玄武巖纖維混凝土力學性能試驗研究

劉泮森，魏書華，李秉千

（1．河北科技大學建筑工程學院，河北石家莊 050018；2．河北省高速公路管理局，河北石家莊050031）

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玄武巖纖維混凝土力學性能試驗研究

劉泮森1，魏書華1，李秉千2

（1．河北科技大學建筑工程學院，河北石家莊 050018；2．河北省高速公路管理局，河北石家莊050031）

摘 要：為提高混凝土的抗彎拉性、抗沖擊性和耐磨性，在混凝土中添加玄武巖纖維，制成玄武巖纖維混凝土。對不同水灰比、不同玄武巖纖維含量的10種常用配合比混凝土，開展了水泥混凝土立方體抗壓強度試驗、抗彎拉強度試驗、斷裂能試驗和耐磨性試驗，研究了玄武巖纖維含量對混凝土抗壓強度、抗彎強度、斷裂能和耐磨性的影響。結果表明：添加2～4kg／m3的玄武巖纖維，混凝土的抗彎強度增加4％～13％，斷裂能增加23％～138％，磨耗值降低2％～18％，混凝土抗壓強度下降4％～18％。

關鍵詞：建筑材料其他學科；玄武巖纖維；耐磨性；強度；斷裂能；孔隙率

E－mail：wudijianxia2004＠163．com

劉泮森，魏書華，李秉千．玄武巖纖維混凝土力學性能試驗研究［J］．河北工業科技，2016，33（2）：126－131．

LIU Pansen，WEI Shuhua，LI Bingqian．Experimental investigation of mechanical properties of basalt fiber reinforced concrete［J］．Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2016，33（2）：126－131．

在混凝土中增加石棉、纖維素、鋼鐵、聚丙烯等纖維制品，可以改善混凝土的力學特性，提高混凝土拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度和韌性，控制開裂和破壞的模式，提高耐久性［1－3］。

纖維的使用可大大增加水泥基材料的韌性和能量吸收能力［4－10］。加入鋼纖維和聚丙烯纖維之后混凝土由脆性材料轉變為可彎曲韌性塑性材料［11－13］。然而它們的抗壓和抗彎強度并沒有顯著提高。鋼纖維的不同長度和縱橫比對混凝土的韌性產生影響，對于給定的長寬比，彎曲韌性隨著纖維體積百分率的增加而增加。對于給定的體積百分率，隨著縱橫比的增加混凝土的彎曲韌性也增加［8－9］。

玄武巖是火成巖，在強度、耐溫、耐久性方面表現良好。玄武巖纖維是玄武巖巖石熔化過程中得到的，比無堿玻璃纖維有更大的抗拉強度，比碳纖維有更大的破壞應變，對化學腐蝕、沖擊載荷有良好的抵抗能力，耐火性良好，且較為環保［10］，可替代鋼纖維、玻璃纖維和碳纖維［4－5］。但目前對于玄武巖纖維混凝土力學特性的研究尚不夠深入。

本文對10種水灰比不同、玄武巖纖維含量不同常用配合比的混凝土開展了抗壓強度、抗彎強度、斷裂能和耐磨性試驗，旨在評價摻入含量（2kg／m3，4 kg／m3）和長度（12，24mm）的玄武巖纖維后，水灰比分別為0．60和0．45的混凝土新拌和硬化后的性能。通過耐磨性、抗壓強度、抗彎強度和斷裂能等各項試驗來評價玄武巖纖維對混凝土的影響。

1 試驗研究

1．1 原材料和混凝土配方

本研究使用的材料包括石灰石粗骨料（表觀密度為2 715kg／m3）、天然河砂（表觀密度為2 575 kg／m3）、石灰石機制砂（表觀密度為2 650kg／m3）、水泥、化學外加劑和玄武巖纖維。粗骨料、天然河砂和石灰石機制砂的最大粒徑分別是16，2．36，4．75mm。

本研究采用的水泥是42．5R硅酸鹽水泥，其技術指標符合國家標準。使用了不同含量的減水劑，保證混凝土的坍落度在（13±3）cm的范圍內。

玄武巖纖維的密度為2．85g／cm3，長度為12，24mm，研究中使用不同的含量。玄武巖纖維的物理和力學性能如表1所示。

表1　玄武巖纖維的特性Tab．1 Characteristics of basalt fiber

共制備10種拌合物，水泥含量均為350kg／m3，水灰比為0．45，0．60，每種配合比下纖維含量為2kg／m3，4kg／m3，長度為12，24mm。按照常見的中、重型交通等級混凝土4．5～5．0 MPa彎拉強度等級的要求，確定混凝土的水泥含量和水灰比，玄武巖纖維摻量的選取參照常用范圍。H45，H60代表無纖維混凝土和水灰比分別為0．45，0．60。其他拌合物編碼形式為XHxx／yy／z，“XH”代表玄武巖纖維混凝土，“xx”、“yy”和“z”代表纖維長度、水灰比和纖維含量。混凝土拌合物的配合比及和易性如表2所示。

