玄武巖纖維長度對輕骨料混凝土力學性能影響研究

吳曉斌

(廈門城市職業學院 福建廈門 361008)

玄武巖纖維長度對輕骨料混凝土力學性能影響研究

吳曉斌

(廈門城市職業學院 福建廈門 361008)

通過試驗研究了兩種玄武巖纖維體積含量(0.1%和0.2%)下4種玄武巖纖維長度(0、12mm、18mm和30mm)輕骨料混凝土的立方體抗壓強度、劈拉強度和抗折強度，結果表明：隨著纖維長度的增長，28d立方體抗壓強度隨之增加，但7d立方體抗壓強度變化不大，并且纖維長度的增加可以有效地提高輕骨料混凝土的劈拉強度和抗折強度。

纖維長度；玄武巖纖維；輕骨料混凝土；力學性能

0 引言

隨著建筑產業化的轉型升級，綠色、環保、節能材料的研發已經成為研究人員關注的焦點。玄武巖纖維是一種以純天然玄武巖礦石為原料生產而成的新型高技術無機纖維，與其他纖維增強混凝土的纖維相比具有耐腐蝕性強、化學穩定性好、抗拉強度高、耐高溫等優點。

輕骨料混凝土與普通混凝土相比具有輕質高強、保溫隔熱、隔音效果好等優點。將一定體積摻量、一定長度的短切玄武巖纖維加入輕骨料混凝土可以增強其抗壓、抗裂和抗滲性能。有研究表明，當纖維的長度達到臨界長度時，即纖維與混凝土的粘結強度等于纖維本身的抗拉強度時，效果最佳。超過此長度，增強效果不但不明顯，而且會增加纖維在混凝土中的分散難度[1]。筆者試圖通過將適量不同長度的玄武巖纖維摻入輕骨料混凝土中進行力學性能試驗，從而得到玄武巖纖維輕骨料混凝土中的臨界纖維長度。

本文采用陶粒作為輕骨料制作成強度等級為LC30的輕骨料混凝土，根據已有研究成果[2]和試驗分散難度選用纖維體積摻量為1%和2%，纖維長度為0、12mm、18mm和30mm的試件進行基本力學性能試驗。

1 試驗概況

1.1試驗原材料

水泥： P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，其各項指標均達到國家標準。

細骨料：中砂，細度模數(2.9)，密度，2600kg/m3。

粗骨料：圓球形粘土陶粒，連續級配，粒徑5mm～20mm，物理性能指標如表1所示。

短切玄武巖纖維：纖維長度為12mm、18mm和30mm 3種，其性能指標如表2所示。

水：普通自來水。

表1 陶粒各項物理力學性能

表2 玄武巖纖維物理力學性能指標

1.2配合比設計

試驗采用的素輕骨料混凝土(玄武巖纖維體積率Vs為0%)的強度等級為LC30，并摻入不同體積率的短切玄武巖纖維。玄武巖纖維的體積摻量依照《纖維混凝土結構技術規程》(CECS38:2004)[3]和《水泥混凝土和砂漿用短切玄武巖纖維》(GB/T23265-2009)[4]的有關條文規定，并參考玄武巖纖維輕骨料混凝土相關的研究成果選定為0.1%和0.2%。

玄武巖纖維的摻量和長度會對輕骨料混凝土的坍落度產生影響[5]，如果通過增加用水量來調整坍落度會影響到輕骨料混凝土的強度。因此本試驗通過保持水灰比不變對不同纖維體積摻量的輕骨料混凝土加入一定量的減水劑的方法來調整坍落度，從而保證玄武巖纖維輕骨料混凝土的和易性。經試配所確定的玄武巖纖維輕骨料混凝土的配合比如表3所示。

表3 玄武巖纖維輕骨料混凝土配合比

1.3試驗方法

力學性能試驗依照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2002)[6]的有關條文執行。立方體抗壓強度和劈拉強度均選用100mm×100mm×100mm立方體試塊，每組3塊，共計28組。抗折強度選用100mm×100mm×400mm 的小梁試件，每組3塊，共計14組。

