玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

劉泮森，魏書華，李秉千

（1．河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2．河北省高速公路管理局，河北石家莊050031）

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玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

劉泮森1，魏書華1，李秉千2

（1．河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2．河北省高速公路管理局，河北石家莊050031）

摘 要：為提高混凝土的抗彎拉性、抗沖擊性和耐磨性，在混凝土中添加玄武巖纖維，制成玄武巖纖維混凝土。對(duì)不同水灰比、不同玄武巖纖維含量的10種常用配合比混凝土，開展了水泥混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)、斷裂能試驗(yàn)和耐磨性試驗(yàn)，研究了玄武巖纖維含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、斷裂能和耐磨性的影響。結(jié)果表明：添加2～4kg／m3的玄武巖纖維，混凝土的抗彎強(qiáng)度增加4％～13％，斷裂能增加23％～138％，磨耗值降低2％～18％，混凝土抗壓強(qiáng)度下降4％～18％。

關(guān)鍵詞：建筑材料其他學(xué)科；玄武巖纖維；耐磨性；強(qiáng)度；斷裂能；孔隙率

E－mail：wudijianxia2004＠163．com

劉泮森，魏書華，李秉千．玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］．河北工業(yè)科技，2016，33（2）：126－131．

LIU Pansen，WEI Shuhua，LI Bingqian．Experimental investigation of mechanical properties of basalt fiber reinforced concrete［J］．Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2016，33（2）：126－131．

在混凝土中增加石棉、纖維素、鋼鐵、聚丙烯等纖維制品，可以改善混凝土的力學(xué)特性，提高混凝土拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和韌性，控制開裂和破壞的模式，提高耐久性［1－3］。

纖維的使用可大大增加水泥基材料的韌性和能量吸收能力［4－10］。加入鋼纖維和聚丙烯纖維之后混凝土由脆性材料轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓮澢g性塑性材料［11－13］。然而它們的抗壓和抗彎強(qiáng)度并沒有顯著提高。鋼纖維的不同長(zhǎng)度和縱橫比對(duì)混凝土的韌性產(chǎn)生影響，對(duì)于給定的長(zhǎng)寬比，彎曲韌性隨著纖維體積百分率的增加而增加。對(duì)于給定的體積百分率，隨著縱橫比的增加混凝土的彎曲韌性也增加［8－9］。

玄武巖是火成巖，在強(qiáng)度、耐溫、耐久性方面表現(xiàn)良好。玄武巖纖維是玄武巖巖石熔化過程中得到的，比無堿玻璃纖維有更大的抗拉強(qiáng)度，比碳纖維有更大的破壞應(yīng)變，對(duì)化學(xué)腐蝕、沖擊載荷有良好的抵抗能力，耐火性良好，且較為環(huán)保［10］，可替代鋼纖維、玻璃纖維和碳纖維［4－5］。但目前對(duì)于玄武巖纖維混凝土力學(xué)特性的研究尚不夠深入。

本文對(duì)10種水灰比不同、玄武巖纖維含量不同常用配合比的混凝土開展了抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、斷裂能和耐磨性試驗(yàn)，旨在評(píng)價(jià)摻入含量（2kg／m3，4 kg／m3）和長(zhǎng)度（12，24mm）的玄武巖纖維后，水灰比分別為0．60和0．45的混凝土新拌和硬化后的性能。通過耐磨性、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和斷裂能等各項(xiàng)試驗(yàn)來評(píng)價(jià)玄武巖纖維對(duì)混凝土的影響。

1 試驗(yàn)研究

1．1 原材料和混凝土配方

本研究使用的材料包括石灰石粗骨料（表觀密度為2 715kg／m3）、天然河砂（表觀密度為2 575 kg／m3）、石灰石機(jī)制砂（表觀密度為2 650kg／m3）、水泥、化學(xué)外加劑和玄武巖纖維。粗骨料、天然河砂和石灰石機(jī)制砂的最大粒徑分別是16，2．36，4．75mm。

本研究采用的水泥是42．5R硅酸鹽水泥，其技術(shù)指標(biāo)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。使用了不同含量的減水劑，保證混凝土的坍落度在（13±3）cm的范圍內(nèi)。

