玄武巖纖維長度對(duì)輕骨料混凝土力學(xué)性能影響研究

吳曉斌

(廈門城市職業(yè)學(xué)院 福建廈門 361008)

玄武巖纖維長度對(duì)輕骨料混凝土力學(xué)性能影響研究

吳曉斌

(廈門城市職業(yè)學(xué)院 福建廈門 361008)

通過試驗(yàn)研究了兩種玄武巖纖維體積含量(0.1%和0.2%)下4種玄武巖纖維長度(0、12mm、18mm和30mm)輕骨料混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，結(jié)果表明：隨著纖維長度的增長，28d立方體抗壓強(qiáng)度隨之增加，但7d立方體抗壓強(qiáng)度變化不大，并且纖維長度的增加可以有效地提高輕骨料混凝土的劈拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

纖維長度；玄武巖纖維；輕骨料混凝土；力學(xué)性能

0 引言

隨著建筑產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)型升級(jí)，綠色、環(huán)保、節(jié)能材料的研發(fā)已經(jīng)成為研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。玄武巖纖維是一種以純天然玄武巖礦石為原料生產(chǎn)而成的新型高技術(shù)無機(jī)纖維，與其他纖維增強(qiáng)混凝土的纖維相比具有耐腐蝕性強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好、抗拉強(qiáng)度高、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。

輕骨料混凝土與普通混凝土相比具有輕質(zhì)高強(qiáng)、保溫隔熱、隔音效果好等優(yōu)點(diǎn)。將一定體積摻量、一定長度的短切玄武巖纖維加入輕骨料混凝土可以增強(qiáng)其抗壓、抗裂和抗?jié)B性能。有研究表明，當(dāng)纖維的長度達(dá)到臨界長度時(shí)，即纖維與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度等于纖維本身的抗拉強(qiáng)度時(shí)，效果最佳。超過此長度，增強(qiáng)效果不但不明顯，而且會(huì)增加纖維在混凝土中的分散難度[1]。筆者試圖通過將適量不同長度的玄武巖纖維摻入輕骨料混凝土中進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，從而得到玄武巖纖維輕骨料混凝土中的臨界纖維長度。

本文采用陶粒作為輕骨料制作成強(qiáng)度等級(jí)為LC30的輕骨料混凝土，根據(jù)已有研究成果[2]和試驗(yàn)分散難度選用纖維體積摻量為1%和2%，纖維長度為0、12mm、18mm和30mm的試件進(jìn)行基本力學(xué)性能試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)概況

1.1試驗(yàn)原材料

水泥： P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。

細(xì)骨料：中砂，細(xì)度模數(shù)(2.9)，密度，2600kg/m3。

粗骨料：圓球形粘土陶粒，連續(xù)級(jí)配，粒徑5mm～20mm，物理性能指標(biāo)如表1所示。

短切玄武巖纖維：纖維長度為12mm、18mm和30mm 3種，其性能指標(biāo)如表2所示。

水：普通自來水。

表1 陶粒各項(xiàng)物理力學(xué)性能

表2 玄武巖纖維物理力學(xué)性能指標(biāo)

1.2配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用的素輕骨料混凝土(玄武巖纖維體積率Vs為0%)的強(qiáng)度等級(jí)為LC30，并摻入不同體積率的短切玄武巖纖維。玄武巖纖維的體積摻量依照《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS38:2004)[3]和《水泥混凝土和砂漿用短切玄武巖纖維》(GB/T23265-2009)[4]的有關(guān)條文規(guī)定，并參考玄武巖纖維輕骨料混凝土相關(guān)的研究成果選定為0.1%和0.2%。

玄武巖纖維的摻量和長度會(huì)對(duì)輕骨料混凝土的坍落度產(chǎn)生影響[5]，如果通過增加用水量來調(diào)整坍落度會(huì)影響到輕骨料混凝土的強(qiáng)度。因此本試驗(yàn)通過保持水灰比不變對(duì)不同纖維體積摻量的輕骨料混凝土加入一定量的減水劑的方法來調(diào)整坍落度，從而保證玄武巖纖維輕骨料混凝土的和易性。經(jīng)試配所確定的玄武巖纖維輕骨料混凝土的配合比如表3所示。

表3 玄武巖纖維輕骨料混凝土配合比

1.3試驗(yàn)方法

力學(xué)性能試驗(yàn)依照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)[6]的有關(guān)條文執(zhí)行。立方體抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度均選用100mm×100mm×100mm立方體試塊，每組3塊，共計(jì)28組?？拐蹚?qiáng)度選用100mm×100mm×400mm 的小梁試件，每組3塊，共計(jì)14組。

