玄武巖纖維混凝土優化設計及力學特性研究

何 龍

(新疆額爾齊斯河投資開發(集團)有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

加纖混凝土為一種較新型的水泥基復合材料，它具有較佳的抗彎拉、抗阻裂限縮、抗沖擊性能，在防滲、耐凍能力等方面也表現突出，適用于多種工程環境。玄武巖纖維(Basalt Fiber 簡稱BF)以玄武巖為原料，經高溫熔融后快速拉制而成的連續纖維，具有耐高溫、耐低溫、阻燃等卓越的綜合物理性能，此外其相容性好，熱穩定性、抗老化性優異，拉伸強度高于大絲束碳纖維[1-4]。

V. Ramakrishnan等[5]表明玄武巖纖維體積率在混凝土中高達0.5%的情況下，混凝土仍保有不錯的性能。董國義等研究發現，玄武巖纖維對混凝土抗壓性能的提升起到了顯著的效果，較普通混凝土而言抗壓強度提高了12.2%～14.8%[6]。廉杰等[7]發現在混凝土中摻入較短的玄武巖纖維時，混凝土可較早獲得較高的強度。王興舟等[8]表明玄武巖纖維混凝土較普通混凝土軸心抗壓強度高。李韌等[9]通過實驗結果發現，在混凝土中加入短切玄武巖纖維后，其抗折強度及劈裂抗拉強度均受到明顯影響，隨著短切玄武巖纖維體力摻量的增大，其劈裂抗拉強度會先下降后提升。玄武巖纖維作為工程常用的集中纖維材料，摻入到普通水泥混凝土中形成新型的纖維混凝土，其綜合性能優于普通水泥混凝土[10-15]，但現在關于玄武巖纖維體積混凝土優化設計及力學特性研究有待進一步研究，因而展開了不同玄武巖纖維體積摻量的改性混凝土的力學變形的試驗研究。

本文以摻加體積率為0.00%，0.05%，0.10%，0.20%，0.30%，0.40%以及0.50%的玄武巖纖維配置出的玄武巖纖維改性混凝土為研究對象，研究玄武巖纖維摻加體積率對玄武巖纖維改性混凝土物理性質及力學性能的影響，并在此基礎上找出玄武巖纖維的最佳摻量，為實際工程應用提供數據參考。

1 試驗材料與方法

1.1 配合比設計

基于混凝土配合比規范，在C40混凝土的基礎上分別加入體積率為0.00%，0.05%，0.10%，0.20%，0.30%，0.40%，0.50%的玄武巖纖維，并分別記為BF0.00，BF0.05，BF0.10，BF0.20，BF0.30，BF0.40，BF0.50，獲得各體積率玄武巖纖維改性混凝土的配合比。其中，加入體積率為0.00%玄武巖纖維的混凝土為對照組，即普通混凝土。各體積率玄武巖纖維改性混凝土具體配合比見表1。

表1 混凝土配比表

1.2 試件制備

玄武巖纖維一般為簇狀，需將其打散才能用于改性混凝土制作，因而首先將其加入到稱量好的細骨料之中，讓玄武巖纖維與細骨料攪拌均勻，然后再通過手的揉搓及振搗棒的振動，借助細骨料的摩檫力，使玄武巖纖維充分離散，均勻分布在細骨料中，而后分別加入稱量好的粗骨料、水泥、水等，攪拌均勻。

選用直徑50 mm完整模具，清理內壁并刷上一層油，以便后面脫模；將混合均勻玄武巖纖維、細骨料、粗骨料、水及減水劑分次導入模具，并使用振搗棒充分振動以便試件裝填密實；待各試件放置陰涼處養護28 d后進行切割打磨。

1.3 試驗種類及數量

分別選取玄武巖纖維摻量為0.00%，0.05%，0.10%，0.20%，0.30%，0.40%，0.50%各7種改性混凝土試件，每種玄武巖纖維摻量的改性混凝土試件5個。本次試驗共需試件70個，用于單軸抗拉試驗、劈裂抗拉試驗的試件各35個，其中，單軸抗拉試件為直徑50 mm、高100 mm的圓柱體，劈裂抗拉試件為直徑50 mm、高50 mm的圓柱體。

2 物理及力學測試結果

2.1 試件物理性質

首先對自然狀態下各體積率玄武巖纖維改性混凝土試件的密度、比重、含水率及縱波波速進行測試，其物理參數如表2所示。

表2 試件基本物理參數

試件密度隨混凝土中玄武巖纖維摻量的增加而減小，分析原因為：在試件的制作時，由于工藝不佳，使得玄武巖纖維在混凝土中分布不均勻，很容易結團，最終導致混凝土內部孔隙率增大，并且隨著玄武巖纖維摻量的增多，結團現象愈發明顯，但其減小數值很小，其最大變化量不超過試件最小密度數值的3%，且試件的波速基本未受到玄武巖纖維的影響。

