玄武巖—鋼纖維混雜混凝土劈裂抗拉強度試驗及機理研究

文 可 周 珣

(1.武昌實驗中學，湖北 武漢 430060； 2.武漢理工大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070)

玄武巖—鋼纖維混雜混凝土劈裂抗拉強度試驗及機理研究

文 可1周 珣2*

(1.武昌實驗中學，湖北 武漢 430060； 2.武漢理工大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070)

采用浸膠玄武巖纖維和鋼纖維混雜，通過試件的抗壓和劈裂抗拉試驗，得出纖維對混凝土力學性能的影響規律，并提出浸膠玄武巖纖維混凝土增強機理的假設。試驗結果表明：低摻量的鋼纖維和浸膠玄武巖纖維對混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度均有一定的增強作用，且兩種纖維混雜之后擁有更好的增強增韌效果，但浸膠玄武巖纖維對混凝土的破壞形態方面沒有明顯的改善作用，該研究成果有一定的工程應用參考價值。

混雜纖維，鋼纖維，浸膠玄武巖纖維，劈裂抗拉強度，機理分析

0 引言

混凝土是傳統建筑和基礎材料中應用最為廣泛的一類人工石材，從社會發展以及技術進步的角度來看，它仍將是21世紀最主要的建筑材料。但是，不可回避的是，混凝土也是一種典型的脆性材料，其自重大、抗拉強度低的特性也限制了混凝土的應用范圍。針對這一問題，國內外的學者采取了廣泛的探索研究。目前改善混凝土抗拉強度低的有效方式之一是摻入高彈性模量的纖維。如鋼纖維是已經被證明能夠大幅度改善混凝土基體的韌性，提高混凝土的各方面強度[1]。但鋼纖維價格較高，施工困難，且鋼纖維的種類、形態、尺寸等對纖維混凝土各方面物理性能有很大影響。而低彈性模量的纖維雖對基體有一定的增韌作用，但往往會降低基體的強度。因此，在考慮工程經濟的條件下，采用單一纖維很難達到既增強又增韌的效果[2]。

混雜纖維混凝土是纖維混凝土的一個新的發展方向，國內外混雜纖維混凝土的研究大多停留在纖維種類、最優摻量的層面，而對于其基本原理的研究很少[2-11]。本文基于混凝土材料的特性，在保證混凝土和易性的條件下，同時摻入浸膠玄武巖纖維和高彈性模量的鋼纖維以形成玄武巖—鋼纖維混雜增強混凝土，并基于復合材料理論，通過材料的抗壓強度及劈裂強度，研究浸膠玄武巖纖維和鋼纖維的增強機理及相互之間的混雜效應。

1 試驗設計

本次試驗中使用的原材料包括：華新P.O42.5普通硅酸鹽水泥；Ⅱ 級粉煤灰；細度模數為2.6的中砂，堆積密度為1 450 kg/m3，粒徑5 mm～25 mm連續級配碎石，WS—PC聚羧酸高效減水劑，浸膠玄武巖纖維束和貝卡爾特鋼纖維。其中浸膠玄武巖纖維由短切玄武巖纖維經環氧樹脂處理后得到。纖維混凝土的配合比參照CECS 38:2004纖維混凝土結構技術規程中有關規定進行設計。纖維的主要參數見表1,配合比見表2。

表1 纖維的主要物理力學性能

表2 C50混凝土配合比 kg/m3

制作纖維增強混凝土試件4組每組6個，其中每組3個做抗壓試驗，3個做劈裂試驗，研究纖維混凝土的抗壓強度和劈裂強度。試件的尺寸為邊長150 mm的立方體試塊。試驗中的主要參數設置為：玄武巖纖維體積摻量0.5%、鋼纖維體積摻量0.64%。同時，澆筑一組同強度的普通混凝土作為對比。

試件采用標準養護條件養護，強度測試采用電液伺服機及MCC8多功能試驗機。抗壓強度和劈裂抗拉強度的測試依照GB/T 50081—2002普通混凝土力學性能測試方法標準和CEC S13：89鋼纖維混凝土試驗方法進行測試。

2 試驗結果及分析

試件抗壓和劈裂抗拉強度的數據處理參照GB/T 50081—2002普通混凝土力學性能測試方法和CECS 13：89鋼纖維混凝土試驗方法進行處理,試驗結果如表3所示。