試件制作過程中玄武巖纖維的摻入方法按照《水泥混凝土和砂漿用短切玄武巖纖維》(GB/T23265-2009)[4]的規(guī)定：選用強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)，全部材料和減水劑一次投入，拌合量控制在10L～45L,攪拌3min，出料后在鐵板上繼續(xù)人工翻料2～3次，然后進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

玄武巖纖維體積摻量為Vf=0.1%和Vf=0.2%時(shí)，纖維長度為0、12mm、18mm和30mm的7d齡期和28d齡期立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由表4的試驗(yàn)結(jié)果可以得到纖維長度與7d齡期和28d齡期立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線，如圖1所示。

表4 立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表4和圖1分析可知：

(1)當(dāng)玄武巖纖維體積摻量取0.1%和0.2%時(shí)，玄武巖纖維輕骨料混凝土的7d抗壓強(qiáng)度隨纖維長度的增長變化不大。當(dāng)纖維長度為12mm時(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度比素輕骨料混凝土分別增加了0.6%和6.4%。當(dāng)纖維長度為18mm時(shí)，抗壓強(qiáng)度比素輕骨料混凝土分別增加了1.3%和7.7%。當(dāng)纖維長度為30mm時(shí)，抗壓強(qiáng)度比素輕骨料混凝土增加了0%和6.4%。 摻入0.1%的玄武巖纖維對(duì)輕骨料混凝土的早期抗壓強(qiáng)度影響不大，摻入0.2%的玄武巖纖維會(huì)略提高輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度，但纖維長度的變化對(duì)早期抗壓強(qiáng)度的影響不大。

圖1 玄武巖纖維長度與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

(2)當(dāng)玄武巖纖維體積摻量取0.1%和0.2%時(shí)，玄武巖纖維輕骨料混凝土的28d立方體抗壓強(qiáng)度隨纖維長度的增長而增大。當(dāng)纖維長度為12mm時(shí)，抗壓強(qiáng)度比素輕骨料混凝土分別提高了8%和11.3%。當(dāng)纖維長度為18mm時(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度最大，比素輕骨料混凝土分別提高了11.6%和15.2%。當(dāng)纖維長度為30mm時(shí)，抗壓強(qiáng)度比素輕骨料混凝土提高了12.7%和18.2%。 摻入適量的玄武巖纖維會(huì)提高輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度，并且隨著纖維長度的增長，抗壓強(qiáng)度也隨之增大，由于本試驗(yàn)中粗骨料陶粒的最大粒徑為20mm，在荷載作用下能夠充分發(fā)揮玄武巖纖維與水泥石界面的粘結(jié)強(qiáng)度。

(3)通過抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)觀察，試件的破壞形態(tài)表現(xiàn)為：摻入適量玄武巖纖維的輕骨料混凝土試塊在受荷后，隨著荷載的增加試件底部邊緣出現(xiàn)一些細(xì)微的裂縫，荷載繼續(xù)增加，裂縫向斜上方擴(kuò)展，裂縫的數(shù)目也增多且分布不規(guī)律，直至部分裂縫發(fā)展為較寬的裂縫而破壞。

2.2劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)玄武巖纖維體積摻量Vf=0.1%和Vf=0.2%時(shí)，纖維長度為0、12mm、18mm和30mm的7d齡期和28d齡期的劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。由表5的試驗(yàn)結(jié)果可以得到纖維長度與劈拉強(qiáng)度的關(guān)系曲線，如圖2所示。

表5 劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表5和圖2分析可知：

(1)當(dāng)玄武巖纖維體積摻量取0.1%和0.2%時(shí)，玄武巖纖維輕骨料混凝土的齡期為7d和28d的劈拉強(qiáng)度都隨纖維長度的增長而增大,且纖維長度為18mm和30mm時(shí)的增加效果比纖維長度為12mm時(shí)明顯。

圖2 玄武巖纖維長度與劈拉強(qiáng)度的關(guān)系

7d齡期的玄武巖纖維體積摻量為0.1%和0.2%輕骨料混凝土劈拉強(qiáng)度：當(dāng)纖維長度為12mm時(shí)，比素輕骨料混凝土分別提高了2.7%和7.2%；當(dāng)纖維長度為18mm時(shí)，比素輕骨料混凝土分別提高了3.4%和18.3%；當(dāng)纖維長度為30mm時(shí)，比素輕骨料混凝土提高了8.0%和21.7%。

