士学位论文中文摘要自玄武岩纤维混凝土问世以来就有很多学者对其进行了试验研究，研究结果表明玄武岩纤维混凝土具有优良的动态性能、断裂性能、抗冲击韧性以及抗冲磨特性等。本文在基于前人的研究成果上对普通混凝土（，简称）、玄武岩纤维混凝土（，简称）进行了对比试验研究，主要研究了玄武岩纤维混凝土的抗渗性、抗冻融性、干缩性及抗氯离子渗透性等混凝土耐久性能指标，并与层布式钢纤维混凝土和层布式混杂纤维混凝土的各项指标进行了对比。结果表明：（）、的抗渗性能明显优于而掺入

2、了粉煤灰后玄武岩纤维混凝土的抗渗性能又有显著提高。玄武岩纤维混凝土的渗水高度比素混凝土的低，掺入了粉煤灰后玄武岩纤维混凝土的渗水高度比素混凝土的低。（）、的抗冻性能明显优于。冻融初期阶段与的相对动弹性模量几乎有着相同的下降趋势，而在接下来的下降阶段相对动弹性模量降低趋势较缓，并在冻融次时仍大于，为，的相对动弹性模量已下降到了，而掺入粉煤灰后仅为。（）、干缩性能优于，各个龄期的干缩率均明显低于，并在龄期天时，的干缩率低于达，相对降低了，掺入粉煤灰后的玄武岩纤维混凝土干缩率更低；而失水率情况与干缩率相反。（）、的抗氯离子渗透性能明显优于，并且在试验中玄武岩纤维混凝土的总电通量为，比普通混凝土低，另

3、外掺入粉煤灰后玄武岩纤维混凝土的抗氯离子渗透能力更优，总电通量为比素混凝土低。（）、玄武岩纤维混凝土和层布式混杂纤维混凝土的耐久性能相差无几均优于层布式钢纤维混凝土。此外，本文对玄武岩纤维增强混凝土耐久性能的机理进行了分析，得其主要原因为玄武岩纤维的掺入改善了混凝土结构，减少了混凝土内部孔隙的形成提高了其抗渗能力。关键词：玄武岩纤维混凝土；抗渗性；干缩；冻融；电通量；武汉理工大学硕士学位论文，、，：、，、，；，武汉理工大学硕士学位论文，、，：；独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发

4、表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：，盟日期：业二关于论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：拯师签名：睦坐日期：仁武汉理工大学硕士学位论文第章绪论引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

5、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更广泛的使用。为此，人们在水泥基材料中掺入其它组分以改善混凝土的性能。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【，目前它已成为研究较多、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

6、数量和在基体中的分布情况【。纤维根据其弹性模量的大小分二大类，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、芳纶纤维等引。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【（简称或）是一种无机纤维材料。它用纯天然火山喷出岩为原料，经的高温熔融后快速拉制而成的连续纤维，其外观为金褐色。据文献【】【】研究表明：玄武岩纤维具有一系列优越的性能。（）原材料的天然性。由于生产的原料取自于天然的火山岩喷出岩，除了它与生俱来就具有很高的化学稳定性和热稳定性外，其中并没有与人类健康有害的成分。（）性能的综

7、合性。玄武岩纤维是名副其实的“多能一纤维。譬如既耐酸又耐碱、既耐低武汉理工大学硕士学位论文温又耐高温，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；表面极性，与树脂复合时界面结合的浸润性极佳，而且具有三维的分子维数，与分子维数一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。（）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产品。（）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

8、易性好、耐久性好，具有优越的耐温性、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、延长建筑使用寿命等作用。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革命性的变革国内外玄武岩纤维混凝土研究最新进展世纪年代，前苏联国家建委建筑研究所和乌克兰科学院材料研究所经研究得出一种新的纤维混凝土，这就是玄武岩纤维混凝土【。自从这种纤维混凝土问世以来国外就有不少学者对其进行了研究。】在他的研究中表明玄武岩纤维混凝土与普通纤维混凝土比，

