玄武巖纖維混凝土抗彎特性與韌性研究

【中圖分類號】：TU528.58 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）04-75-06

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.04.017

Flexural Properties and Toughness Performance of Basalt Fiber Reinforced Concrete

YU Zhilong 12，ZHANG Tianfu1，XIA Junli 2，LI Jiawei 1*

（1.SchoolofCiilnEngOnUsitygao，a;igana Center，Lianyungang ，China）

【Abstract】：Toinvestigatethe variationand mechanismofflexural propertiesand toughness ofbasalt fberreinforcedconcrete，basalt fibers with lengths of12 mm，18 mm and 24 mm were incorporated into concrete at volume fractions of 0.1% 0.15% ， 0.2% ， 0.25% and 0.3% using volumetric addition method.The results showed that the 18 mm basalt fiber demonstrated the most significant improvement in the flexural strength of concrete，with enhancement proportional to the fiber content.The improvementof the12 mm fiber on the flexural strength is close to that of the 18 mm fiber.The24 mm fiber at 0.1% content has a minor effect on flexural strength.With theincrease of dosage，theenhancement offlexural strength exhibits fluctuating changes.The flexural stiffness of concrete materials increases with increasing fiberlength.The18mmfiberprovides the best overall enhancement in the flexural toughnessofconcrete.The initial flexural toughness index，Re，p，is proportional to the amount of basalt fiber content，showing amarked increase .The 12 mm fiber has a significant increase inthe improvement of the flexural toughness within the dosage range of 0.1% ～0.25%.However，the enhancement effect slowsdownat 0.3% content，whichisessentiallyequivalent tothatat 0.25% . Theflexural toughnessof 24mm fiber reinforced concrete shows a fluctuating change，with the enhancement effect showing intermittent decreases.The correlation between the increasing trendand the fiber content is noticeably influenced by the fiber length.The optimumimprovement in flexural toughness occurs at 0.25% ：

【Key words】： basalt fiber ；concrete ;flexural strength ；toughness performance

纖維混凝土是由普通混凝土改良后形成的復合材料，由于良好的阻裂、增韌效果，在工程材料領域日益受到重視。按纖維材質劃分，當前針對鋼纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維等材料研究較為深入[2-5]。近年來，工程領域開始重視對新型無機環保高性能纖維材料的應用，部分學者對具有強度高、耐磨、耐腐蝕等優異性能的玄武巖纖維展開了研究，廉杰等、鄧宗才等、張玉庭等對不同纖維摻量的玄武巖纖維混凝土力學性能進行了試驗，結果表明玄武巖纖維對混凝土的拉伸壓縮性能具有改善效果；宋玉劍對玄武巖纖維混凝土工作性能展開研究，結果表明玄武巖纖維可以改善混凝土流動性的同時增加了含氣量；李智睿等[對玄武巖纖維混凝土在凍融循環和持續荷載作用下的耦合效應進行了研究，結果表明玄武巖纖維很好的改善了混凝土的耐久性能。相較于其他纖維，針對于玄武巖纖維混凝土抗彎性能及其韌性研究成果尚顯不足，故本文通過試驗研究玄武巖纖維改善混凝王抗彎性能及韌性的影響規律，為玄武巖纖維在今后工程領域的應用提供相應的理論依據。

1材料與方法

1.1原材料

淮安楚州海螺水泥有限責任公司生產的P·042.5普通硅酸鹽水泥；普通I級粉煤灰；粗骨料為江蘇海通建設工程有限公司通仁分公司生產的連續級配碎石，表觀密度 2719kg/m³ ，堆積密度 1550kg/m³ ；細骨料為江蘇海通建設工程有限公司通仁分公司的天然河砂，中砂，細度模數2.6，表觀密度 2602kg/m³ ，堆積密度1440kg/m³ ；高性能復合聚羧酸減水劑，減水率為27% ；江蘇天龍玄武巖連續纖維股份有限公司生產的短切玄武巖纖維。見表1。

表1玄武巖纖維物理力學性能指標

續表1

1.2試件配合比

根據JGJ55—2011《普通混凝土配合比設計規程》，確定水膠比為0.41；以玄武巖纖維長度與摻量作為設計變量，采用體積外摻法，纖維長度12、18、24mm ，外摻纖維摻量為 2.7，4.05，5.，6.75，8.1kg/m³ 分別對應纖維體積率 0.1%，0.15%，0.2%，0.25% 、0.3% 。BF-0表示未摻玄武巖纖維的素混凝土試件，見表2。