28d齡期的玄武巖纖維體積摻量為0.1%和0.2%輕骨料混凝土劈拉強(qiáng)度：當(dāng)纖維長度為12mm時(shí)，劈拉強(qiáng)度比素輕骨料混凝土分別提高了6.9%和20.4%；當(dāng)纖維長度為18mm時(shí)，劈拉強(qiáng)度比素輕骨料混凝土分別提高了19.1%和31.9%；當(dāng)纖維長度為30mm時(shí)，劈拉強(qiáng)度比素輕骨料混凝土提高了24.5%和34.2%。

(2)當(dāng)纖維長度為定值時(shí)，在輕骨料混凝土中摻入0.1%和0.2%的玄武巖纖維，玄武巖纖維體積摻量大的劈拉強(qiáng)度大。

以28d劈拉強(qiáng)度為例：纖維長度為12mm時(shí)，纖維體積含量為0.2%的劈拉強(qiáng)度比纖維含量為0.1%的提高了13.5%；纖維長度為18mm時(shí)，纖維含量為0.2%時(shí)的劈拉強(qiáng)度比纖維含量為0.1%的提高了12.8%；當(dāng)纖維長度為30mm時(shí)，纖維含量為0.2%時(shí)的劈拉強(qiáng)度比纖維含量為0.1%的提高了9.7%。

(3)通過試驗(yàn)觀察，在輕骨料混凝土中摻入適量的長度適宜的玄武巖纖維可以改善其脆性，抑制輕骨料混凝土裂縫的發(fā)展。在劈拉作用下，由于玄武巖纖維與輕骨料混凝土基體間的摩擦、粘結(jié)與拉拔作用，長度為18mm和30mm纖維能有效地連接粗骨料與粗骨料形成的水泥石基體，從而達(dá)到增強(qiáng)增韌的效果[7]。

2.3抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)玄武巖纖維體積摻量Vf=0.1%和Vf=0.2%時(shí)，纖維長度為0、12mm、18mm和30mm的7d齡期和28d齡期的抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。由表6的試驗(yàn)結(jié)果可以得出玄武巖纖維長度與抗折強(qiáng)度的關(guān)系曲線，如圖3所示。

表6 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表6和圖3可知：

(1)輕骨料混凝土中摻入0.1%和0.2%的玄武巖纖維可以有效地提高其抗折強(qiáng)度。隨著纖維長度的增加，玄武巖纖維輕骨料混凝土7d和28d齡期的抗折強(qiáng)度值總體上均表現(xiàn)出逐漸上升的趨勢，纖維長度超過18mm時(shí)上升的趨勢更明顯。

圖3 玄武巖纖維長度與抗折強(qiáng)度的關(guān)系

7d齡期的玄武巖纖維體積摻量為0.1%和0.2%輕骨料混凝土抗折強(qiáng)度：當(dāng)纖維長度為12mm時(shí)，抗折強(qiáng)度比素輕骨料混凝土分別增大了2.2%和15.1%；當(dāng)纖維長度為18mm時(shí)，抗折強(qiáng)度比素輕骨料混凝土分別增大了16.2%和44.9%；當(dāng)纖維長度為30mm時(shí)，抗折強(qiáng)度比素輕骨料混凝土增大了20.0%和54.0%。

28d齡期的玄武巖纖維體積摻量為0.1%和0.2%輕骨料混凝土抗折強(qiáng)度：當(dāng)纖維長度為12mm時(shí)，抗折強(qiáng)度比素輕骨料混凝土分別增大了4.5%和8.2%；當(dāng)纖維長度為18mm時(shí)，抗折強(qiáng)度比素輕骨料混凝土分別增大了18.9%和34.0%；當(dāng)纖維長度為30mm時(shí)，抗折強(qiáng)度比素輕骨料混凝土增大了25.5%和44.0%。

(2)當(dāng)纖維長度為定值時(shí)，在輕骨料混凝土中摻入0.1%和0.2%的玄武巖纖維，玄武巖纖維體積摻量大的抗折強(qiáng)度高。

以28d抗折強(qiáng)度為例：當(dāng)玄武巖纖維長度為12mm時(shí)，纖維含量為0.2%時(shí)的抗折強(qiáng)度比纖維含量為0.1%的提高了4.7%；當(dāng)纖維長度為18mm時(shí)，纖維含量為0.2%時(shí)的抗折強(qiáng)度比纖維含量為0.1%的提高了15.1%；當(dāng)纖維長度為30mm時(shí)，纖維含量為0.2%時(shí)的抗折強(qiáng)度比纖維含量為0.1%的提高了18.5%。