9、其受拉强度高卜倍，延伸率高倍，其破坏形态及特征、承载力都有所改善。另外等人研究了玄武岩纤维掺量对玄武岩纤维增强无机聚合物水泥混凝土断裂韧度的影响并将其与玄武岩纤维增强硅酸盐水泥混凝土（，简称）的试验结果进行对比，结果表明，玄武岩纤维增强无机聚合物水泥混凝土具有更加优越的断裂性能。值得注意的是，当玄武岩纤维的体积掺量为时，玄武岩纤维增强硅酸盐水泥混凝土的准静态抗压强度、劈裂抗拉强度，较素混凝土分别降低了、。等【测试了玄武岩纤维增武汉理工大学硕士学位论文强水泥砂浆的物理、力学性能，并给出了纤维的最佳掺量。近年来由于我国已经具有批量生产玄武岩纤维的能力，并且在年月和年月、月国家科技部分别将“玄武岩连

10、续纤维及其复合材料项目列入国家计划【和国家级火炬计划、国家科技型中小企业创新基金。玄武岩纤维混凝土就是其中之一。国内的不少学者对玄武岩纤维混凝土的各方面性能做了大量试验研究，林智荣、姚立林等对玄武岩纤维混凝土的动力性能作了研究表明【】：加玄武岩连续纤维后，混凝土的动态性能明显有了改善，具体表现为响应频率降低、阻尼比增大；这样，利用玄武岩纤维高模量、耐冲击和成本低等优势，可以开发其在降噪、抗振和抗震等耗能领域的应用，更可利用其耐高温、耐碱和滤波等特性，进一步发挥其在防火工程、海岸工程、防磁军事工程等特殊混凝土工程上的应用；另外杨进勇，许金余【】等研究了玄武岩纤维混凝土的抗冲击压缩韧性，结果表明：

11、（）在应变范围内，组玄武岩纤维混凝试样中，玄武岩纤维掺量为的混凝土韧性最高，尤其在应变率范围内，比素混凝土韧性指标提高了；（）在应变范围内，素混凝土的韧性指标最高；与素混凝土相比，在应变率较低时，组掺玄武岩纤维的混凝土韧性均有所提高，而在应变率范围，掺量为的混凝土韧性最低；（）在应变过高或应变率较大时，玄武岩纤维掺量为的韧性指标都很低，玄武岩纤维最佳体积掺量为。而后，在范飞林，许金余的玄武岩纤维混凝土冲击力性能试验研究一文中也同样指出玄武岩纤维混凝土具有良好的冲击压缩强度和变形性能力，且冲击压缩强度和变形与应变率和纤维掺量有关。再者，李光伟冽在对玄武岩连续纤维混凝土的抗冲磨特性进行的试验研究中

12、表明在水电实际工程中配制水工高性能的抗冲磨混凝土时采用在硅粉混凝土中复掺部分玄武岩连续纤维不失为一种水工混凝土抗冲耐磨材料的较佳选择。上述研究表明玄武岩纤维混凝土在建筑工程领域推广应用的意义重大；武汉理工大学硕士学位论文混凝土耐久性国内外研究现状混凝土的耐久性】。倒是指混凝土在使用过程中，在内部的或外部的，人为的或自然的因素作用下，混凝土保持自身工作能力的一种性能，或者说结构在设计使用年限内抵抗外界环境或内部本身所产生的侵蚀破坏作用的能力。它是一个综合性概念，包含的内容很多，如抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性、抗碳化、抗冲击性能等等，这些性能都决定着混凝土经久耐用的程度，故统称为耐久性。其影响因素总的

13、可分为物理作用和化学作用两大类。物理作用主要包括表面磨损、冻融及孔隙中盐类结晶压力引起的膨胀开裂等。化学作用则指硫酸盐侵蚀、混凝土结构中钢筋腐蚀（主要是受氯盐侵蚀和碳化所致）等。在钢筋混凝土结构的耐久性研究中，可分为材料的耐久性研究、构件的耐久性研究和结构的耐久性研究三个层次。在二十世纪年代以前，混凝土结构主要集中于强度及其性能的研究，而对耐久性的研究并未给予广泛和足够的重视，甚至有些认识是错误的，年著名的工程师舒良琴柯和察尔诺姆斯基调查了前苏联各港口码头和欧洲的港口码头的钢筋混凝土构筑物，对混凝土密实性的影响有了初步的认识。较大规模及系统性研究开始于二十世纪五十年代，莫斯克文等做了卓有成效的

