玄武巖纖維混凝土抗壓強度和劈拉強度的研究

汪 炅

建德市建筑業管理處 浙江 建德 311699

1 研究背景

混凝土作為土木工程中廣泛使用的建筑材料，具有較好的力學性能，但是隨著工程技術應用的不斷深入，其力學相關基本性能的不足也逐漸暴露出來。其中由于僅為抗壓強度十分之一的較低的抗拉強度特征，致使構件受拉過程中易出現裂縫，直接降低了構件的耐久性，減小了混凝土材料的應用范圍。

以提高混凝土材料工程力學性能為目標，破解混凝土材料使用的不足，多年來學者對混凝土材料的性能進行相關改良并取得階段性成果，如加外加劑、調整配合比、改進制作工藝和養護方法等。

由于科學技術的進步和實際工程的需要，許多學者試著將其他材料（各類纖維、粉末等）摻入混凝土以提高其使用功能，其中一種就是纖維混凝土，即砂石、水泥等材料中混入無機或有機纖維形成復合材料，這種材料一方面利用混凝土的抗壓性能，另一方面利用纖維良好的抗拉性能，將各自材料性能都發揮了出來。

H.F.Porter首先考慮使用鋼纖維這類無機纖維混入混凝土中，以提高混凝土的抗拉能力，并提出一些相應的處理方法[1-2]。后來，J.P.Romualdi等發表的《關于纖維混凝土增強理論的研究報告》促進了這一行業的快速發展，聚酰胺纖維、聚丙烯、天然植物纖維等均被嘗試作為混凝土的摻合料[3-4]。

玄武巖纖維是在1 400～1 500 ℃高溫中，將玄武巖礦石熔融，然后通過拉絲漏板將熔融后的玄武巖礦石漿制成短切纖維[4]。玄武巖礦石為典型火山巖礦石，熱穩定性和化學穩定性均較好，具體性能如下：質量輕、吸濕性低、耐腐蝕、導熱系數低、斷裂強度高、彈性模量高、伸長率低。同時玄武巖纖維有著優良的加工性能，也是典型的綠色環保材料。與建筑材料中常用的碳纖維材料相比，玄武巖纖維綜合性能與碳纖維綜合性能基本一致，而價格則便宜很多[5]。

基于此，本文以短切玄武巖纖維為研究對象[6]，研究玄武巖纖維體積摻量對混凝土抗壓性能和抗劈裂性能的影響。

2 纖維混凝土增強機理

纖維混凝土增強機理理論現階段主要包括兩大類理論，即復合材料理論和纖維間距理論，其分別源于復合材料混合法則和纖維基體黏結理論，從不同方面對纖維的增韌作用進行解釋。

2.1 復合材料理論

復合材料理論是將多種材料混合而成的材料整體視為一個多相多界面的系統，而該系統的各方面性質是各個相共同作用產生的結果。由材料力學混合定律出發，把纖維和混凝土視為一個整體，通過兩者相互作用，使得混凝土的強度和彈性模量都有所改善。對簡單復合材料，可以假定基體材料為各向同性、纖維平行受力方向的纖維與基體之間無相對滑移，在彈性范疇內，按疊加原理有：

式中：σfc、σf、σm——復合體的應力、纖維的應力、水泥基體的應力；

Efc、Ef、Em——復合體的彈性模量、纖維的彈性模量、水泥基體的彈性模量；

ρf、ρm——纖維的體積率、水泥基體的體積率。

式（1）、（2）表明，在變形一致的情況下，纖維應力與水泥基體應力之比等于纖維彈性模量與水泥基體彈性模量之比，因此若要增強復合材料的總體強度與彈性模量，纖維的強度及彈性模量必須大于水泥基體的強度和彈性模量，同時可以看出，纖維單位含量越多，自身性能越好，則對復合體增強效果越顯著。

本文主要研究短切玄武巖纖維復合材料，需要考慮短切纖維產生的不連續性影響，進一步可以得到下式：

式中：lf——纖維長度；

df——纖維直徑；

ηl——有效黏結長度系數。

假定纖維在混凝土中隨機分布排列，即可能是一維定向分布或二維亂向分布。但對試驗中采用短切纖維制作的復合混凝土來說，由于其短小，故可以認為纖維處于三維亂向分布。增強效果明顯，則表明纖維方向與受力方向一致；增強效果薄弱，則說明兩者方向垂直。為了方便，可以用纖維方向有效系數表示纖維分布方向與增強效果之間的關系。

2.2 纖維間距理論

纖維間距理論是基于線彈性斷裂力學，假定混凝土內部存在大量缺陷，在外力作用下，這些微缺陷進一步生長延展形成分散裂紋，而若干分散裂紋進一步擴展貫通為一個宏觀裂紋，從而導致混凝土最終破壞。在這個過程中，由于抗拉能力較強的纖維加入，可以有效提高復合體對各級別裂紋擴展的抵抗能力，從而達到增強作用。該理論不足之處就是，假設纖維分布均勻，若分布不均勻，纖維間距理論即失去意義。所以，在實際中，纖維分布是否均勻，是這類混凝土力學性質優劣的關鍵所在。

3 試驗材料及試驗方法

選用P.O 42.5水泥，其28 d抗壓強度為48.3 MPa，28 d抗折強度為8.2 MPa。采用細度模數為2.5～ 2.6的中砂為細骨料，其表觀密度為1 996 kg/m3。采用粒徑5～27 mm連續性級配的碎石為粗骨料，其表觀密度為2 737 kg/m3。采用減水率為40%的西卡聚羧酸系高效減水劑。短切玄武巖纖維長度在30 mm左右，單絲直徑約15μm，密度2.7 g/cm3，彈性模量為95～120 MPa，抗拉強度為3 300～4 500 MPa，斷裂延伸率為2.5%～30.0%。