2.2 試件力學性質

2.2.1 單軸抗壓試驗

摻入體積率為0.05%，0.10%，0.20%，0.30%，0.40%，0.50%的玄武巖纖維，這些用玄武巖纖維改性過的玄武巖纖維改性混凝土的抗壓強度分別為52.97 MPa，55.82 MPa，54.70 MPa，50.62 MPa，44.03 MPa，44.97 MPa，與普通混凝土抗壓強度42.30 MPa相比，玄武巖纖維改性混凝土抗壓強度均有所提高，其分別提高了25.22%，31.96%，29.31%，19.67%，4.09%，6.31%。

普通混凝土極限狀態下的應變為3.40×10-3，在普通混凝土的基礎上，分別摻入體積率為0.05%，0.10%，0.20%，0.30%，0.40%，0.50%的玄武巖纖維，這些用玄武巖纖維改性過的玄武巖纖維改性混凝土極限狀態下的應變分別為3.94×10-3，4.34×10-3，4.64×10-3，4.28×10-3，3.88×10-3，3.90×10-3，與普通混凝土相比，其極限狀態下的應變均有所增加，分別增加了15.88%，27.65%，36.47%，25.88%，14.12%，14.71%(見表3)。

普通混凝土與摻入玄武巖纖維的玄武巖纖維改性混凝土的破環形態均為剪切破壞，但普通混凝土的裂縫發展較快，破壞在一瞬間完成，而且破碎程度較高，甚至試件的許多碎塊無法收集，其破壞形態具體如圖1所示。相比而言，玄武巖纖維混凝土由于試件內部纖維的拉力，使裂縫的發展速度減慢，可以觀察到其裂縫的逐漸擴張，破碎程度較高，但試件被破壞后較為完整，且隨著玄武巖纖維體積率的增大，當體積率達到0.4%和0.5%時，試件被破壞后完整度降低，試件碎為多個較小的混凝土塊，不過其破裂程度仍比普通混凝土低。具體如圖1所示。

表3 不同試件應變及抗壓強度

可見，當玄武巖纖維體積率為0.10%和0.20%時效果較好，其中，體積率為0.10%時，試件的抗壓強度取得最大值，當體積率為0.20%時，試件極限狀態下的應變取得最大值，但由于體積率為0.10%和0.20%時的試件抗壓強度變化值很小，所以整體來說，當玄武巖纖維體積率為0.20%時為最佳。

2.2.2 劈裂抗拉試驗

普通混凝土的抗拉強度為2.87 MPa，在普通混凝土的基礎上，分別摻入體積率為0.05%，0.10%，0.20%，0.30%，0.40%，0.50%的玄武巖纖維，這些用玄武巖纖維改性過的玄武巖纖維改性混凝土的抗拉強度分別為3.02 MPa，3.32 MPa，3.57 MPa，3.60 MPa，3.65 MPa，3.77 MPa，與普通混凝土相比，這些經過玄武巖纖維改性過的玄武巖纖維改性混凝土抗拉強度均有所提高，其分別提高了5.23%，15.68%，24.39%，25.44%，27.18%，31.36%(見表4)。

表4 試件抗拉強度

普通混凝土與玄武巖纖維混凝土均沿著中線位置發生劈裂，試件均出現一條未貫穿的主裂縫。在試驗過程中，試件在劈裂抗拉試驗過程中劈裂的速度存在顯著差異，普通混凝土在加載初期不出現明顯變形，持續加載至極限抗拉強度時，伴隨著脆響試件瞬時出現裂縫，且該裂縫迅速發展直至試件破壞。而玄武巖纖維混凝土在劈裂抗拉試驗過程中，伴隨著持續加載，試件沿著中心線位置出現微小的裂縫，伴隨著脆響試件的裂縫迅速發展直至試件被破壞。相較于普通混凝土而言，玄武巖纖維混凝土試件破壞時間較長，其開裂過程可被觀察記錄，且在加載至其極限荷載時，試件可較長時間保持自身強度，試件持續變形，最后發生破壞。

普通混凝土在加載至其極限荷載的瞬間發生劈裂破壞，玄武巖纖維體積率為0.20%的改性混凝土則在達到其極限荷載后堅持了較短時間，又產生了一定的變形后才發生了破壞，玄武巖纖維體積率為0.50%的改性混凝土在達到其極限荷載后堅持的時間更長且又產生了較大的變形后，試件才被徹底破壞。試件的具體破壞形態如圖2所示。

3 玄武巖纖維混凝土破壞機理

3.1 抗壓破壞機理

玄武巖纖維較為細小，抗拉強度較高，摻入混凝土中彌補了混凝土中的空隙，增強了其黏結性，且在混凝土中均勻分布的玄武巖纖維會形成網絡構造系統，在試件中起到“筋骨”的作用，使混凝土各材料之間聯系更為緊密，從而提高混凝土整體結構性能。