表2　混凝土拌合物的配合比及和易性Tab．2 Mix proportions and workability of concrete mixtures

1．2 試件制備和試驗過程

為了確定玄武巖纖維對混凝土各項性能的影響，制備了各種試件進行測試。為測定混凝土的抗壓強度，制作邊長為150mm的立方體試件，每個配合比測試3個試件，試驗采用2 000kN壓力試驗機。為測定混凝土的耐磨性，制作邊長為150mm的立方體試件，每個配合比測試3個試件，試驗采用混凝土磨耗試驗機。為測試混凝土抗彎強度，制作尺寸為100mm×100mm×400mm的梁，每個配合比測試2個試件，試驗采用1 000kN萬能試驗機。為測試斷裂能，制作尺寸為100mm×100mm× 400mm的切口梁，切口深度為30 mm，厚度為3 mm，3點加載，每個配合比測試2個試件，試驗采用1 000kN萬能試驗機。所有試件標準養護28d。針對混凝土的密度、吸水率和孔隙率等物理性質，每個配合比測試2個試件［14－16］。

耐磨性計算公式為

式中：Gc為單位面積的磨損量，kg／m3；m1為試件的初始質量，kg；m2為試件磨損后的質量，kg；0．012 5為試件磨損面積，m2。

切口梁試件在測試前1天用金剛石鋸鋸出缺口。設置位移傳感器測量試件缺口附近的撓度。試驗機以0．1mm／min的速度施加荷載。載荷和撓度值連續記錄，持續收集數據，直到荷載降低到大約100N。得到了每個試件荷載與撓度曲線。斷裂能計算公式為

式中：GF為斷裂能；W0為載荷變形曲線下的面積；m為質量；δ為最大變形；b為厚度；d為高度；a為試件的切口深度；g為重力加速度［17］。

2 結果分析與討論

2．1 抗壓強度和抗彎強度

水灰比為0．45的混凝土抗壓強度在58．5～70．2MPa之間，配合比編號為H45的混凝土具有最高抗壓強度。水灰比為0．60的混凝土抗壓強度在46．5～49．6MPa之間，配合比編號為H60的混凝土具有最高抗壓強度。玄武巖纖維的添加導致水灰比為0．45的混凝土抗壓強度下降10％～18％，水灰比為0．60的混凝土下降4％～9％，見圖1。對強度大于或接近60 MPa的混凝土來說，添加纖維會導致抗壓強度有更大的下降。與纖維長度為12 mm的混凝土相比，玄武巖纖維長度為24mm的混凝土抗壓強度有很小的提高，仍然低于沒摻加纖維的混凝土，見圖1。其原因可能是玄武巖纖維在混凝土中形成纖維網絡，由于纖維自身在受壓情況下容易變形，故其混凝土的抗壓強度不高［18］。

圖1　抗壓強度與纖維含量的關系Fig．1 Compressive strength versus content of fiber

另一方面，添加纖維導致了抗彎強度的提高，見圖2。對水灰比為0．45的混凝土來說，和配合比編號為H45的相比較抗彎強度提高了4％～9％，最高值來自XH12／45／4配合比編號。對水灰比為0．60的混凝土來說，和配合比編號為H60的相比較抗彎強度提高6％～13％，最高值來自XH24／60／4配合比編號。纖維長度增加對混凝土抗彎強度的影響不太顯著。水灰比為0．60的配合比XH24／60／2和XH12／60／2比較，XH24／60／4和XH12／60／4比較，抗彎強度僅增加了2％和3％。XH24／45／2和XH12／45／2相比抗彎強度提高得最多，為5％。然而，XH24／45／4和XH12／45／4相比抗彎強度卻下降了1％。可能是由于混凝土添加了相對多量的纖維，破壞了混凝土中纖維的分散體系，導致了抗彎強度的輕微下降。雖然如此，玄武巖纖維在一定程度上能有效控制混凝土內部微裂縫的產生和發展，能有效提高混凝土的抗裂性能，故其混凝土的抗彎強度有所提高［19］。

圖2　抗彎強度與纖維含量的關系Fig．2 Compressive strength versus content of fiber

2．2 斷裂能

荷載－跨中撓度曲線見圖3、圖4。可以看出，纖維的添加明顯提高了混凝土斷裂能和最大撓度——添加了纖維的混凝土比沒有添加纖維的混凝土H45，H60增加了斷裂能和最大撓度值。有一個例外，XH24／45／2比XH12／45／2斷裂能下降了3％。水灰比為0．45的混凝土斷裂能增加了50％～113％，水灰比為0．60的混凝土斷裂能增加了23％ ～138％，可見水灰比大的混凝土斷裂能增加值稍高。試驗中發現，隨著玄武巖纖維的增加，極限荷載、最大撓度和斷裂能都有所增加。XH12／45／4混凝土擁有最大的抗彎強度，XH24／60／4擁有最大的撓度。圖3、圖4顯示，隨著玄武巖纖維的加入，荷載撓度曲線上升部分的斜率有下降的趨勢，這是因為玄武巖纖維使混凝土剛度下降。荷載撓度曲線峰值后區域沒有顯示出應變硬化特性，可能是因為在研究中使用的玄武巖纖維含量較低。雖然使用玄武巖纖維含量比較低，但是也看出了它對提高混凝土的斷裂能有顯著影響，見圖5。

