玄武巖纖維水泥基復(fù)合材料基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究

張文斌，陶燕，李鑫鑫，柴棟

（昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500）

0 前言

混凝土、砂漿等常見的水泥基材料因其具有良好的抗壓性能及低廉的價格，被廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域，但它們屬于脆性材料，因其抗拉性能差，在使用過程中由于外界因素的影響極易產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致鋼筋銹蝕，從而影響其強(qiáng)度和耐久性[1]。水泥基材料復(fù)合化是增強(qiáng)其耐久性能的主要途徑之一，而纖維是其增強(qiáng)的關(guān)鍵[2]。

玄武巖纖維是一種新型混凝土增強(qiáng)材料，由純天然的火山巖礦石經(jīng)高溫熔融、拉絲而成，具有性價比高、抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫、抗裂性能好等優(yōu)點(diǎn)[3]。李福海等[4]以5種不同纖維體積摻量研究了短切玄武巖纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度。結(jié)果表明：隨著玄武巖纖維體積摻量的增加，抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度先提高后降低，在纖維體積摻量為0.3%時達(dá)到峰值，分別提高了5.20%和17.30%。賈明皓等[5]通過將短切玄武巖纖維及玄武巖纖維土工格柵分別以摻入和鋪層的方式加入到水泥基體中，摻量為0.2%，鋪層數(shù)為3層，并進(jìn)行了抗壓和抗折力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，短切玄武巖纖維和玄武巖纖維土工格柵均能夠?qū)ι皾{起到增強(qiáng)作用，且玄武巖纖維土工格柵對砂漿增強(qiáng)效果更佳，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度最高分別提高45.93%和51.03%。趙燕茹等[6]對摻入2種形狀、3種鋼纖維體積率的水泥基復(fù)合材料進(jìn)行了抗壓、抗折試驗(yàn)，結(jié)果表明：鋼纖維的摻入對水泥基體抗壓強(qiáng)度提高不明顯，但對抗折強(qiáng)度和彎曲韌性提高顯著，并且均隨鋼纖維體積率的增加而增加；在相同體積率下?lián)饺?種形狀鋼纖維的性能差別不大，2種鋼纖維在微裂縫擴(kuò)展階段、宏觀裂縫開展階段、宏觀裂縫擴(kuò)展階段，都改善了試件受力狀態(tài)，延緩了開裂，起到了增韌作用。白亮等[7]以PVA摻量、水膠比及粉煤灰摻量為變量，對13組288個ECC試件進(jìn)行單軸抗壓、劈裂抗拉試驗(yàn)，結(jié)果表明：增加PVA摻量，ECC抗壓強(qiáng)度變化較小，峰值應(yīng)變及極限應(yīng)變明顯提高，峰值后延性較好，抗拉強(qiáng)度明顯提高。

綜合以上研究，結(jié)合當(dāng)前鋼纖維、PVA纖維市場價格昂貴，而玄武巖纖維價格低廉、耐高溫、耐腐蝕、抗裂性能好，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，本文通過20組60個立方體試件的抗壓試驗(yàn)、劈裂抗拉試驗(yàn)研究了玄武巖纖維水泥基復(fù)合材料在不同纖維體積摻量和長度因素下其強(qiáng)度的變化規(guī)律以及試件的破壞現(xiàn)象。

1 試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

根據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行本試驗(yàn)試件尺寸及個數(shù)設(shè)計(jì)，立方體試件均采用非標(biāo)準(zhǔn)尺寸，即100 mm×100 mm×100 mm，共計(jì)20組60個試件，每組3個試件，未摻纖維試件尺寸換算系數(shù)取0.95，摻纖維試件尺寸換算系數(shù)取0.9。

1.2 原材料

水泥：P·O42.5，華新水泥（紅河）有限公司昆明分公司產(chǎn)，其氯化鎂含量為4.5%、氯離子含量為0.06%、三氧化硫含量為3.2%、燒失量為4.5%，物理力學(xué)性能見表1。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

纖維：海寧安捷復(fù)合材料公司生產(chǎn)的短切玄武巖纖維（見圖1），長度分別為6、12、18mm，其基本性能見表2。

表2 玄武巖纖維的基本性能

水：自來水。

砂：由中國ISO公司提供的標(biāo)準(zhǔn)砂。

1.3 配合比設(shè)計(jì)