本試驗采用的相關配合如表1所示。立方體抗壓試驗和立方體劈拉強度試驗相關試樣尺寸、制備方法及實驗參數，均參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》。抗壓試驗、劈裂試驗均采用100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，每組3個試樣，標準養護28 d。其中，劈拉強度尺寸折算系數對于普通混凝土取為0.85，對于纖維混凝土取為0.8。最大值和最小值分別與中間值之差至少有一個不大于中間值的15%，則取中間值作為該組試件的抗壓強度值；如果兩者與中間值之差均大于中間值的15%，則判斷該組試驗結果無效。

表1 不同組試件制備材料用量

4 試驗步驟

1）擦凈待測試件后檢查外觀并測量尺寸，精確到l mm。試件承壓面的不平整度要求誤差不大于0.5 mm/ 100 mm，相鄰兩面的不垂直度應小于等于1°。

2）將試件放置于載物臺上，軸心對準壓板中心，檢查無誤后開動試驗機，當壓板接近試件上表面時，調整支座位置，以保證不產生彎矩，達到受力均勻目的。

3）加載速度要保持連續、均勻，立方體抗壓強度試驗加荷速度取12～18 kN/s之間，立方體劈拉強度試驗加荷速度取0.05～0.07 kN/s之間。

4）記錄顯示器中的荷載極值，精確至0.1 MPa。混凝土立方體試件的抗壓強度計算公式如下：

式中：fcu——混凝土立方體試件抗壓強度，MPa；

F——試件破壞荷載，N；

A——試件承壓面積，mm2。

混凝土立方體試件的劈拉強度計算公式如下：

式中：fts——混凝土立方體試件劈拉強度，MPa。

5 試驗結果及分析

由立方體抗壓強度測試值（表2）可知，混凝土7 d抗壓強度隨玄武巖纖維的增加呈現不變到逐漸降低的特征，這主要是由于玄武巖纖維加入后，在纖維與水泥形成的界面處產生一個薄弱面，而隨著纖維摻量的增加，這類薄弱面不斷增加，因此立方體抗壓強度自然就會不斷下降。而混凝土28 d抗壓強度隨玄武巖纖維摻量的增加呈現出先增加后降低的趨勢，這個先增加的原因是少量摻入的玄武巖纖維起到了一定的連接作用，在一定程度上減少了混凝土自身的收縮變形，而同時增加的薄弱面相對28 d強度提高要少很多，從而在整體上表現為強度增加。

表2 立方體抗壓強度測試值

由立方體劈拉強度測試值（表3）可知，基準混凝土的7 d立方體劈拉強度是28 d立方體劈拉強度的76.9%，隨著短切玄武巖纖維不斷摻入，7 d與28 d齡期的立方體劈拉強度差值開始減小，7 d強度均到達28 d強度的85%以上。根據前面數據，一方面摻入的纖維延緩了混凝土立方體抗壓強度的增長，一方面摻入纖維對立方體劈拉強度而言并無太大的影響。

表3 立方體劈拉強度測試值

隨著玄武巖纖維摻量的增加，短切玄武巖纖維混凝土的立方體劈拉強度有一定程度的提高：以普通混凝土為研究基礎，當短切玄武巖纖維摻量為0.35%時，劈拉強度提高約23.1%。在加荷初期，纖維混凝土混合體剛度較大，變形相對較小，混凝土自身變形較小，因此混凝土承擔大部分拉應力，而玄武巖纖維所承擔的小部分拉應力也比較小。隨著荷載的增加，混合體總變形開始增大，總應變也不斷增加，此時，混凝土基體部分隨著變形增加承擔的拉應力也在增加，但是玄武巖纖維在這個過程中由于變形得更為充分，因而承載的拉應力增加很快，超過混凝土。顯然，短切玄武巖纖維的加入減緩了混凝土基體由于張拉作用導致裂紋產生的速度，隨著外力的不斷施加，內部出現細小微裂紋，此時玄武巖纖維開始承擔部分拉應力，促使應力進行重分布，這種拉接力使得裂紋處材料并未完全退出承載，進而繼續承擔一部分荷載，這樣使得裂紋擴展得到了較好的約束。

6 工程應用

湖南省寧道（寧遠縣—道縣）高速公路總路程約91 km，屬于廈成高速湖南省段的重要組成部分。全線以黏性土和碎石土為主，局部分段為裸露基巖。基于前文相關研究，考慮到經濟性，選用0.15%玄武巖纖維混凝土進行部分路段施工，后期對比觀測摻入纖維和未摻入纖維混凝土的特征：摻入纖維段混凝土路面開裂情況明顯優于未摻入纖維路段，摻入段僅有3處最長長度為6 m、最大寬度為1 mm的裂縫，裂縫在距離板切縫為3 m、1 m處，而未摻入段有8處最長長度為11m、最大寬度為2 mm的裂縫，且裂縫在距離板切縫約為0.5 m、1 m處。上述路面特征表明，玄武巖纖維混凝土對實際工程中減少裂縫的產生具有極其重要的意義。

7 結語

本文從理論和實際應用2個角度對玄武巖纖維混凝土進行了相關研究，得到如下結論：

1）從立方體抗壓強度角度分析，當短切玄武巖纖維摻量達到體積百分比的0.10%～0.15%時，短切玄武巖纖維混凝土的7 d和28 d的立方體抗壓強度較沒有摻加纖維的混凝土均有一定幅度的提高。

2）摻入短切玄武巖纖維的混凝土立方體劈拉強度均有一定程度的提高。

3）在實際玄武巖纖維混凝土路面工程中，短切玄武巖纖維的應用能夠明顯減少路面裂縫的產生。