玄武巖纖維的密度為2．85g／cm3，長(zhǎng)度為12，24mm，研究中使用不同的含量。玄武巖纖維的物理和力學(xué)性能如表1所示。

表1　玄武巖纖維的特性Tab．1 Characteristics of basalt fiber

共制備10種拌合物，水泥含量均為350kg／m3，水灰比為0．45，0．60，每種配合比下纖維含量為2kg／m3，4kg／m3，長(zhǎng)度為12，24mm。按照常見的中、重型交通等級(jí)混凝土4．5～5．0 MPa彎拉強(qiáng)度等級(jí)的要求，確定混凝土的水泥含量和水灰比，玄武巖纖維摻量的選取參照常用范圍。H45，H60代表無纖維混凝土和水灰比分別為0．45，0．60。其他拌合物編碼形式為XHxx／yy／z，“XH”代表玄武巖纖維混凝土，“xx”、“yy”和“z”代表纖維長(zhǎng)度、水灰比和纖維含量?；炷涟韬衔锏呐浜媳燃昂鸵仔匀绫?所示。

表2　混凝土拌合物的配合比及和易性Tab．2 Mix proportions and workability of concrete mixtures

1．2 試件制備和試驗(yàn)過程

為了確定玄武巖纖維對(duì)混凝土各項(xiàng)性能的影響，制備了各種試件進(jìn)行測(cè)試。為測(cè)定混凝土的抗壓強(qiáng)度，制作邊長(zhǎng)為150mm的立方體試件，每個(gè)配合比測(cè)試3個(gè)試件，試驗(yàn)采用2 000kN壓力試驗(yàn)機(jī)。為測(cè)定混凝土的耐磨性，制作邊長(zhǎng)為150mm的立方體試件，每個(gè)配合比測(cè)試3個(gè)試件，試驗(yàn)采用混凝土磨耗試驗(yàn)機(jī)。為測(cè)試混凝土抗彎強(qiáng)度，制作尺寸為100mm×100mm×400mm的梁，每個(gè)配合比測(cè)試2個(gè)試件，試驗(yàn)采用1 000kN萬能試驗(yàn)機(jī)。為測(cè)試斷裂能，制作尺寸為100mm×100mm× 400mm的切口梁，切口深度為30 mm，厚度為3 mm，3點(diǎn)加載，每個(gè)配合比測(cè)試2個(gè)試件，試驗(yàn)采用1 000kN萬能試驗(yàn)機(jī)。所有試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d。針對(duì)混凝土的密度、吸水率和孔隙率等物理性質(zhì)，每個(gè)配合比測(cè)試2個(gè)試件［14－16］。

耐磨性計(jì)算公式為

式中：Gc為單位面積的磨損量，kg／m3；m1為試件的初始質(zhì)量，kg；m2為試件磨損后的質(zhì)量，kg；0．012 5為試件磨損面積，m2。

切口梁試件在測(cè)試前1天用金剛石鋸鋸出缺口。設(shè)置位移傳感器測(cè)量試件缺口附近的撓度。試驗(yàn)機(jī)以0．1mm／min的速度施加荷載。載荷和撓度值連續(xù)記錄，持續(xù)收集數(shù)據(jù)，直到荷載降低到大約100N。得到了每個(gè)試件荷載與撓度曲線。斷裂能計(jì)算公式為

式中：GF為斷裂能；W0為載荷變形曲線下的面積；m為質(zhì)量；δ為最大變形；b為厚度；d為高度；a為試件的切口深度；g為重力加速度［17］。

2 結(jié)果分析與討論

2．1 抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度

水灰比為0．45的混凝土抗壓強(qiáng)度在58．5～70．2MPa之間，配合比編號(hào)為H45的混凝土具有最高抗壓強(qiáng)度。水灰比為0．60的混凝土抗壓強(qiáng)度在46．5～49．6MPa之間，配合比編號(hào)為H60的混凝土具有最高抗壓強(qiáng)度。玄武巖纖維的添加導(dǎo)致水灰比為0．45的混凝土抗壓強(qiáng)度下降10％～18％，水灰比為0．60的混凝土下降4％～9％，見圖1。對(duì)強(qiáng)度大于或接近60 MPa的混凝土來說，添加纖維會(huì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度有更大的下降。與纖維長(zhǎng)度為12 mm的混凝土相比，玄武巖纖維長(zhǎng)度為24mm的混凝土抗壓強(qiáng)度有很小的提高，仍然低于沒摻加纖維的混凝土，見圖1。其原因可能是玄武巖纖維在混凝土中形成纖維網(wǎng)絡(luò)，由于纖維自身在受壓情況下容易變形，故其混凝土的抗壓強(qiáng)度不高［18］。