經(jīng)計(jì)算，本試驗(yàn)固定水灰比為0.6，灰砂比為0.36，玄武巖纖維體積摻量分別為0.1%、0.2%、0.3%，每組配比各試驗(yàn)制備3個樣品，試件編號及玄武巖纖維參數(shù)見表3。

表3 試件編號及玄武巖纖維參數(shù)

2 試件制作及試驗(yàn)過程

2.1 試件制作

采用小型攪拌機(jī)和人工攪拌2種方式交替進(jìn)行攪拌，既能防止由攪拌機(jī)攪拌而出現(xiàn)的掛壁現(xiàn)象，也避免人工拌制時由于在攪拌過程中有較強(qiáng)的粘結(jié)力而導(dǎo)致攪拌不均勻。首先按照配合比將水泥、砂和水充分?jǐn)嚢杈鶆蚝箝_始加入纖維，充分?jǐn)嚢杞Y(jié)束后，將拌合物裝入試模，隨后放在振搗機(jī)上振搗8～10 s，靜置一段時間，待其表面稍微凝固時，用抹刀沿試模四周刮去多余的拌合物，并用抹刀抹平，將試件置于溫度為（20±3）℃的環(huán)境中靜置24 h，拆模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d。

2.2 立方體抗壓及劈裂抗拉試驗(yàn)過程

待試件表面水分充分干燥后，將其放在試驗(yàn)機(jī)上?？箟涸囼?yàn)時，確保試件位于上下承壓板的中心處；劈裂抗拉試驗(yàn)時，保證試件、膠合板墊條、墊塊處于同一中心位置，見圖2。加載過程中，均以0.5～0.8 MPa/s的加載速率連續(xù)均勻加載。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試件制作現(xiàn)象分析

通過對比摻加纖維和未摻纖維試件的制作過程可以發(fā)現(xiàn)，摻加纖維的試件在振搗密實(shí)以及靜置2個階段很少有泌水現(xiàn)象出現(xiàn)；而未摻纖維的試件，在2個階段都出現(xiàn)了泌水現(xiàn)象且具有較大的流動性。同時還發(fā)現(xiàn)，纖維體積摻量和長度分別為0.1%和6 mm的試件，較未摻纖維的試件泌水現(xiàn)象不太明顯，而纖維體積摻量和長度分別為0.2%和12 mm的次之。說明纖維體積摻量和長度越小的試件，不僅能改善其保水性，流動性幾乎也不受影響。反觀纖維體積摻量和長度越大的試件，其流動性變差，且在振搗途中不易被振搗密實(shí)。

分析可知，從材料方面，纖維自身屬于干燥性材料，具有一定的吸水性，因此隨其摻量和長度的增加，纖維與水泥基體的接觸面積增加，吸水性增強(qiáng)，從而流動性也受到明顯的影響；從內(nèi)部構(gòu)造方面，水泥基體成型后內(nèi)部存在很多孔隙，玄武巖纖維可填充這些孔隙，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更加密實(shí)，又因?yàn)槔w維與混凝土能較好的粘結(jié)，在裂縫發(fā)展過程中能有效抑制裂縫的形成，增加了兩者之間的約束力，從而增加了試件的抗?jié)B性能，因此，相比于未摻纖維的試件，泌水現(xiàn)象不太明顯。

3.2 立方體抗壓試驗(yàn)分析

3.2.1 抗壓試驗(yàn)現(xiàn)象分析

抗壓試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)試件破壞有2種現(xiàn)象：未摻玄武巖纖維的試件，在受壓過程中，試件達(dá)到極限承載能力瞬間破壞，無明顯預(yù)兆，破壞時有較大的聲音，試件呈現(xiàn)由兩邊向內(nèi)部破壞的形態(tài)，裂縫延伸整個試件，且寬度較寬，為典型的脆性破壞，見圖3（a）；摻入玄武巖纖維的試件，在受壓過程中，首先在試件邊緣產(chǎn)生很多條細(xì)微裂縫，裂縫數(shù)量繼續(xù)增多且持續(xù)一段時間，達(dá)到極限承載能力時試件破壞，破壞時無明顯聲音，試件總體形態(tài)保持完好，其中纖維摻量為0.1%的試件破壞后形態(tài)最為完好，見圖3（b）。且邊緣處有材料脫落現(xiàn)象，但仍然與主體部分相連，相比于未摻玄武巖纖維的試件，無較寬的裂縫，呈現(xiàn)延性破壞的特征。