表2基準配合比 kg/m³

試件為強度等級C40的 150mm×150mm×550mm 的標準棱柱體。

1.3試驗方法

根據GB/T50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》，采用SHT-4305微機控制電液伺服萬能試驗機通過三點加載法測定混凝土抗彎性能。試件強度等級為C40，立方體抗彎強度 30～60MPa ，確定施加荷載速度為 0.5～0.8MPa/s 。加載點位自左至右保持 50mm （支座點） +150mm （加載點） +150mm+150 mm （加載點） +50mm （支座點）不變。一組試件抗彎強度最大值和最小值與中間值之差均未超過中間值15% ，可記3個試件算數平均值為該組試件抗彎試驗結果測定值，試件經28d齡期標準養護后開展混凝土抗彎試驗。

2結果與討論

2.1抗彎試驗

試件整體表現為脆性破壞，自加載起始至破壞無明顯預兆，下緣斷裂位置均位于兩個集中荷載的作用線之間。見圖1。

圖1試件破壞特征

根據計算機數據采集器收集的儀器加荷過程中起始位移曲線，通過origin數據分析，確定峰值荷載對應標準抗彎試塊撓度。見表3和圖2。

表3抗彎強度測試結果

圖2玄武巖纖維對混凝土抗彎強度影響

2.1.1纖維摻量對混凝土抗彎強度的影響

采用 12，18mm 纖維時，混凝土抗彎強度與纖維摻量呈正比，即 0.1% 摻量時 12，18mm 玄武巖纖維混凝土抗彎強度增益最小，分別為 4.98AA.5.07MPa ，相較于基準混凝土抗彎強度提升 10.7%.12.77%;0.3% 摻量的玄武巖纖維時混凝土抗彎強度增益最大，12、18mm 纖維對應的增益強度分別達到 5.67，5.82MPa ，相較于基準混凝土抗彎強度提升 25.93%.29.33% ;摻加24mm 纖維混凝土的抗彎強度在摻量為 0.25% 時達到峰值，為 5.57MPa ，相較基準混凝土提高 23.88% ，纖維摻量增至 0.3% ，增益效果回落，抗彎強度回落至5.51MPa 。總體上玄武巖纖維的摻人可以在一定程度上提高混凝土的密實度，減少結構內部裂隙的生成與發展，增加混凝土抗彎強度。

2.1.2纖維長度對混凝土抗彎強度的影響

不同纖維尺寸對于混凝土抗彎強度的增益效果存在一定差異。不同摻量的 18mm 纖維對混凝土抗彎強度增益影響最明顯， 0.3% 摻量的 18mm 纖維對混凝土抗彎強度的增益最大，為 5.82MPa 。 12mm 纖維對混凝土的增益效果整體上略低于 18mm 纖維，不同摻量下 12mm 纖維對混凝土抗彎強度增益趨勢近似于 18mm 纖維，表明 12，18mm 纖維在混凝土三維空間體系中均可以有效提高混凝土內部薄弱黏結界面的黏結能力，提高混凝土抗彎強度，該尺寸范圍內，纖維長度的增加對混凝土抗彎強度的增益效果并不明顯；隨著纖維摻量的增加，兩種混凝土抗彎強度增益趨勢無明顯波動，趨勢平穩，纖維與混凝土共同攪拌成模過程中，纖維摻量的增加沒有對混凝土內部空間纖維單絲分布的均勻性造成負面影響，玄武巖纖維在混凝土結構內部可以保持一種較為理想的分布狀態，能夠隨著纖維摻量的增加，保證存在持續增量的纖維有效橋接填充混凝土內部裂隙結構。

摻加 24mm 纖維混凝土的抗彎強度增益趨勢與12，18mm 纖維差異明顯，纖維與混凝土攪拌成模過程中，過長纖維尺寸對混凝土內部空間分布率存在負面影響，纖維過長在混凝土空間內部易混摻聚團，無法穩定均勻地橋接混凝土內部空間裂隙，從而影響24mm 纖維對混凝土抗彎強度增益效果的整體穩定性。