當進行單軸壓縮試驗時，在初始階段，玄武巖纖維混凝土并不會出現明顯的橫向變形，此刻玄武巖纖維網絡系統不會完全發揮作用；當持續加載過程中，試件在縱向發生變形的同時，其橫向也會持續膨脹變形，并產生許多微小裂縫，這些微小裂縫隨著加載而不斷擴大，試件最終發生破壞。在受壓破壞過程中，混凝土試件內的玄武巖纖維在一定程度上抵抗試件橫向的膨脹變形，玄武巖纖維抗拉強度較高，當試件發生橫向的膨脹變形時，玄武巖纖維的抗拉能力起到了約束試件橫向變形的作用，在一定程度上限制微小裂縫的發展，從而使混凝土試件的抗壓強度提高。

如圖3所示，摻入不同摻量的玄武巖纖維，對混凝土抗壓強度、應變均有所提升，但玄武巖纖維的摻量并非越多越好。由圖3還可以看出，隨著玄武巖纖維體積率的增加，混凝土試件的抗壓強度的提高程度呈現出先增加后下降的趨勢。玄武巖纖維體積率從0.05%到0.10%過程，玄武巖纖維混凝土的抗壓強度不斷增加；玄武巖纖維在體積率為0.10%時，其抗壓強度取得最高值，此時玄武巖纖維對混凝土抗壓強度的提高達到了31.96%；之后，玄武巖纖維體積率在0.20%時，試件的抗壓強度出現輕微的下降；當試件中的玄武巖纖維體積率從0.20%到0.40%時，其抗壓強度不斷減小，且減小速率不斷增大；最后，體積率從0.40%到0.50%抗拉強度基本保持不變。

由圖3還可以看出，隨著玄武巖纖維體積率的增加，混凝土試件極限狀態下的應變也呈現出先增加后下降的趨勢，體積率從0.05%到0.20%時，玄武巖纖維混凝土極限狀態下的應變不斷增加，在體積率為0.20%時達到 了試件極限狀態下應變的最大值，這時試件極限狀態下的應變較普通混凝土增加了36.47%；當玄武巖纖維體積率從0.20%到0.40%，試件極限狀態下的應變不斷減小；當玄武巖纖維體積率0.40%到0.50%，應變基本保持不變，這時試件極限狀態下的應變較普通混凝土僅增加了14%左右。在制作試件時，玄武巖纖維在混凝土中可能存在分布不均勻的問題，容易結團，最終導致混凝土內部孔隙率增大，并且隨著玄武巖纖維摻量的增多，結團現象愈發明顯。故加載力時裂縫就會沿空隙發展，使試件更容易被破壞，從而導致抗壓強度回降。

3.2 抗拉破壞機理

分析得出，玄武巖纖維比較細小，且抗拉強度較高，摻入混凝土中，增強了其黏結性，而且均勻分布的玄武巖纖維，在混凝土中會形成類似于網絡系統的構造，在材料中起到“筋骨”的作用，使混凝土各材料之間聯系的更為緊密，從而提高混凝土試件的整體結構性能，限制微小裂縫的發展。在進行試件的劈裂抗拉時，玄武巖纖維也會承受一部分拉應力，直到被拉斷，玄武巖纖維較強的抗拉強度使得試件的劈裂抗拉強度也不斷增加，并且玄武巖纖維摻量越多，阻裂效果就越明顯，承受拉應力的玄武巖纖維不斷變多，使混凝土的劈裂抗拉強度不斷提高。

4 結論

為了獲得試件單軸抗壓強度和劈裂抗拉強度隨玄武巖纖維體積摻量的變化規律，以不同玄武巖纖維體積摻量的玄武巖纖維混凝土為研究對象，對其力學性能、破壞形態進行試驗研究，得出以下結論：

1)試件密度隨混凝土中玄武巖纖維摻量的增加而減小。

2)隨著玄武巖纖維摻量的增加，玄武巖纖維混凝土試件的抗壓強度呈現出先增加后降低的趨勢，其中，在0.10%纖維摻量體積率時其抗壓強度取得最大值，玄武巖纖維混凝土較普通混凝土抗壓強度提高達31.96%。在試件的制作時，玄武巖纖維在混凝土中分布不均勻，易結團，導致混凝土內部孔隙率增大，且隨著玄武巖纖維摻量的增多，結團現象愈發明顯，故加載力時裂縫就會沿微孔隙發展，試件更易破壞，抗壓強度下降。

3)隨著玄武巖纖維摻量的增加，混凝土試件隨著玄武巖纖維摻量的增加其抗拉強度均有所提高，其最大提升了31.36%。玄武巖纖維比較細小，且抗拉強度較高，玄武巖纖維的加入，在進行試件的劈裂抗拉時，玄武巖纖維較強的抗拉強度使得試件的劈裂抗拉強度也不斷增加。