14、研究工作，并出版了相关专著，为钢筋混凝土结构耐久性的提高莫定了基础。从二十世纪年代开始，混凝土结构的耐久性问题是许多国际学术机构或国际学术会议讨论的重要课题之一。国际材料与结构试验学会（）于年专门成立了“混凝土中钢筋锈蚀技术委员会（），该委员会历时五年总结了当时各国在钢筋锈蚀方面的成果，并提出了今后的研究方向和建议【刎。【勰】。在取得一系列的研究成果后，各国或地区开始颁布相应的规范规程，年欧洲混凝土委员会颁布了：耐久性混凝土结构设计指南冽，同期美国委员会编制了“耐久性混凝土指南，日本年开始陆续颁发了“建筑物耐久性系列规程，英国混凝土结构规范（）及标准施工规范（）中对耐久性做了明确的规定。我国对

15、混凝土耐久性的研究主要开始于二十世纪六十年代南京水利科学研武汉理工大学硕士学位论文究院对钢筋锈蚀的研究，较大规模的研究在二十世纪八十年代，中国土木工程学会于年、年连续召开了两次全国性的耐久性会议，在钢筋混凝土结构规范编制期间对国外的研究成果进行了系统的总结与归纳，较系统的研究是在二十世纪九十年代，年全国成立了混凝土结构耐久性学组，为了推进铁路桥梁病害诊断及剩余寿命评估工作，中国铁道学会铁道工务委员会与沈阳铁路局、辽宁省铁道学会于年在大连联合主持召开了桥梁病害诊断及剩余寿命评估学术研讨会。我国近来对此方面的研究也越来越重视。本文的主要研究内容年月日四川汶川发生的里氏级地震对房屋、桥梁、隧道、公路

16、、大坝等基础设施造成了非常严重的破坏。因此，对于脆性材料的混凝土结构来说，不仅要具有足够的强度，还应具有优异的耐久性和安全可靠性，用以抵御不同环境下、不同介质对材料产生的各种不利影响，以提高材料的安全性和延长寿命。强度和耐久性是混凝土结构的两个重要指标，以往工程中习惯上只重视混凝土的强度，或片面追求高强度而忽视混凝土的耐久性。混凝土耐久性是指混凝土在满足设计要求的情况下，抵御环境界质的作用，经长年使用而不毁坏的性能。如耐久性不足，就会造成结构不同程度的损坏，一旦损坏，修复工作投人的人力、物力往往很大。因此提高混凝土耐久性，对延长混凝土建筑物的使用年限、节约国家投资，具有重要的现实意义和长远意义

17、。本文在现有研究成果的基础上对玄武岩纤维混凝土的耐久性进行了更加全面的研究，主要有以下几个方面：、采用组（每组个）共个（顶、底、高）的圆台试件对的抗渗性能进行了对比试验研究，结果证明的抗渗性能优于素混凝土（），而掺入了粉煤灰后效果更佳，并分析了其增强机理；、采用组（每组个）共个的长方体试件对的抗冻融性能进行了对比试验研究，结果证明汇的抗冻融性能优于素混凝土武汉理工大学硕士学位论文（），加入粉煤灰后效果又有降低，并分析了其增强机理；、采用组（每组个）共个根的长方体试件对干缩性能进行了对比试验研究，结果证明在掺入了粉煤灰后的玄武岩纤维混凝土（屺一）干缩性能优于，而优于；、采用组（每组个）共个（直径

18、、厚）的圆柱试件对对的抗氯离子渗透性能进行了对比试验研究，结果证明的抗氯离子渗透性能优于素混凝土（），而掺入了粉煤灰后效果更佳，并分析了其增强机理。武汉理工大学硕士学位论文第章抗渗性能试验研究抗渗性是指混凝土抵抗压力水渗透能力。混凝土耐久性的多种破坏过程几乎与水有极为密切的关系，因此抗渗性便成评价混凝土耐久性的重要指标，因为渗透不只对要求防水的结构物有意义，更为重的是评价混凝土抵抗环境中侵蚀性介质入和腐蚀的能力。目前一般认为抗渗能力评价混凝土耐久性的首要因素，只要混凝的渗透性很低，便有较好的抵抗水和其它图抗渗试验蚀介质浸入的能力，因而混凝土的各项耐久性指标均会相应提高。试验的依据玄武岩纤维混凝

19、土抗冻融性能试验主要是依据公路工程水泥及水泥混凝土试验规程（）】、公路水泥混凝土路面旌工技术规范（）、钢纤维混凝土试验方法（：）】、钢纤维混凝土结构设计与施工规程（：）以及：纤维混凝土结构技术规程（：）。目的是通过与、质量损失率与相对动弹模量损失率的对比试验结果，分析和研究抗冻融性能。试验设计这部分内容主要包括原材料的选取、混凝土配合比的设计以及试件的制作，它的合理性直接关系到是否能达到试验研究的目的，它的可行性也直接影响到这种新型材料的推广应用。原材料玄武岩纤维武汉理工大学硕士学位论文连续玄武岩纤维（简称或）是一种无机纤维材料。它用纯天然火山喷出岩为原料，经的高温熔融后快速拉制而成的连续纤维