試件制作過程中玄武巖纖維的摻入方法按照《水泥混凝土和砂漿用短切玄武巖纖維》(GB/T23265-2009)[4]的規定：選用強制式混凝土攪拌機，全部材料和減水劑一次投入，拌合量控制在10L～45L,攪拌3min，出料后在鐵板上繼續人工翻料2～3次，然后進行試驗。

2 試驗結果及分析

2.1抗壓強度試驗結果分析

玄武巖纖維體積摻量為Vf=0.1%和Vf=0.2%時，纖維長度為0、12mm、18mm和30mm的7d齡期和28d齡期立方體抗壓強度試驗結果如表4所示。由表4的試驗結果可以得到纖維長度與7d齡期和28d齡期立方體抗壓強度的關系曲線，如圖1所示。

表4 立方體抗壓強度試驗結果

由表4和圖1分析可知：

(1)當玄武巖纖維體積摻量取0.1%和0.2%時，玄武巖纖維輕骨料混凝土的7d抗壓強度隨纖維長度的增長變化不大。當纖維長度為12mm時，立方體抗壓強度比素輕骨料混凝土分別增加了0.6%和6.4%。當纖維長度為18mm時，抗壓強度比素輕骨料混凝土分別增加了1.3%和7.7%。當纖維長度為30mm時，抗壓強度比素輕骨料混凝土增加了0%和6.4%。 摻入0.1%的玄武巖纖維對輕骨料混凝土的早期抗壓強度影響不大，摻入0.2%的玄武巖纖維會略提高輕骨料混凝土的抗壓強度，但纖維長度的變化對早期抗壓強度的影響不大。

圖1 玄武巖纖維長度與立方體抗壓強度的關系

(2)當玄武巖纖維體積摻量取0.1%和0.2%時，玄武巖纖維輕骨料混凝土的28d立方體抗壓強度隨纖維長度的增長而增大。當纖維長度為12mm時，抗壓強度比素輕骨料混凝土分別提高了8%和11.3%。當纖維長度為18mm時，立方體抗壓強度最大，比素輕骨料混凝土分別提高了11.6%和15.2%。當纖維長度為30mm時，抗壓強度比素輕骨料混凝土提高了12.7%和18.2%。 摻入適量的玄武巖纖維會提高輕骨料混凝土的抗壓強度，并且隨著纖維長度的增長，抗壓強度也隨之增大，由于本試驗中粗骨料陶粒的最大粒徑為20mm，在荷載作用下能夠充分發揮玄武巖纖維與水泥石界面的粘結強度。

(3)通過抗壓強度試驗觀察，試件的破壞形態表現為：摻入適量玄武巖纖維的輕骨料混凝土試塊在受荷后，隨著荷載的增加試件底部邊緣出現一些細微的裂縫，荷載繼續增加，裂縫向斜上方擴展，裂縫的數目也增多且分布不規律，直至部分裂縫發展為較寬的裂縫而破壞。

2.2劈拉強度試驗結果分析

當玄武巖纖維體積摻量Vf=0.1%和Vf=0.2%時，纖維長度為0、12mm、18mm和30mm的7d齡期和28d齡期的劈拉強度試驗結果如表5所示。由表5的試驗結果可以得到纖維長度與劈拉強度的關系曲線，如圖2所示。

表5 劈拉強度試驗結果

由表5和圖2分析可知：

(1)當玄武巖纖維體積摻量取0.1%和0.2%時，玄武巖纖維輕骨料混凝土的齡期為7d和28d的劈拉強度都隨纖維長度的增長而增大,且纖維長度為18mm和30mm時的增加效果比纖維長度為12mm時明顯。

圖2 玄武巖纖維長度與劈拉強度的關系

7d齡期的玄武巖纖維體積摻量為0.1%和0.2%輕骨料混凝土劈拉強度：當纖維長度為12mm時，比素輕骨料混凝土分別提高了2.7%和7.2%；當纖維長度為18mm時，比素輕骨料混凝土分別提高了3.4%和18.3%；當纖維長度為30mm時，比素輕骨料混凝土提高了8.0%和21.7%。