圖1　抗壓強(qiáng)度與纖維含量的關(guān)系Fig．1 Compressive strength versus content of fiber

另一方面，添加纖維導(dǎo)致了抗彎強(qiáng)度的提高，見圖2。對(duì)水灰比為0．45的混凝土來說，和配合比編號(hào)為H45的相比較抗彎強(qiáng)度提高了4％～9％，最高值來自XH12／45／4配合比編號(hào)。對(duì)水灰比為0．60的混凝土來說，和配合比編號(hào)為H60的相比較抗彎強(qiáng)度提高6％～13％，最高值來自XH24／60／4配合比編號(hào)。纖維長(zhǎng)度增加對(duì)混凝土抗彎強(qiáng)度的影響不太顯著。水灰比為0．60的配合比XH24／60／2和XH12／60／2比較，XH24／60／4和XH12／60／4比較，抗彎強(qiáng)度僅增加了2％和3％。XH24／45／2和XH12／45／2相比抗彎強(qiáng)度提高得最多，為5％。然而，XH24／45／4和XH12／45／4相比抗彎強(qiáng)度卻下降了1％?？赡苁怯捎诨炷撂砑恿讼鄬?duì)多量的纖維，破壞了混凝土中纖維的分散體系，導(dǎo)致了抗彎強(qiáng)度的輕微下降。雖然如此，玄武巖纖維在一定程度上能有效控制混凝土內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，能有效提高混凝土的抗裂性能，故其混凝土的抗彎強(qiáng)度有所提高［19］。

圖2　抗彎強(qiáng)度與纖維含量的關(guān)系Fig．2 Compressive strength versus content of fiber

2．2 斷裂能

荷載－跨中撓度曲線見圖3、圖4?？梢钥闯?，纖維的添加明顯提高了混凝土斷裂能和最大撓度——添加了纖維的混凝土比沒有添加纖維的混凝土H45，H60增加了斷裂能和最大撓度值。有一個(gè)例外，XH24／45／2比XH12／45／2斷裂能下降了3％。水灰比為0．45的混凝土斷裂能增加了50％～113％，水灰比為0．60的混凝土斷裂能增加了23％ ～138％，可見水灰比大的混凝土斷裂能增加值稍高。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著玄武巖纖維的增加，極限荷載、最大撓度和斷裂能都有所增加。XH12／45／4混凝土擁有最大的抗彎強(qiáng)度，XH24／60／4擁有最大的撓度。圖3、圖4顯示，隨著玄武巖纖維的加入，荷載撓度曲線上升部分的斜率有下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)樾鋷r纖維使混凝土剛度下降。荷載撓度曲線峰值后區(qū)域沒有顯示出應(yīng)變硬化特性，可能是因?yàn)樵谘芯恐惺褂玫男鋷r纖維含量較低。雖然使用玄武巖纖維含量比較低，但是也看出了它對(duì)提高混凝土的斷裂能有顯著影響，見圖5。

圖3　水灰比為0．45時(shí)的荷載－撓度曲線圖Fig．3 Load－displacement curve of concrete with 0．45w／c ratio

圖4　水灰比為0．60時(shí)的荷載－撓度曲線圖Fig．4 Load－displacement curve of concrete with 0．60w／c ratio

圖5　斷裂能與纖維含量關(guān)系Fig．5 Fracture energy versus content of fiber

玄武巖纖維分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其與水泥基體界面黏結(jié)得較為緊密，纖維表面黏附著較多的水泥水化產(chǎn)物，摩擦力較大，在水泥基體承受拉應(yīng)力的時(shí)候可依靠水泥基體微小變形產(chǎn)生的纖維－水泥石過渡面的摩擦力將水泥基體中的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)移到纖維中。而連續(xù)玄武巖纖維的彈性伸長(zhǎng)較小，其彈性模量為80～110GPa，因此多條單絲擰成一股的玄武巖纖維很難被拉斷?；炷翉澢鷶嗔阎饕鞘芾瓚?yīng)力引起的，玄武巖纖維的摻入可提高混凝土的抗拉性能，使抗彎荷載有明顯提高。玄武巖纖維有效吸收水泥基體中傳遞的拉應(yīng)力而自身不輕易斷裂的性質(zhì)也可以提高混凝土材料的斷裂能［20－21］。

