玄武巖纖維混凝土優(yōu)化設(shè)計(jì)及力學(xué)特性研究

何 龍

(新疆額爾齊斯河投資開發(fā)(集團(tuán))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(fù)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(xiàn)突出，適用于多種工程環(huán)境。玄武巖纖維(Basalt Fiber 簡稱BF)以玄武巖為原料，經(jīng)高溫熔融后快速拉制而成的連續(xù)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(wěn)定性、抗老化性優(yōu)異，拉伸強(qiáng)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(dá)0.5%的情況下，混凝土仍保有不錯(cuò)的性能。董國義等研究發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維對(duì)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(qiáng)度提高了12.2%～14.8%[6]。廉杰等[7]發(fā)現(xiàn)在混凝土中摻入較短的玄武巖纖維時(shí)，混凝土可較早獲得較高的強(qiáng)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(qiáng)度高。李韌等[9]通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在混凝土中加入短切玄武巖纖維后，其抗折強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)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(qiáng)度會(huì)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(yōu)于普通水泥混凝土[10-15]，但現(xiàn)在關(guān)于玄武巖纖維體積混凝土優(yōu)化設(shè)計(jì)及力學(xué)特性研究有待進(jìn)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(xué)變形的試驗(yàn)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(duì)象，研究玄武巖纖維摻加體積率對(duì)玄武巖纖維改性混凝土物理性質(zhì)及力學(xué)性能的影響，并在此基礎(chǔ)上找出玄武巖纖維的最佳摻量，為實(shí)際工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 配合比設(shè)計(jì)

基于混凝土配合比規(guī)范，在C40混凝土的基礎(chǔ)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(duì)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(xì)骨料之中，讓玄武巖纖維與細(xì)骨料攪拌均勻，然后再通過手的揉搓及振搗棒的振動(dòng)，借助細(xì)骨料的摩檫力，使玄武巖纖維充分離散，均勻分布在細(xì)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(nèi)壁并刷上一層油，以便后面脫模；將混合均勻玄武巖纖維、細(xì)骨料、粗骨料、水及減水劑分次導(dǎo)入模具，并使用振搗棒充分振動(dòng)以便試件裝填密實(shí)；待各試件放置陰涼處養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行切割打磨。

1.3 試驗(yàn)種類及數(shù)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(gè)。本次試驗(yàn)共需試件70個(gè)，用于單軸抗拉試驗(yàn)、劈裂抗拉試驗(yàn)的試件各35個(gè)，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(xué)測(cè)試結(jié)果

2.1 試件物理性質(zhì)

首先對(duì)自然狀態(tài)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(jìn)行測(cè)試，其物理參數(shù)如表2所示。

表2 試件基本物理參數(shù)

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?yàn)椋涸谠嚰闹谱鲿r(shí)，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(jié)團(tuán)，最終導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙率增大，并且隨著玄武巖纖維摻量的增多，結(jié)團(tuán)現(xiàn)象愈發(fā)明顯，但其減小數(shù)值很小，其最大變化量不超過試件最小密度數(shù)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(xué)性質(zhì)

2.2.1 單軸抗壓試驗(yàn)

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(qiáng)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(qiáng)度42.30 MPa相比，玄武巖纖維改性混凝土抗壓強(qiáng)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(tài)下的應(yīng)變?yōu)?.40×10-3，在普通混凝土的基礎(chǔ)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(tài)下的應(yīng)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(tài)下的應(yīng)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(huán)形態(tài)均為剪切破壞，但普通混凝土的裂縫發(fā)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(tài)具體如圖1所示。相比而言，玄武巖纖維混凝土由于試件內(nèi)部纖維的拉力，使裂縫的發(fā)展速度減慢，可以觀察到其裂縫的逐漸擴(kuò)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(dāng)體積率達(dá)到0.4%和0.5%時(shí)，試件被破壞后完整度降低，試件碎為多個(gè)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(yīng)變及抗壓強(qiáng)度