2.2彎曲韌性分析

玄武巖纖維對混凝土性能的增益效果與材料的受荷階段存在一定關系，理論上纖維材料在混凝土峰值荷載前主要改善混凝土的峰值彎曲強度、峰值位移和韌性，對峰值荷載后的改善主要表現在提高混凝土的殘余彎曲強度與持荷能力。本次試驗試件呈脆性破壞，故結合CECS13：2009《纖維混凝土試驗方法標準》及CECS38：2004《纖維混凝土結構技術規程》對玄武巖纖維混凝土受荷至峰值荷載時該階段的彎曲韌性進行分析。

根據理論計算要求及彎曲韌性相關性研究，基于初始彎曲韌度比 R_e，p 來表征玄武巖纖維混凝土達到峰值荷載撓度前的彎曲韌性。該方法可以確定初裂點及荷載-撓度曲線斜率變化的影響，適用于玄武巖纖維體積率較小的情形，可以更真實地反應玄武巖纖維混凝土的彎曲韌性水平。從物理角度講， .R_e，p 越大，玄武巖纖維對混凝土的彎曲韌性增強效果越顯著。

R_e，p=f_e，p/f_?m

式中 ：f_?m 為玄武巖纖維混凝土彎曲強度， MPa;f_e，p 為玄武巖纖維混凝土等效初始彎曲強度， MPa 。

式中： 為韌度，即峰值撓度 δ_p 前荷載-撓度曲線下的面積， kN?mm;δ_p 為峰值荷載撓度， mm;L 為支座間跨度。 Mm;b，h 分別為試件截面平均寬度、斷裂截面平均高度， mm 。

結合試驗數據，計算出各組試件的 ，見表4。

表4韌度、等效初始彎曲強度、初始彎曲韌度比計算結果

2.2.1纖維對混凝土抗彎剛度的影響

收集試驗機傳感器自加載至峰值荷載階段的荷載-撓度曲線，從材料角度出發，試件荷載-撓度曲線的斜率變化一定程度上反映了材料的抗彎剛度變化趨勢。見圖3。

a） 12mm 纖維長度

圖3玄武巖纖維對混凝土荷載-撓度影響趨勢

試件加載至峰值荷載階段，玄武巖纖維混凝土荷載-撓度曲線斜率整體隨著纖維尺寸的增加呈現逐漸上升趨勢，表4中 12、18、24mm 纖維峰值荷載-撓度均值分別為 2.24，2.14，1.99mm ，混凝土峰值荷載下的變形能力減小，表明混凝土材料的抗彎剛度隨著纖維尺寸的增加而上升。

12mm 纖維混凝土 0.25% 摻量下抗彎剛度始終保持較高的水平； 0.2%.0.3% 摻量下纖維混凝土在荷載撓度加載至約 1.5mm 階段內抗彎剛度較高，隨著加載至峰值荷載階段逐漸低于基準混凝土，保持適中水平；0.1%.0.15% 摻量纖維混凝土盒荷載-撓度曲線發展趨勢相近，整體加載階段保持較低水平的抗彎剛度。18mm 纖維混凝土抗彎剛度在 0.1% 、 0.2% 摻量下變化趨勢相近，整體保持較高剛度； 0.15%.0.3% 纖維摻量下混凝土荷載撓度加載至約 1.7mm 階段內抗彎剛度較高，兩者曲線發展趨勢接近，加載至峰值荷載階段逐漸低于基準混凝土，保持適中水平； 0.25% 纖維材料混凝土在荷載撓度加載至約 1.5mm 階段內抗彎剛度較高，隨著加載至峰值荷載階段逐漸低于基準混凝土，相較于同尺寸其他纖維摻量， 0.25% 摻量下玄武巖纖維混凝土抗彎剛度降幅更明顯。 24mm 纖維混凝土在 0.2% 摻量下抗彎剛度自加載至峰值荷載階段整體明顯高于同尺寸其他纖維摻量； 0.1%.0.25%.0.3 整體趨勢接近，相較于基準混凝土保持較高水平； 0.15% 纖維混凝土材料加載至 1.5mm 階段時抗彎剛度高于基準混凝土材料，隨著加載至峰值荷載階段逐漸趨近于基準混凝土，保持適中水平。

2.2.2纖維對混凝土彎曲韌性的影響

影響混凝土結構韌性的參數包括但不限于抗彎強度、抗彎剛度、峰值荷載撓度；還需進一步考慮荷載-撓度曲線積分面積，即韌度，表征混凝土受荷變形時材料吸收能力的指標；此外還需考慮混凝土結構的尺寸等因素。在多方面物理參數耦合的基礎上，本文最終以CECS13：2009《纖維混凝土試驗方法標準》中初始彎曲韌度比的相關理論來分析彎曲韌性。見圖4。