28d齡期的玄武巖纖維體積摻量為0.1%和0.2%輕骨料混凝土劈拉強度：當纖維長度為12mm時，劈拉強度比素輕骨料混凝土分別提高了6.9%和20.4%；當纖維長度為18mm時，劈拉強度比素輕骨料混凝土分別提高了19.1%和31.9%；當纖維長度為30mm時，劈拉強度比素輕骨料混凝土提高了24.5%和34.2%。

(2)當纖維長度為定值時，在輕骨料混凝土中摻入0.1%和0.2%的玄武巖纖維，玄武巖纖維體積摻量大的劈拉強度大。

以28d劈拉強度為例：纖維長度為12mm時，纖維體積含量為0.2%的劈拉強度比纖維含量為0.1%的提高了13.5%；纖維長度為18mm時，纖維含量為0.2%時的劈拉強度比纖維含量為0.1%的提高了12.8%；當纖維長度為30mm時，纖維含量為0.2%時的劈拉強度比纖維含量為0.1%的提高了9.7%。

(3)通過試驗觀察，在輕骨料混凝土中摻入適量的長度適宜的玄武巖纖維可以改善其脆性，抑制輕骨料混凝土裂縫的發展。在劈拉作用下，由于玄武巖纖維與輕骨料混凝土基體間的摩擦、粘結與拉拔作用，長度為18mm和30mm纖維能有效地連接粗骨料與粗骨料形成的水泥石基體，從而達到增強增韌的效果[7]。

2.3抗折強度試驗結果分析

當玄武巖纖維體積摻量Vf=0.1%和Vf=0.2%時，纖維長度為0、12mm、18mm和30mm的7d齡期和28d齡期的抗折強度試驗結果如表6所示。由表6的試驗結果可以得出玄武巖纖維長度與抗折強度的關系曲線，如圖3所示。

表6 抗折強度試驗結果

由表6和圖3可知：

(1)輕骨料混凝土中摻入0.1%和0.2%的玄武巖纖維可以有效地提高其抗折強度。隨著纖維長度的增加，玄武巖纖維輕骨料混凝土7d和28d齡期的抗折強度值總體上均表現出逐漸上升的趨勢，纖維長度超過18mm時上升的趨勢更明顯。

圖3 玄武巖纖維長度與抗折強度的關系

7d齡期的玄武巖纖維體積摻量為0.1%和0.2%輕骨料混凝土抗折強度：當纖維長度為12mm時，抗折強度比素輕骨料混凝土分別增大了2.2%和15.1%；當纖維長度為18mm時，抗折強度比素輕骨料混凝土分別增大了16.2%和44.9%；當纖維長度為30mm時，抗折強度比素輕骨料混凝土增大了20.0%和54.0%。

28d齡期的玄武巖纖維體積摻量為0.1%和0.2%輕骨料混凝土抗折強度：當纖維長度為12mm時，抗折強度比素輕骨料混凝土分別增大了4.5%和8.2%；當纖維長度為18mm時，抗折強度比素輕骨料混凝土分別增大了18.9%和34.0%；當纖維長度為30mm時，抗折強度比素輕骨料混凝土增大了25.5%和44.0%。

(2)當纖維長度為定值時，在輕骨料混凝土中摻入0.1%和0.2%的玄武巖纖維，玄武巖纖維體積摻量大的抗折強度高。

以28d抗折強度為例：當玄武巖纖維長度為12mm時，纖維含量為0.2%時的抗折強度比纖維含量為0.1%的提高了4.7%；當纖維長度為18mm時，纖維含量為0.2%時的抗折強度比纖維含量為0.1%的提高了15.1%；當纖維長度為30mm時，纖維含量為0.2%時的抗折強度比纖維含量為0.1%的提高了18.5%。