(3)通過觀察試驗(yàn)過程中試件的破壞形態(tài)發(fā)現(xiàn)：未摻玄武巖纖維的輕骨料混凝土試件在加載過程中表現(xiàn)出“一裂就壞”的脆性破壞特征。摻入0.1%和0.2%玄武巖纖維的輕骨料混凝土，隨著纖維長度和纖維摻量的增大試件受拉區(qū)出現(xiàn)微裂縫的條數(shù)增多，主裂縫產(chǎn)生后纖維長度為12mm的試件的裂縫發(fā)展速度比裂縫長度為18mm和30mm的要快。這是因?yàn)樾×涸嚰谌贮c(diǎn)位置集中荷載的作用下，摻入的玄武巖纖維為輕骨料混凝土提供了有效的抗拉作用，玄武巖纖維輕骨料混凝土小梁受拉區(qū)開裂時(shí)，小梁試件中和軸上移，橫跨裂縫的玄武巖纖維逐漸承擔(dān)起主要的拉應(yīng)力。隨著纖維長度的增加，特別是當(dāng)纖維長度大于等于粗骨料粒徑的時(shí)候，玄武巖纖維與輕骨料混凝土水泥石基體的摩擦和拉拔作用進(jìn)一步加強(qiáng)，從而提高了受拉區(qū)的極限拉應(yīng)變，進(jìn)而提高了玄武巖纖維輕骨料混凝土的抗裂性和抗折強(qiáng)度[8]。

3 結(jié)論

(1)摻入0.1%和0.2%的的玄武巖纖維時(shí)，纖維長度對(duì)輕骨料混凝土的早期立方體抗壓強(qiáng)度影響不大。

(2)摻入0.1%和0.2%的的玄武巖纖維時(shí)，纖維長度對(duì)輕骨料混凝土的28d抗壓強(qiáng)度有影響，隨纖維長度的增長，立方體抗壓強(qiáng)度也隨之提高。

(3)當(dāng)玄武巖纖維體積摻量是0.1%和0.2%時(shí)，玄武巖纖維輕骨料混凝土的7d和28d齡期的劈拉強(qiáng)度都隨纖維長度的增長而增大。輕骨料混凝土中摻入0.2%的玄武巖纖維比摻量為0.1%的更能有效抑制裂縫的發(fā)展，提高其延性。

(4)在輕骨料混凝土中摻入0.1%和0.2%的玄武巖纖維可以有效地提高其抗折強(qiáng)度，隨著玄武巖纖維長度的增加，抗折強(qiáng)度值總體上呈現(xiàn)逐步上升的趨勢，特別是當(dāng)纖維長度大于等于粗骨料粒徑的時(shí)候，玄武巖纖維輕骨料混凝土的抗裂性更好。

在實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)不同使用部位和使用要求，選擇不同長度和摻量的玄武巖纖維。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，玄武巖纖維的長度大于等于輕骨料混凝土中粗骨料最大粒徑時(shí)，基本力學(xué)性能較好。

[1] 王曉初,劉洪濤.碳纖維長度對(duì)CFRC力學(xué)性能影響試驗(yàn)研究[J].混凝土,2013(3):60-63.

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[3] CECS38:2004 纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2004.

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Experimentalstudyoninfluenceoffiberlengthonmechanicalpropertiesofbasaltfiberlightweightaggregateconcrete

WUXiaobin

(Xiamen City University,Xiamen 361008)

Through the test of two kinds of basalt fiber volume content (0.1% and 0.2%) under four kinds of basalt fiber length (0, 12mm, 18mm and 30mm) compressive strength of lightweight aggregate concrete, the splitting tensile strength and flexural strength, The results show that with the increase of fiber length, 28d cube compressive strength increased, but the 7d cube compressive strength changes little; and the increase of the length of the fiber can effectively improve the tensile strength and flexural strength of lightweight aggregate concrete.

Fiber length; Basalt fiber; Lightweight aggregate concrete; Mechanical performance

TU502

A

1004-6135(2017)11-0083-04

福建省教育廳2017年度中青年教師教育科研項(xiàng)目 (JAT171052)。

吳曉斌 (1978.4- )，男，講師，國家一級(jí)注冊結(jié)構(gòu)工程師。

E-mail:xiaobin@xmcu.cn

2017-08-30