20、，其外观为金褐色（图）。玄武岩纤维具有耐高温、耐烧蚀、耐酸碱性能强、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，特别是玄武岩纤维应用在建筑工程材料中，与碳纤维等相比有性价比优势。基于课题组的前期研究成果，本文采用横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司生产的短切玄武岩纤维。玄武岩纤维物理力学性能见（表表玄武岩纤维的物理、力学性能）其它原材料胶凝材料：武汉产堡垒牌水泥，阳逻电场二级粉煤灰。骨料：中河砂，细度模数；石子，粒径，大小均匀，无片状，连续级配。混疆土配合比设计继课题组前期研究成果，按中重级交通等级混凝土弯拉强度等级的要求，确定普通混凝土的配合比如（表），纤维掺

21、量采用力学性能试验研究所得的最佳掺量，粉煤灰掺量参考已有的试验研究文献，采用了常用的掺量，井且等重量替代水泥。武汉理工大学硕士学位论文表混凝土配合比（）水泥种类（）（）（）（）（）粉煤灰砂石水玄武岩水胶纤维体比积率普通混凝土（）玄武岩纤维混凝土（）玄武岩纤维混凝土（）试件制作与养护试件在制作过程中，投料顺序、搅拌方式、搅拌时间对混凝土的性能都有影响为保证混凝土拌合物的均匀性和质量，混凝土采用强制式搅拌机搅拌其制作流程如图。图试件制作流程玄武岩纤维的加入方式为：从已按配合比称取好的水泥和水中分别取出一部分与玄武岩纤维混合搅拌，然后加入混凝土内搅拌均匀（用水泥净浆包裹）。武汉理工大学硕士学位论文试

22、验内容本试验通过干缩率和失水率来研究这种新型材料的抗渗性能，取配比不同的三组试件进行对比试验，试件数量如表。表试件数量试验原理目前抗渗试验，通常参照规定进行，采用抗渗标号来评价混凝土抗渗能力，其原理是通过给受检混凝土施水压的方式，使水在混凝土中移动，通过水在不同混凝土中移动的差异来描述混凝土的抗渗性能的。混凝土的渗透能可通过渗透深度直观表述，且其渗透深度是压力、时间、渗透系数、渗透液的粘度的函数。水压渗透方法在原理上遵从达西定律。国内水压渗透法通常采用的就是通道加压方式。水压渗透方法比较真实的模拟了自然界中水的渗透。本试验采用顶面直径为，底面直径为，高为的试件：二砌，）、，（）本试验所用设备应

23、符合下列规定：抗渗仪：应能使水压按规定的制度稳定地作用在试件上（图）；加压装置：螺旋或其他形式，应能把试件压入试件套；（）本试验步骤如下：一、试验前一天取出试件，晾干表面。在侧面涂一层熔化的密封材料，随即将试件压入经烘箱预热的试件套。稍冷却后即可解除压力，清除挤出的密封材料。排除抗渗仪管道中的气泡，将试件套连同试件装在抗渗仪上进行试验。武汉理工大学硕士学位论文二、第一次加水压以后每增加。随时观察试件端面渗水情况。三、当个试件中有个试件端面渗水时记录水压，停止试验。四、发现水从周边渗出时，应停止试验重新密封。（）混凝土抗渗等级以个试件中个试件未渗水时的晟大水压为依据，按下式计算：一式中一抗渗等级

24、：个试件中个试件渗水时的水压（）。图抗渗试验仪器试验结果抗渗标号是以标准试验方法测得的标准试件水时的最大水压力来计算，并分为，等级别。的计算公式为：（）（）中为抗渗标号：为六个试件中三个顶面渗水时的压力。试验结果见表。武汉理工大学硕士学位论文表抗渗试验结果未穿透时的渗水试件类别抗渗标号高度（）抗渗试验结果显示，玄武岩维混凝土的抗渗性能比素混凝土的高，而掺入了粉煤获后玄武岩维混凝土的抗渗性能又有显著提高。玄武岩维混凝土的渗水高度比素混凝土的低，掺入了粉煤灰后玄武岩维混凝土的渗水高度比素混凝土的低。另外从试件劈开后的湿水面可以更加直观的看到玄武岩纤维混凝土的优良抗渗性能。（如图、）囵囵图（湿水面图