圖3　水灰比為0．45時的荷載－撓度曲線圖Fig．3 Load－displacement curve of concrete with 0．45w／c ratio

圖4　水灰比為0．60時的荷載－撓度曲線圖Fig．4 Load－displacement curve of concrete with 0．60w／c ratio

圖5　斷裂能與纖維含量關系Fig．5 Fracture energy versus content of fiber

玄武巖纖維分子結構特點使其與水泥基體界面黏結得較為緊密，纖維表面黏附著較多的水泥水化產物，摩擦力較大，在水泥基體承受拉應力的時候可依靠水泥基體微小變形產生的纖維－水泥石過渡面的摩擦力將水泥基體中的拉應力轉移到纖維中。而連續玄武巖纖維的彈性伸長較小，其彈性模量為80～110GPa，因此多條單絲擰成一股的玄武巖纖維很難被拉斷。混凝土彎曲斷裂主要是受拉應力引起的，玄武巖纖維的摻入可提高混凝土的抗拉性能，使抗彎荷載有明顯提高。玄武巖纖維有效吸收水泥基體中傳遞的拉應力而自身不輕易斷裂的性質也可以提高混凝土材料的斷裂能［20－21］。

2．3 耐磨性

圖6　磨耗值與纖維含量的關系Fig．6 Relationship of abrasive wear and content of fiber

相對于水灰比為0．60的混凝土，水灰比為0．45耐磨性有所提高。摻加了玄武巖纖維和沒摻加的混凝土相比較，水灰比為0．45的混凝土磨耗值下降了2％～4％，水灰比為0．60的混凝土磨耗值下降了14％～18％。玄武巖纖維的摻量提高和長度增加可以降低混凝土的磨耗值，如圖6所示。分析原因，可能是玄武巖纖維與混凝土基體之間有較強的黏結作用，纖維在混凝土基材中形成的網狀結構構成了混凝土的“筋骨”。纖維的搭接作用阻礙了裂縫的繼續發展，纖維也能承受部分荷載，材料韌性增大，延緩了復合材料的破壞過程，減輕了被破壞的程度。在磨損過程中纖維對混凝土中水泥、砂、石等材料有牽制作用。玄武巖纖維從混凝土中剝落時消耗了大量摩擦功，玄武巖纖維在混凝土中所處的空間結構，使磨損纖維過程中必須克服纖維與混凝土基材之間的摩擦阻力，故其耐磨性得到了提高［22－24］。

3 結 論

本研究分析了在力學性質方面玄武巖纖維對C60及以下強度等級混凝土的影響。研究發現玄武巖纖維對混凝土的抗彎強度、斷裂能、耐磨性有顯著的改進，玄武巖纖維使混凝土的抗彎強度提高4％～13％，斷裂能也有了顯著提高，達到23％～138％。加入了玄武巖纖維后磨耗值下降2％～18％，纖維的含量和長度的增加有助于混凝土耐磨性的提高。然而隨著玄武巖纖維的添加，抗壓強度下降4％～18％。當混凝土的抗壓強度很重要時，應采取一些預防措施，補償抗壓強度的下降。

本研究沒有涉及玄武巖纖維對混凝土耐久性的影響，這是今后的一個研究方向。

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Experimental investigation of mechanical properties of basalt fiber reinforced concrete

LIU Pansen1，WEI Shuhua1，LI Bingqian2
（1．School of Civil Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China；2．Hebei Province Expressway Management Bureau，Shijiazhuang，Hebei 050031，China）

Abstract：In order to improve the mechanical properties such as tensile strength，shock resistance and abrasion resistance，basalt fiber is added into the concrete to make basalt fiber reinforced concrete．Ten commonly used concrete mixtures with different water／cement ratio and different content of basalt fiber are used for mechanical tests including compressive strength，flexural strength，fracture energy，and abrasion resistance，so that the effects of the content of basalt fiber on the compressive strength，flexural strength，fracture energy and abrasion resistance of the concrete are analyzed．The results show that by adding the basalt fiber of 2～4kg／m3，the flexural strength of the concrete increases by 4％～13％，the fracture energy increases by 23％～138％，the abrasion value decreases by 2％～18％，but the compressive strength decreases by 4％～18％．

Keywords：other discipline of building material；basalt fiber；abrasion resistance；mechanical strength；fracture energy；void content

作者簡介：劉泮森（1975—），男，河北吳橋人，工程師，碩士，主要從事巖土工程、結構工程方面的研究。

基金項目：河北省建設科學技術研究計劃項目（2014－110）；河北省科技支撐計劃項目（12214902）

收稿日期：2015－10－27；修回日期：2015－12－11；責任編輯：馮 民

文章編號：1008－1534（2016）02－0126－06

中圖分類號：TU528

文獻標志碼：A

doi：10．7535／hbgykj．2016yx02006