3.2.2 立方體抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果（見表4）

表4 不同玄武巖纖維摻量及長度時水泥基復(fù)合材料的立方體抗壓強(qiáng)度

在本試驗(yàn)設(shè)定以及文獻(xiàn)[8-10]設(shè)定的纖維體積摻量及長度條件下，試件的抗壓強(qiáng)度變化見圖4。

由表4及圖4可見，纖維體積摻量為0.1%時，試件的抗壓強(qiáng)度均比其他纖維體積摻量的高，且較A0組試件強(qiáng)度有顯著提高；纖維長度為6 mm的A1組試件，其抗壓強(qiáng)度為49.72 MPa，較A0組提高了19.76%，增幅最大，纖維長度分別為12、18 mm的B1、C1組立方體抗壓強(qiáng)度分別為44.60、44.71 MPa，較A0組分別提高了7.40%、7.69%。纖維體積摻量為0.2%時，纖維長度為6 mm的A2組試件立方體抗壓強(qiáng)度為45.39 MPa，較A1組試件降低了8.71%；纖維長度為12 mm的B2組試件立方體抗壓強(qiáng)度為42.60 MPa，較A1組降低了14.32%；纖維長度為18 mm的C2組試件的立方體抗壓強(qiáng)度為41.92MPa，較A1組降低了15.69%。纖維體積摻量為0.3%時，纖維長度為6 mm的A3組試件立方體抗壓強(qiáng)度為44.52 MPa，較A0組提高了7.23%，而相比于A1組降低了10.46%；纖維長度為12、18mm的B3、C3組試件立方體抗壓強(qiáng)度分別為40.52、38.69 MPa，較A0組分別降低2.41%、6.82%，較A1組分別降低了18.50%、22.18%，文獻(xiàn)[8-10]強(qiáng)度隨纖維摻量變化趨勢與本試驗(yàn)相同。

3.2.3 抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可以明顯看到，摻加纖維的試件抗壓強(qiáng)度均比未摻纖維的有不同程度的提高，其中當(dāng)纖維體積摻量及長度分別為0.1%、6 mm時，試件抗壓強(qiáng)度提高最為顯著，長度為12、18 mm的次之。而當(dāng)纖維體積摻量及長度繼續(xù)增加時，其抗壓強(qiáng)度又隨之降低。分析原因如下：加入纖維可以改善試件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，纖維在水泥基體中隨機(jī)均勻分布，纖維之間相互交織形成了具有支撐作用且密實(shí)的骨架，同時兩者良好的結(jié)合性使他們能夠更好地受力。此外，纖維的存在彌補(bǔ)了單一的水泥基體內(nèi)部孔隙多的缺陷，使得受壓體致密性更強(qiáng)，因此其抗壓強(qiáng)度相比于未摻纖維的試件有所提高。但隨著纖維摻量和長度的增加，強(qiáng)度又有所降低，是因?yàn)槔w維數(shù)量的增多，減少了水泥凈漿包裹基體細(xì)骨料的面積，從而增加了纖維之間的粘結(jié)度，在攪拌及振搗過程中不易被分散均勻，出現(xiàn)部分結(jié)團(tuán)的現(xiàn)象，導(dǎo)致試件成型后內(nèi)部缺陷增多，孔隙變大。還因?yàn)槔w維屬于一種干性材料，本身存在一定的吸水性，加之摻量及長度的增加，吸水性變強(qiáng)，導(dǎo)致基體內(nèi)部水分減小，其流動性變差，會影響后期強(qiáng)度的發(fā)展。文獻(xiàn)[8-10]中加入了粉煤灰、礦渣2種摻合料，由于粉煤灰的顆粒大小以及表面特征會對混凝土的用水量和工作性有一定影響，而礦渣與水相遇表面會形成一層致密但不定性的酸性膜層，會抑制外部水分和內(nèi)部離子的相互結(jié)合，水化反應(yīng)難以進(jìn)行，進(jìn)而影響后期混凝土硬化后強(qiáng)度的發(fā)展，導(dǎo)致與本試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值有差異，但規(guī)律相同。