25、湿水面幽圉湿水面武汉理工大学硕士学位论文抗渗机理分析在纤维混凝土中，纤维对机体的作用概括起来主要有三种：阻裂、增强和增韧，纤维混凝土与普通混凝土相比各种物理力学性能的改善，都和这三种作用有关。阻裂作用，指纤维对新拌混凝土的早期收缩裂缝和硬化后的收缩裂缝的产生和扩展的阻碍作用。增强作用，主要是抗拉强度的提高。增韧指材料在各种受力状态下进入塑性阶段保持一定抗力的变形能力。混凝土内部不同的微裂缝、空隙和缺陷，在施加外力时孔隙部位产生较大的应力集中，引起裂缝的发展，最终导致混凝土破坏。玄武岩纤维混凝土的抗渗作用机理：任何密实的混凝土都存在微裂缝。这些微裂缝存在于相与相之间（石、砂、水泥胶体三相）和水泥

26、微颗粒之间。混凝土在硬化形成强度的过程中，初期由于水和水泥的应形成结晶体，这种晶体化合物的体积比原材料的体积要小，因而引起混凝土体积的收缩；后期又由于混凝土内自由水分的蒸发而引起干缩。这些应力在某个时期超出了水泥机体的抗拉强度，于是在混凝土内部引起微裂缝。这些微裂缝不可避免地存在于混凝土内的骨料和水泥凝胶体的局部接触面处以及凝胶体自身内部。混凝土在凝结和硬化过程中，微裂缝经历了出现和发展的过程。这一过程，一般混凝土的收缩率在×左右。混凝土的微裂缝在发展过程中，是从无到有、从小到大向最薄弱方向定向发展。微裂缝向细裂缝的发展大多数（约占）在凝胶期内完成，此时混凝土的抗拉强度小于，如果没有

27、采取有效的抗裂措施，混凝土固有的微裂缝在内外应力的作用下将会发展为更大的裂缝以至最终形成贯通的毛细孔道及裂缝，从而导致防水失败，也造成结构设计强度远未能充分发挥，严重的甚至威胁到工程的安全及使用，掺入玄武岩纤维的混凝土，每伽，就有数十根细纤维，故能在混凝土内部构成一种均匀的乱向支撑体系。当微裂缝在细裂缝发展的过程中，必然碰到多条不同向的微纤维，由于遭到纤维的阻挡消耗了能量，难以进一步发展。因此，玄武岩纤维可以有效地抑制混凝土早期干缩武汉理工大学硕士学位论文微裂及离析裂的产生和发展，极大地减少了混凝土收缩裂缝，尤其是有效地抑制了连通裂缝的产生。另外，均匀分布在混凝土中彼此相粘连的大量纤维起了“承

28、托刀骨料的作用，降低了混凝土表面的析水与集料的离析，从而使混凝土中直径为和大于的孔隙含量大大降低，由此可以极大提高混凝土的抗渗能力。与层布式钢纤维以及混杂纤维混凝土结果对比早在年，武汉理工大学设计院纤维混凝土课题组就对钢纤维、聚丙烯纤维以及混杂纤维等对混凝土在力学和耐久性方面的增强作用做了研究俐，以下是该课题组抗渗试验设计及结果：表混凝土配合比（）表试验结果武汉理工大学硕士学位论文抗渗试验显示，层布式钢纤维混凝土的抗渗性能比素混凝土的低，而层布式混杂纤维混凝土的抗渗性能比素混凝土高，比层布式钢纤维混凝土的高很多。层布式钢纤维混凝土的渗水高度比素混凝土的高，层布式混杂纤维混凝土的渗水高度比素混凝

29、土的低，渗水高度比层布式钢纤维混凝土的低。而玄武岩维混凝土的渗水高度比素混凝土的低，掺入了粉煤灰后玄武岩维混凝土的渗水高度比素混凝土的低。从试验结果对比可知：从对混凝土抗渗性能的提高程度来看，玄武岩纤维高于钢纤维，与层布式混杂纤维相差无几，但从长远来讲玄武岩纤维是一种天然纤维更利于环保。本章小结本章对、的抗渗性能做了对比试验研究，并将其结果与钢纤维和层布式混杂纤维混凝土的抗渗性能做了比较，结果表明玄武岩维混凝土的抗渗性能比素混凝土的高，而掺入了粉煤灰后玄武岩维混凝土的抗渗性能又有显著提高。玄武岩维混凝土的渗水高度比素混凝土的低。掺入了粉煤灰后玄武岩维混凝土的渗水高度比素混凝土的低。层布式钢纤维