表3 抗壓及劈裂抗拉強度

2.1抗壓性能

由圖1可知：纖維混凝土的抗壓強度相比普通混凝土都有不同程度的提高。浸膠玄武巖纖維、鋼纖維、混雜纖維的提高率依次為5.6%,4.6%,6.5%。低摻量(浸膠玄武巖纖維為0.5%、鋼纖維為0.64%)下纖維對混凝土抗壓性能的提高作用有限，混雜纖維的抗壓強度均高于兩種單摻纖維，即混雜纖維擁有更好的增強效果。

由圖2可知：相比于普通混凝土破壞后裂縫大、剝落現象嚴重，纖維混凝土抗壓破壞后，纖維都能夠表現出良好的整體性，表面沒有嚴重的剝落現象。其中浸膠玄武巖纖維相對于鋼纖維和混雜纖維對混凝土的約束作用相對較差。混雜纖維則表現出很明顯的優勢，破壞面只能看到裂縫。

2.2劈裂抗拉性能

由圖3可知：纖維混凝土的劈裂抗拉強度相比普通混凝土的都有不同層次的提高。浸膠玄武巖纖維、鋼纖維、混雜纖維的提高率依次為13.0%,8.7%,16.2%。本試驗采用的是帶彎鉤(集束狀)鋼纖維，作為分散相均勻分布于水泥基體中時，纖維的形態決定了其更易于承受拉力(拉壓比明顯提高)，當混凝土開裂后，鋼纖維能夠起到“橋接”裂縫兩端的作用，可以有效抑制和延緩裂縫發展，起到增強混凝土力學強度的作用，試塊破壞面呈不規則狀，可以看見鋼纖維從基體中拔出，其破壞形態表現出一定的塑性破壞形態(見圖4)；浸膠玄武巖纖維則受到自身長徑比等因素的限制，對混凝土劈裂抗拉強度的貢獻不大，從破壞斷面看，破壞界面相對平滑，可以看見浸膠玄武巖纖維從水泥基體中拔出，即浸膠玄武巖纖維混凝土依然是脆性破壞，其破壞形態相較于普通混凝土并沒有發生實質性的轉變。

相對于單摻纖維混凝土，混雜纖維表現出更加優異的性能(見圖4)，混雜纖維破壞截面呈彎曲不平滑狀，且破壞面上分布著大量纖維，能夠對混凝土起到很好的約束作用，破壞后的試塊具有一定的整體性。說明混雜纖維能夠一定程度上改善混凝土的破壞形態，表現出一定的塑性破壞；同時混雜纖維混凝土的拉壓比相對于普通混凝土也得到了很大程度的改善，有利于其實際應用。試驗結果表明，混雜纖維能夠大大提高混凝土的抗拉強度，即混雜纖維能夠達到既增強又改善混凝土破壞形態的作用。

3 機理分析

一般水泥混凝土，水泥在水化硬化過程中由于水化反應、環境溫度變化等因素會導致混凝土內部水分消耗和溫度變化，從而引起混凝土體積的一系列收縮變形。混凝土材料開裂往往是由于在約束作用下混凝土自身體積變形產生的應力大于材料本身的抗拉強度而導致的。在混凝土之中加入纖維后，纖維均勻的分布于混凝土之中，與水泥基體粘結良好的纖維能與水泥基體形成一個整體并承擔“加勁肋”的角色，從而可以有效的抑制和延緩裂縫的發展、阻止集料的沉降，進而提高混凝土的抗裂性能[12]。

3.1浸膠玄武巖纖維

1)浸膠玄武巖纖維是由一束短切紗玄武巖纖維經環氧樹脂處理之后得到的。雖然環氧樹脂與水泥基體之間的粘結力較大，但受到纖維本身的長徑比的限制，其有效長度不足以承受或只能承受部分因為混凝土開裂而急速增加的荷載。在裂縫開展之后，浸膠玄武巖纖維與水泥基體界面之間的粘結力很快達到極限，裂縫迅速開展，纖維迅速拔出，混凝土即發生脆性破壞。