分析表明，本試驗(yàn)中當(dāng)玄武巖纖維體積摻量為0.1%、長度為6 mm時，水泥基復(fù)合材料的立方體抗壓強(qiáng)度最高。

3.3 劈裂抗拉試驗(yàn)分析

3.3.1 劈裂抗拉試驗(yàn)現(xiàn)象分析

未摻入玄武巖纖維的試件，在劈裂過程中，試件中部突然出現(xiàn)裂縫并迅速向兩端延伸，直至被劈成兩半，試件瞬間破壞，伴有劇烈的聲響，為典型的脆性破壞，見圖5（a）。摻入玄武巖纖維的試件，在破壞時，首先試件中部出現(xiàn)很多細(xì)微裂縫，隨著加載時間和荷載的不斷增加，裂縫慢慢沿四周及邊緣擴(kuò)展，其數(shù)量和長度也隨之增加，當(dāng)細(xì)微裂縫貫通整個試件時，可以看到裂縫處有明顯的纖維拔出現(xiàn)象，試件破壞，但纖維仍與主體部分有連接，整個過程裂縫均為細(xì)微裂縫，無較寬裂縫，破壞時無明顯聲響，呈現(xiàn)出較好的延性破壞特征，見圖5（b）。

3.3.2 劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果（見表5）

表5 不同玄武巖纖維摻量及長度時水泥基復(fù)合材料的劈裂抗拉強(qiáng)度

在本試驗(yàn)設(shè)定以及文獻(xiàn)[8-10]設(shè)定的纖維體積摻量及長度條件下，試件的劈裂抗拉強(qiáng)度變化見圖6。

由表5及圖6可見，試件在纖維長度相同而摻量不同條件下，其劈裂抗拉強(qiáng)度無明顯變化規(guī)律，當(dāng)纖維體積摻量為0.1%時，隨著纖維長度的增加，試件的劈裂抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢，但較A0組試件均有不同程度的提高。其中，纖維長度為6、12mm的A1、B1組試件增幅最明顯，分別比A0組試件的劈裂抗拉強(qiáng)度提高了6.70%、6.30%。當(dāng)纖維體積摻量為0.2%時，纖維長度為6 mm的A2組試件劈裂抗拉強(qiáng)度為3.32 MPa，較A1組試件有所下降，但仍然比A0組試件高；纖維長度為12 mm的B2組試件劈裂抗拉強(qiáng)度最高，為3.63 MPa，相比于A0組試件的有大幅度的提高，增幅為13.80%；纖維長度為18 mm的C2組試件劈裂抗拉強(qiáng)度為3.37 MPa，高于A0組及A2組試件，較A0組提高了5.70%。當(dāng)纖維體積摻量為0.3%時，纖維長度為12 mm的B3組試件劈裂抗拉強(qiáng)度為3.58 MPa，比長度為6、18 mm的A3、C3組抗拉強(qiáng)度均有不同幅度提高，但與其他纖維體積摻量相比，不同纖維長度試件的劈裂抗拉強(qiáng)度均有不同程度的降低，其中，纖維長度為18 mm的C3組試件劈裂抗拉強(qiáng)度為3.10 MPa，低于A0組，下降幅度最為顯著，文獻(xiàn)[8]中劈裂抗拉強(qiáng)度與本試驗(yàn)具有相似變化規(guī)律，文獻(xiàn)[9-10]的劈裂抗拉強(qiáng)度均高于本試驗(yàn)的強(qiáng)度且呈現(xiàn)逐漸提高的趨勢。

3.3.3 劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果分析

摻入玄武巖纖維后，大部分試件的劈裂抗拉強(qiáng)度均較A0組有明顯的提高，說明玄武巖纖維可以增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗拉性能。當(dāng)纖維體積摻量為0.2%時，纖維長度為6 mm的試件劈裂抗拉強(qiáng)度提高并不明顯，而12 mm和18 mm試件的劈裂抗拉強(qiáng)度均出現(xiàn)了峰值。這是因?yàn)榧尤肓硕糖校? mm）的玄武巖纖維后，由于沒有足夠長度，纖維與基體的相互粘結(jié)不夠牢固，此外，當(dāng)基體出現(xiàn)裂縫時，開裂處的拉應(yīng)力過大，由于兩者的橋接作用得不到有效發(fā)揮，不能充分將其分散至其他未開裂的基體來減小裂縫處的拉應(yīng)力，導(dǎo)致試件在受拉過程中更容易破壞。隨著纖維體積摻量和長度增加，纖維與混凝土有較大的接觸面積，增加了纖維與基體間的粘結(jié)作用，其橋接作用可以得到充分發(fā)揮，能及時分散開裂處的應(yīng)力，纖維在基體中各向均勻分布，進(jìn)一步加強(qiáng)了水泥基材料的受拉能力，因此試件的劈裂抗拉強(qiáng)度會有明顯的提高。而當(dāng)纖維體積摻量和長度繼續(xù)增加，導(dǎo)致試件在制作過程中會有過多的薄弱層出現(xiàn)，缺陷增多，試件容易發(fā)生破壞，因此其劈裂抗拉強(qiáng)度會有不同程度的降低。文獻(xiàn)[9-10]中的劈裂抗拉強(qiáng)度比本試驗(yàn)高，分析原因?yàn)椋河捎诒驹囼?yàn)只采用了細(xì)骨料，隨著纖維長度和摻量的增加，拌制過程中纖維容易出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，分布不均，孔隙增多，從而影響強(qiáng)度發(fā)展；而文獻(xiàn)[9-10]中加入了粗骨料，基體內(nèi)部孔隙變大，長纖維加入以后更容易均勻布滿粗骨料界面過渡區(qū)，可以充分發(fā)揮纖維增韌的作用，因此其劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸提高的趨勢。