30、混凝土的抗渗性能比素混凝土的低，而层布式混杂纤维混凝土的抗渗性能比素混凝土高，比层布式钢纤维混凝土的高很多。层布式钢纤维混凝土的渗水高度比素混凝土的高，层布式混杂纤维混凝土的渗水高度比素混凝土的低，渗水高度比层布式钢纤维混凝土的低。从对混凝土抗渗性能的提高程度来看，玄武岩纤维高于钢纤维，与层布式混杂纤维相差无几，但从长远来讲玄武岩纤维是一种天然纤维更利于环保。武汉理工大学硕士学位论文第章抗冻融耐久性能试验研究混凝土的抗冻性是指混凝土在饱水状态下，能够经受多次冻融循环而不破坏，同时强度也不严重降低的性斛柏】。它是混凝土耐久性最重要的指标之一，由于没有一个统一的能完整反映混凝土耐久性的指标，所以很

31、多情况下就用抗冻性来衡量混凝土的耐久性。混凝土在经受冻融作用后遭受破坏的程度主要反映在密实度降低、强度及动弹性模量的下降。试验设计抗冻融耐久性能试验设计同第二章。试验内容本试验目的是研究这种新型材料的抗冻性能，据课题组前期研究成果及其他一些文献可推断，玄武岩纤维混凝土具有优良的抗冻性能，所以取配比不同的三组试件进行对比试验，试件数量如表。种类表试件数量编号试件尺寸×组数件数武汉理工大学硕士学位论文试验方法和仪器试验方法冻融耐久性试验方法对试验的结果影响很大，试验方法包括冻融循环制度，评定试件破坏程度的参数，以及破坏的具体指标及试验的仪器等。本试验按照公路工程水泥及水泥混凝土试验规程（

32、）之混凝土抗冻性试验一快冻法进行。规定：混凝土快速冻融试验的试件养护至龄期时开始试验，提前将试件浸泡在温度为的水中，试验前测试动弹性模量和重量，每次冻融循环应在内完成，其中用于融化的时间不得少于整个冻融时间的，一般每隔次循环作一次动弹性模量测试，在冻结和融化终了时，试件中的温度应分别控制在一±和±，遇到以下三种情况之一时即可停止试验：己达到次循环；相对动弹性模量下降到以下：重量损失率达。本试验采用全自动混凝土冻融试验机，试件在饱水状态下进行快速冻融试验。把试件放入冻融试验箱的胶皮桶中，再将桶中注入水，水面浸没试件顶部血，试验箱中同时放入只桶。冻融过程的制冷和加热由试验箱内桶

33、周围的乙二醇防冻液传导热量。每个冻融循环温度上限为±，温度下限为±，每一冻融循环时间为小时。温度的控制由插入试件中心的温度传感器测量，可编程的微处理器采集温度数据，并由该处理器控制温度按照上述温度上、下限进行自动切换制冷和加热。考虑要研究的损伤演变规律，在冻融初期每次循环测试一次，在后期每隔次测试动弹性模量和重量一次。武汉理工大学硕士学位论文性能指标抗压强度是混凝土结构设计和评定试件承载力的重要指标。试件产生严重剥蚀时，其承载面积要减小，内部结构也可能破坏，剥落量与抗压强度的关系，总的趋势是剥落量越大，抗压强度损失也越大【柏。但是，抗压强度损失是一个反映试件整体破坏的参数，

34、而剥落量是一个反映试件表面局部破坏的参数。因此，用强度损失作为评定冻融破坏的参数是不合适的，但可作为参考参数。本文仅对测定终止冻融循环时试件的抗压强度与同龄期的非冻融试件作了比较。试件的抗折强度几乎不随剥落量而变化，见图。甚至当剥落量】时，试件的抗折强度还增加了。由于抗折强度的损失是一个反映混凝土内部破坏的参数，而剥落量仅是一个反应试件表面的参数，因而试件表面破坏并不能代表其内部也肯定破坏。显然，抗折强度损失也不适合作为评价混凝土冻融破坏的参数。混凝土的冻融劣化是一个由致密到疏松的物理过程，动弹性模量的下降便是这种疏松过程的外在反映。因此，本文冻融试验主要采用试件的动弹性模量，同时考虑到重量损