2)玄武巖纖維經環氧樹脂處理之后，內部會形成較大的空隙，因而在纖維內部會聚集大量的水分，當浸膠玄武巖纖維作為分散相均勻分布于水泥基相中時，除了承擔“加勁肋”的角色，抑制和延緩裂縫的擴展之外，還能夠在其周圍形成一個“微型水循環”體系，眾多浸膠玄武巖纖維的“微型水循環體系”構成混凝土的“水循環”系統，進而能夠有效的減少因混凝土材料自身的收縮變形(干燥收縮、塑性收縮、自收縮、化學收縮等)而引起的應力。在未加纖維的區域A部分(如圖5a)所示)的水泥漿體由于水化等消耗水分，產生自身收縮變形，若加入浸膠玄武巖纖維之后(見圖5b))，由于纖維中攜帶大量水分，能夠給A區域提供水分，減少材料自身收縮，從而達到增加混凝土抗裂性能的目的(見圖5c))。即與鋼纖維混凝土中鋼纖維主要是利用混凝土開裂后的“橋接”作用來提高混凝土的抗裂性能,不同的是，浸膠玄武巖纖維主要通過改善混凝土自身固有的抗裂性質來提高混凝土的力學性能。

3.2混雜纖維的混雜效應

浸膠玄武巖纖維和鋼纖維混雜，由于兩者形狀不同、長徑比不同、彈性模量不同等，能夠在不同結構層次和性能上充分發揮各自的尺寸優勢及增強效應，達到抑制纖維生成、擴展的阻裂效應。浸膠玄武巖纖維主要用于提高材料本身固有抗拉性質，減少混凝土自身收縮；而鋼纖維主要用于混凝土開裂后抑制舊裂縫的發展和新裂縫的生成，從而增強混凝土的抗拉強度。由表3可知，浸膠玄武巖纖維和鋼纖維對混凝土抗壓和劈裂抗拉強度存在“正混雜效應”。即兩種纖維能夠在混凝土內部相互搭接，形成類似“骨架”的模型，能夠有效改善混凝土的受力方式及力學強度。

混雜纖維充分利用鋼纖維和浸膠玄武巖纖維對混凝土不同大小、不同層次的增強增韌作用，即利用浸膠玄武巖纖維對材料固有抗裂性能的增強作用和鋼纖維對材料開裂之后的“橋接”增強作用，進而達到對普通混凝土性能的優化。

4 結語

1)在低摻量的條件下，鋼纖維、浸膠玄武巖纖維及混雜纖維對混凝土的抗壓性能有增強效果，提高率分別為4.6%,5.6%和6.5%。

2)鋼纖維、浸膠玄武巖纖維及混雜纖維對混凝土的抗拉性能有很好的增強效果，提高率分別為13.0%,8.7%,16.2%。其中鋼纖維和混雜纖維混凝土試件均表現出明顯的塑性破壞，而浸膠玄武巖纖維為脆性破壞。

3)纖維的摻入能夠有效的改善混凝土各方面受力的不均勻性。摻加纖維之后，混凝土的拉壓比有一定程度的提高。

4)混雜纖維能夠充分利用兩種纖維材料對混凝土不同大小、不同層次的作用達到既增強又改善破壞形態的效果。且其增強效果均優于單摻鋼纖維和浸膠玄武巖纖維。

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Experimentalstudyonsplittingtensilestrengthofbasalt-steelfibermixedconcreteanditsmechanism

WenKe1ZhouXun2*

(1.WuchangExperimentalHighSchool,Wuhan430060,China; 2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

In this paper, the influence of fiber on the mechanical properties of concrete is obtained by compressing the braided basalt fiber and the steel fiber. The hypothesis of the strengthening mechanism of the impregnated basalt fiber reinforced concrete is put forward. The results show that the low-volume steel fiber and dipped basalt fiber have a certain enhancement effect on the compressive strength and splitting tensile strength of concrete, and the two fibers have better enhanced toughening effect after mixing. There is no obvious improvement in the damage morphology of concrete. Article research results have a certain value for engineering applications.

hybrid fiber, steel fiber, dipped basalt fiber, splitting tensile strength, mechanism analysis

1009-6825(2017)32-0096-03

2017-09-09

文 可(2000- )，男，在讀高中生

周珣(1993- )，男，在讀碩士

TU502

A