圖4玄武巖纖維對混凝土彎曲韌性影響趨勢

1）纖維長度對混凝土彎曲韌性的影響。各纖維長度下混凝土彎曲韌性均有一定提高，其中 18mm 纖維混凝土初始彎曲韌度比值最高， 24mm 纖維混凝土初始彎曲韌度比值次之。混凝土材料受荷階段內部孔隙逐漸發展，當混凝土內部裂隙擴大至纖維發揮橋接作用時，纖維過短不易保證與混凝土材料有充分的黏結性，受力時易被拔出，無法充分發揮玄武巖纖維在混凝土內部的韌性改善能力；纖維長度為 18mm 時，玄武巖纖維一定程度上在混凝土內部可以保證足夠的黏結性能，充分發揮橋接功能，從而提高混凝土材料的彎曲韌性;纖維長度增長至 24mm 混凝土 R_e，p 稍有回落，分析認為，部分纖維作為有效纖維與混凝土材料充分黏結，還存在一部分纖維由于過長，在混凝土攪拌及成模階段聚團，無法發揮玄武巖纖維單絲在混凝土內部的橋接作用。

2）纖維摻量對混凝土彎曲韌性的影響。 18mm 纖維混凝土 R_e，p 與玄武巖纖維摻量呈正比，近線性增長，當摻量為 0.3% 時，玄武巖纖維混凝土彎曲韌性較基準混凝土增幅最大，為 18.49% 。當摻人 12mm 纖維時，混凝土 R_e，p 與玄武巖纖維摻量呈正比，摻量為 0.3% 時，玄武巖纖維混凝土彎曲韌性較基準混凝土增幅最大，為 10.64% ;摻量由 0.25% 增至 0.3% 時， R_e，p 增幅并不明顯，表明摻人 12mm 短纖維時， 0.3% 摻量對混凝土彎曲韌性改善較之于 0.25% 摻量不明顯，可見纖維摻量過多并不能更有效提高混凝土材料的彎曲韌性。當摻入 24mm 纖維時，混凝土 R_e，p 波動變化，趨勢并不穩定，摻量由 0.15% 增至 0.2% 時， R_e，p 降低；摻量由0.2% 增至 0.25% 時， R_e，p 增幅最大為 15.41% ；摻量增至0.3% 時， R_e，p 再次回落，由于 24mm 纖維較長，集料干拌打散不均勻、局部聚絨，完全解決該問題存在一定局限，隨著進一步拌和成模，混凝土拌和物中部分纖維聚團物，因此無法保證彎曲韌性隨著纖維摻量的變化而穩定變化。

3結論

1） 18mm 長度玄武巖纖維對混凝土抗彎強度增益效果最明顯，增益效果與纖維摻量呈正比，增長趨勢穩定； 12mm 長度纖維對混凝土抗彎強度增益趨勢與18mm 相近； 24mm 長度纖維對混凝土抗彎強度增益發展趨勢存在波動性，纖維摻量 0.25% 時增幅最大。

2）混凝土材料的抗彎剛度隨著纖維長度的增加而增大。

3） 18mm 纖維對混凝土彎曲韌性整體提升效果最佳，混凝土 R_e，p 與玄武巖纖維摻量呈正比； 0.1% ～0.25% 摻量范圍內， 12mm 纖維對混凝土彎曲韌性增益效果與纖維摻量呈正比，增幅明顯，纖維摻量由0.25% 過渡到 0.3% 時，混凝土彎曲韌性并沒有隨纖維摻量的增加表現出明顯的變化，表明短纖維摻量過多并不能更有效提升混凝土材料的彎曲韌性； 24mm 纖維混凝土彎曲韌性呈波動變化，纖維摻量在 0.15%～ 0.2%.0.25%～0.3% 過渡階段相較其他摻量均有所回落，摻量 0.25% 時對混凝土彎曲韌性增益效果最佳。

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收稿日期：2024-07-14 作者簡介：于志龍（1974—），男，碩士，黑龍江哈爾濱人，高級工程師，從事建筑材料研究工作。 通信作者：李家偉（1975—），男，碩士，江蘇人，研究員級高級工程師，研究方向為道路、橋梁工程。