35、失，用这两个指标来评定混凝土内部与表面受到损伤的程度。相对动弹性模量动弹性模量的测定方法是用动弹性模量测定仪测得试件的基频振动周期，规定，通过下面公式计算其相对动弹性模量：箬次冻融循环后试件的横向基频（）；（）式中一经过次冻融循环后试件的相对动弹性模量（）；兀一冻融循环前试件的横向基频（）。质量损失率试件冻融后的质量损失率按下式计算：一×肘（）武汉理工大学硕士学位论文式中一次冻融循环后试件的质量损失率（）；。一冻融循环前试件的质量（）；次冻融循环后试件的质量（）。试验设备型混凝土快速冻融试验机（日本圆井公司生产），如下图。图快速冻融试验机本试验机是按照一方法对混凝土进行反复冻融试验，

36、根据冻融循环温度的改变，记录试样中心的温度，根据自动记录的试验槽温度，显示循环的次数。在完成达到规定的循环次数后，设各自动停止工作并保持常规温度。试件盒：由厚的胶皮桶制成，其净截面尺寸为¨，高应比试件高出案称：称量，感量，检定分度值克；动弹性模量测定仪：动弹仪，如图；热电偶、电位差计：能在一一范围内测定试件中心温度。武汉理工大学硕士学位论文试验结果本节采用动弹性模量及质量的变化来表征混凝土在冻融作用下的损伤过程，并且当试件相对动弹模下降至以下或质量损失率达时，停止试验。一葭哥黪卜”习图动弹性模量测定仪冻融试验结果见表，由于本章内容只是拟研究相对其它混凝土的抗冻能力，故本表只列出每隔”

37、次冻融循环的相对动弹模及质量损失率。表，冻融试验结果注：表中试验结果均带武汉理工大学硕士学位论文试验结果比较从表及图的试验结果可看出：随着冻融循环次数的增加和的相对动弹性模量降低较快，并且都在冻融次时降至以下分别为和与和相比，相对动弹性模量降低趋势较缓并在冻融次时仍大于为。比较质量损失，从表中的试验结果可知：冻融循环次后与的质量损失相对较小分别为为与的质量损失则较大为。到次轼赫稃韶霉冻融循环，与相继破坏，质量损柏失分别与循环次数；而此时图相对动弹模量与循环次数的关系的质量损失为仅相当于冻融循环次时的质量损失，并观察其外观，可见，玄武岩纤维的掺入，较大幅度地提高了混凝土抗冻能力。而掺入粉煤衰后圈

38、圈啊”艮卜习黔一。龟二。：图冻融循环次照片图冻融循环次照片武汉理工大学硕士学位论文图冻融循环次照片作者发现，在冻融初期测量的试件质量还略有增加（由于增加非常小，没有在表中列出）。为保证不是测试误差引起，对此进行了反复试验，普遍存在这种现象。分析其原因：主要是破坏试件中存在微裂缝，这些微裂缝吸水饱和引起重量增加所致。如果试件表面剥落较多时则观察不到这种现象，因为这时微裂缝吸水增重与剥落失重相互抵消，结果表现为重量下降。本试验中各个试件的质量损失率均远未达到当前混凝土冻融循环试验标准规定的。从直观的角度分析，随着冻融循环作用的不断破坏，混凝土试件内部产生的微裂隙逐渐扩张，但侵入混凝土内部的水量也不

39、断增长，这在一定程度上反而增加混凝土试件的质量。和¨也注意到冻融过程中混凝土试件吸水而引起重量增加的现象。因此，在本试验中质量损失仅作为冻融试验评定的参考标准。综上所述，玄武岩纤维纤维的掺入，较大幅度地提高了混凝土抗冻能力，而粉煤获部分等量取代水泥后，使纤维混凝土的抗冻能力又有显著的下降。抗冻机理分析混凝土冻融破坏机理对于抗冻机理的合理分析，必须基于对混凝土冻害机理的深刻认识。关于混凝土冻害机理的研究起始于世纪年代，各国学者做了大量的工作，并在后来三、四十年中发展了较为完整的基本理论。由于混凝土冻害问题的复武汉理工大学硕士学位论文杂性，尽管人们尚未彻底弄清其破坏机理，但所提出的一系列