(3)通過觀察試驗過程中試件的破壞形態發現：未摻玄武巖纖維的輕骨料混凝土試件在加載過程中表現出“一裂就壞”的脆性破壞特征。摻入0.1%和0.2%玄武巖纖維的輕骨料混凝土，隨著纖維長度和纖維摻量的增大試件受拉區出現微裂縫的條數增多，主裂縫產生后纖維長度為12mm的試件的裂縫發展速度比裂縫長度為18mm和30mm的要快。這是因為小梁試件在三分點位置集中荷載的作用下，摻入的玄武巖纖維為輕骨料混凝土提供了有效的抗拉作用，玄武巖纖維輕骨料混凝土小梁受拉區開裂時，小梁試件中和軸上移，橫跨裂縫的玄武巖纖維逐漸承擔起主要的拉應力。隨著纖維長度的增加，特別是當纖維長度大于等于粗骨料粒徑的時候，玄武巖纖維與輕骨料混凝土水泥石基體的摩擦和拉拔作用進一步加強，從而提高了受拉區的極限拉應變，進而提高了玄武巖纖維輕骨料混凝土的抗裂性和抗折強度[8]。

3 結論

(1)摻入0.1%和0.2%的的玄武巖纖維時，纖維長度對輕骨料混凝土的早期立方體抗壓強度影響不大。

(2)摻入0.1%和0.2%的的玄武巖纖維時，纖維長度對輕骨料混凝土的28d抗壓強度有影響，隨纖維長度的增長，立方體抗壓強度也隨之提高。

(3)當玄武巖纖維體積摻量是0.1%和0.2%時，玄武巖纖維輕骨料混凝土的7d和28d齡期的劈拉強度都隨纖維長度的增長而增大。輕骨料混凝土中摻入0.2%的玄武巖纖維比摻量為0.1%的更能有效抑制裂縫的發展，提高其延性。

(4)在輕骨料混凝土中摻入0.1%和0.2%的玄武巖纖維可以有效地提高其抗折強度，隨著玄武巖纖維長度的增加，抗折強度值總體上呈現逐步上升的趨勢，特別是當纖維長度大于等于粗骨料粒徑的時候，玄武巖纖維輕骨料混凝土的抗裂性更好。

在實際工程中應根據不同使用部位和使用要求，選擇不同長度和摻量的玄武巖纖維。根據試驗結果分析，玄武巖纖維的長度大于等于輕骨料混凝土中粗骨料最大粒徑時，基本力學性能較好。

[1] 王曉初,劉洪濤.碳纖維長度對CFRC力學性能影響試驗研究[J].混凝土,2013(3):60-63.

[2] 吳曉斌.玄武巖纖維輕骨料混凝土力學性能試驗研究[J].工業建筑,2016(8):119-122.

[3] CECS38:2004 纖維混凝土結構技術規程[S].北京:中國計劃出版社,2004.

[4] GB/T23265-2009水泥混凝土和砂漿用短切玄武巖纖維[S].北京：中國標準出版社，2009.

[5] 陳瀟洋,李紅云,鄒春霞.玄武巖纖維輕骨料混凝土力學性能的試驗研究[J].中國科技論文,2017,12(1):76-79.

[6] GB/T50081-2002 普通混凝土力學性能試驗方法標準[S].北京：中國標準出版社，2002.

[7] 董進秋,杜艷廷,聞寶聯,等.玄武巖纖維混凝土力學性能與增韌機理研究[J].工業建筑,2011,41(S1):638-641.

[8] 張蘭芳,尹玉龍,劉晶偉,等.玄武巖纖維增強混凝土力學性能的研究[J].硅酸鹽通報,2014,33(11):34-37.

Experimentalstudyoninfluenceoffiberlengthonmechanicalpropertiesofbasaltfiberlightweightaggregateconcrete

WUXiaobin

(Xiamen City University,Xiamen 361008)

Through the test of two kinds of basalt fiber volume content (0.1% and 0.2%) under four kinds of basalt fiber length (0, 12mm, 18mm and 30mm) compressive strength of lightweight aggregate concrete, the splitting tensile strength and flexural strength, The results show that with the increase of fiber length, 28d cube compressive strength increased, but the 7d cube compressive strength changes little; and the increase of the length of the fiber can effectively improve the tensile strength and flexural strength of lightweight aggregate concrete.

Fiber length; Basalt fiber; Lightweight aggregate concrete; Mechanical performance

TU502

A

1004-6135(2017)11-0083-04

福建省教育廳2017年度中青年教師教育科研項目 (JAT171052)。

吳曉斌 (1978.4- )，男，講師，國家一級注冊結構工程師。

E-mail:xiaobin@xmcu.cn

2017-08-30