分析表明，本試驗(yàn)中當(dāng)玄武巖纖維體積摻量為0.2%、長度為12 mm時，水泥基復(fù)合材料的劈裂抗拉強(qiáng)度最高。

拉壓比是描述混凝土韌性的一個重要指標(biāo)，拉壓比越大說明韌性越好，由表4、表5計(jì)算得出拉壓比變化見圖7。

由圖7可知，玄武巖纖維長度為6mm，隨其摻量的增加，拉壓比有提高的趨勢，但均低于A0組，隨著纖維體積摻量和長度的增加，拉壓比增加，并且大于A0組，其中B3組的拉壓比最高，為0.088，較A0組提高14.29%，C1、C2、C3組拉壓比較A0組增幅不太明顯。原因是纖維長度太短，當(dāng)試件出現(xiàn)裂縫時，不能很好地起橋接作用，當(dāng)纖維的長度和摻量達(dá)到一定程度時，由于纖維的加入可以有效減少裂縫的產(chǎn)生，加之其橋接作用可以充分發(fā)揮，因此其韌性所有增加。當(dāng)纖維長度和摻量繼續(xù)增加，纖維與水泥基體的化學(xué)粘結(jié)能就會變大，當(dāng)超過纖維的抗拉強(qiáng)度時，水泥基體開裂時纖維也會隨之?dāng)嗔?，缺少了逐漸拔出的過程，也就失去了增韌的作用。

4 結(jié)論

（1）立方體抗壓、劈裂抗拉試驗(yàn)中，未摻纖維的試件破壞呈典型的脆性破壞，摻加纖維的試件表現(xiàn)出延性特征的破壞模式。

（2）在立方體抗壓試驗(yàn)中，當(dāng)纖維體積摻量為0.1%、長度為6 mm時，試件的抗壓強(qiáng)度最高；摻加過多過長的纖維會使孔隙率變大，內(nèi)部缺陷增多，降低試件的抗壓強(qiáng)度，且纖維長度越長、體積摻量越大，降低幅度越明顯。

（3）在立方體劈裂抗拉試驗(yàn)中，加入短切（6 mm）玄武巖纖維，由于其長度太短，分散基體破壞產(chǎn)生較大拉應(yīng)力的橋接作用不能被有效發(fā)揮，試件抗拉強(qiáng)度的提高較12、18 mm不明顯。隨著纖維體積摻量和長度的增加，纖維與混凝土的橋接作用得到了充分發(fā)揮，能充分分散基體破壞時產(chǎn)生的應(yīng)力，因此試件的劈裂抗拉強(qiáng)度有明顯提高，尤其纖維體積摻量為0.2%、長度為12 mm劈裂抗拉強(qiáng)度最高。

（4）纖維的加入可以有效提高水泥基體的韌性，特別是摻量為0.2%～0.3%、長度為12 mm時，提高幅度明顯，但隨著摻量和長度的繼續(xù)增加，由于纖維和水泥基體的化學(xué)粘結(jié)能變大，會失去增韌的作用，導(dǎo)致增幅變小。

（5）通過與相關(guān)文獻(xiàn)對比分析可知，試件的立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度不僅與纖維體積摻量及長度有關(guān)，還與骨料粒徑大小有關(guān)，粒徑越大，其骨料間隙越大，纖維更容易分散均勻，從而提高試件抗壓、抗拉強(qiáng)度。