40、假说已在很大程度上指导了目前混凝土冻融破坏的研究和工程实践。和等人的研究工作为冻融破坏机理奠定了理论基础。目前提出的混凝土冻融破坏机理有五、六种闱，即水的离析层理论、静水压理论、渗透压理论、充水系数理论、临界饱水值理论和孔结构理论，其中具有代表性的是静水压假说。混凝土中含有各种孔径的孔，大至毫米级的粗孔，小至纳米级的凝胶孔，由于毛细孔压力的作用，孔径小的孔容易吸满水，孔径大的孔由于空气压力，常压下不容易吸水饱和。在某个负温下，部分毛细孔水结冰，据文献【铝】水转变为冰时体积膨胀，这个增加的体积产生一个水压力把水推向空气泡方向流动。当这个压力大到一定程度时，超出混凝土强度，致使混凝土膨胀开裂以至破

41、坏。渗透压是由孔隙内冰和未冻水两相的自由能之差引起的，冰的蒸汽压小于水的蒸汽压，这使得尚未结冰的水向结冰区迁移并在该冻结区转化为冰。此外，混凝土中的水含有各种盐类，冻结区的水结冰后，未冻溶液中盐的浓度增大，与周围液相中盐的浓度差也产生一个渗透压。因此，作为施于混凝土破坏力的渗透压是冰和水的蒸气压差及盐浓度差两者引起的【】。抗冻机理分析影响混凝土冻融性能的主要因素有两个方面：一是温度、湿度、融循环次数等外因；时间和冻二是混凝土本身的特性，如抗拉极限应变、韧性、含气量、纤维的掺量等内因就其改变内因而言，玄武岩纤维在混凝土中呈三维乱向分布彼此粘连，起到了“承托一骨料的作用，有效地抑制了混凝土硬化前连

42、通裂缝的产生（图和图），避免了连通毛细孔的形成，玄武岩纤维的掺入改善了水泥石的结构，从而提高了混凝土的抗渗性能抗渗能力的提高，使外界环境的水分就难以渗透进入混凝土内部孔隙之中，从而减少孔内可冻水，改善了混凝土抗冻性能；其次，乱向分布的微细纤维相互交错搭接，阻碍了混凝土搅拌和武汉理工大学硕士学位论文成型过程中内部空气的溢出，使混凝土的含气量增大，缓解了低温过程中的静水压力和渗透压力。豳圈图中纤维图中纤维水泥石界面（）水泥石界面（×）另外玄武岩纤维的弹性模量相对高于凝结初期的基体的弹性模量增加了塑性和硬化初期复合体的抗拉强度使混凝土内部自生微裂缝减少；晟后，合理的掺配量和搅拌工艺保证了纤

43、维在混凝土中的均匀性及较小的间距，增加了混凝土冻融损伤过程中的能量损耗。有效地抑制了混凝土的冻胀开裂掺合料对抗冻性能的影响近年来粉煤灰、矿渣微粉和硅灰等矿物掺合料已被用作生产高强、高性能混凝土资源。这些掺合料取代部分水泥，除了可以降低成本，减轻环境负荷外，还可以改善混凝土的综台性能，但由于这些矿物掺合料对混凝土水化速率与过程影响不同，以及它们在水化中的需水量不同，因此对水泥混凝土抗冻性能将产生不同程度的影响。根据有关资料的研究表明，混凝土水胶比、矿物掺台料的掺配率以及它们的细度等均会影响到混凝土的耐久性能。在本试验中，作者取粉煤灰等量替代中的水泥，以寻求更为经济环保。但试验结果表明：掺入掺合料

44、的，在冻融循环后，其相对动弹性模量、质量以及强度损失更多。分析其主要原因：试验所取水胶比（）偏大，而且优质粉煤灰需水量比小于，致使棍凝土基体内可冻水增加，从而降低了混凝土的抗冻能力。武汉理工大学硕士学位论文与层布式钢纤维以及混杂纤维混凝土结果对比武汉理工大学设计院纤维混凝土课题组对层布式混杂纤维混凝土的抗冻性能做了试验研究冈，采用配合比与本次试验研究所采用配合比相同，结果如下：表层布式混杂纤维混凝土抗冻性能试验配合比（）表层布式混杂纤维混凝土抗冻性能试验结果注：以上结果都带武汉理工大学硕士学位论文比较相对动弹性模量：随着冻融循环次数的增加，和的相对动弹性模量降低趋势基本相同并且都在冻融次时降至以下，分别为和，所以层布式的钢纤维对混凝土抗冻能力影响不大。与相比，冻融初期阶段与的相对动弹