2．3 耐磨性

圖6　磨耗值與纖維含量的關(guān)系Fig．6 Relationship of abrasive wear and content of fiber

相對(duì)于水灰比為0．60的混凝土，水灰比為0．45耐磨性有所提高。摻加了玄武巖纖維和沒摻加的混凝土相比較，水灰比為0．45的混凝土磨耗值下降了2％～4％，水灰比為0．60的混凝土磨耗值下降了14％～18％。玄武巖纖維的摻量提高和長(zhǎng)度增加可以降低混凝土的磨耗值，如圖6所示。分析原因，可能是玄武巖纖維與混凝土基體之間有較強(qiáng)的黏結(jié)作用，纖維在混凝土基材中形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成了混凝土的“筋骨”。纖維的搭接作用阻礙了裂縫的繼續(xù)發(fā)展，纖維也能承受部分荷載，材料韌性增大，延緩了復(fù)合材料的破壞過程，減輕了被破壞的程度。在磨損過程中纖維對(duì)混凝土中水泥、砂、石等材料有牽制作用。玄武巖纖維從混凝土中剝落時(shí)消耗了大量摩擦功，玄武巖纖維在混凝土中所處的空間結(jié)構(gòu)，使磨損纖維過程中必須克服纖維與混凝土基材之間的摩擦阻力，故其耐磨性得到了提高［22－24］。

3 結(jié) 論

本研究分析了在力學(xué)性質(zhì)方面玄武巖纖維對(duì)C60及以下強(qiáng)度等級(jí)混凝土的影響。研究發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維對(duì)混凝土的抗彎強(qiáng)度、斷裂能、耐磨性有顯著的改進(jìn)，玄武巖纖維使混凝土的抗彎強(qiáng)度提高4％～13％，斷裂能也有了顯著提高，達(dá)到23％～138％。加入了玄武巖纖維后磨耗值下降2％～18％，纖維的含量和長(zhǎng)度的增加有助于混凝土耐磨性的提高。然而隨著玄武巖纖維的添加，抗壓強(qiáng)度下降4％～18％。當(dāng)混凝土的抗壓強(qiáng)度很重要時(shí)，應(yīng)采取一些預(yù)防措施，補(bǔ)償抗壓強(qiáng)度的下降。

本研究沒有涉及玄武巖纖維對(duì)混凝土耐久性的影響，這是今后的一個(gè)研究方向。

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Experimental investigation of mechanical properties of basalt fiber reinforced concrete

LIU Pansen1，WEI Shuhua1，LI Bingqian2
（1．School of Civil Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China；2．Hebei Province Expressway Management Bureau，Shijiazhuang，Hebei 050031，China）

Abstract：In order to improve the mechanical properties such as tensile strength，shock resistance and abrasion resistance，basalt fiber is added into the concrete to make basalt fiber reinforced concrete．Ten commonly used concrete mixtures with different water／cement ratio and different content of basalt fiber are used for mechanical tests including compressive strength，flexural strength，fracture energy，and abrasion resistance，so that the effects of the content of basalt fiber on the compressive strength，flexural strength，fracture energy and abrasion resistance of the concrete are analyzed．The results show that by adding the basalt fiber of 2～4kg／m3，the flexural strength of the concrete increases by 4％～13％，the fracture energy increases by 23％～138％，the abrasion value decreases by 2％～18％，but the compressive strength decreases by 4％～18％．

Keywords：other discipline of building material；basalt fiber；abrasion resistance；mechanical strength；fracture energy；void content

作者簡(jiǎn)介：劉泮森（1975—），男，河北吳橋人，工程師，碩士，主要從事巖土工程、結(jié)構(gòu)工程方面的研究。

基金項(xiàng)目：河北省建設(shè)科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2014－110）；河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（12214902）

收稿日期：2015－10－27；修回日期：2015－12－11；責(zé)任編輯：馮 民

文章編號(hào)：1008－1534（2016）02－0126－06

中圖分類號(hào)：TU528

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10．7535／hbgykj．2016yx02006