可見，當(dāng)玄武巖纖維體積率為0.10%和0.20%時(shí)效果較好，其中，體積率為0.10%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度取得最大值，當(dāng)體積率為0.20%時(shí)，試件極限狀態(tài)下的應(yīng)變?nèi)〉米畲笾?，但由于體積率為0.10%和0.20%時(shí)的試件抗壓強(qiáng)度變化值很小，所以整體來說，當(dāng)玄武巖纖維體積率為0.20%時(shí)為最佳。

2.2.2 劈裂抗拉試驗(yàn)

普通混凝土的抗拉強(qiáng)度為2.87 MPa，在普通混凝土的基礎(chǔ)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(qiáng)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(jīng)過玄武巖纖維改性過的玄武巖纖維改性混凝土抗拉強(qiáng)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(qiáng)度

普通混凝土與玄武巖纖維混凝土均沿著中線位置發(fā)生劈裂，試件均出現(xiàn)一條未貫穿的主裂縫。在試驗(yàn)過程中，試件在劈裂抗拉試驗(yàn)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(xiàn)明顯變形，持續(xù)加載至極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，伴隨著脆響試件瞬時(shí)出現(xiàn)裂縫，且該裂縫迅速發(fā)展直至試件破壞。而玄武巖纖維混凝土在劈裂抗拉試驗(yàn)過程中，伴隨著持續(xù)加載，試件沿著中心線位置出現(xiàn)微小的裂縫，伴隨著脆響試件的裂縫迅速發(fā)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(shí)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(shí)，試件可較長時(shí)間保持自身強(qiáng)度，試件持續(xù)變形，最后發(fā)生破壞。

普通混凝土在加載至其極限荷載的瞬間發(fā)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(dá)到其極限荷載后堅(jiān)持了較短時(shí)間，又產(chǎn)生了一定的變形后才發(fā)生了破壞，玄武巖纖維體積率為0.50%的改性混凝土在達(dá)到其極限荷載后堅(jiān)持的時(shí)間更長且又產(chǎn)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(tài)如圖2所示。

3 玄武巖纖維混凝土破壞機(jī)理

3.1 抗壓破壞機(jī)理

玄武巖纖維較為細(xì)小，抗拉強(qiáng)度較高，摻入混凝土中彌補(bǔ)了混凝土中的空隙，增強(qiáng)了其黏結(jié)性，且在混凝土中均勻分布的玄武巖纖維會(huì)形成網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造系統(tǒng)，在試件中起到“筋骨”的作用，使混凝土各材料之間聯(lián)系更為緊密，從而提高混凝土整體結(jié)構(gòu)性能。

當(dāng)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)時(shí)，在初始階段，玄武巖纖維混凝土并不會(huì)出現(xiàn)明顯的橫向變形，此刻玄武巖纖維網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不會(huì)完全發(fā)揮作用；當(dāng)持續(xù)加載過程中，試件在縱向發(fā)生變形的同時(shí)，其橫向也會(huì)持續(xù)膨脹變形，并產(chǎn)生許多微小裂縫，這些微小裂縫隨著加載而不斷擴(kuò)大，試件最終發(fā)生破壞。在受壓破壞過程中，混凝土試件內(nèi)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(qiáng)度較高，當(dāng)試件發(fā)生橫向的膨脹變形時(shí)，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(fā)展，從而使混凝土試件的抗壓強(qiáng)度提高。

如圖3所示，摻入不同摻量的玄武巖纖維，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、應(yīng)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(qiáng)度的提高程度呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢(shì)。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(qiáng)度不斷增加；玄武巖纖維在體積率為0.10%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度取得最高值，此時(shí)玄武巖纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的提高達(dá)到了31.96%；之后，玄武巖纖維體積率在0.20%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)輕微的下降；當(dāng)試件中的玄武巖纖維體積率從0.20%到0.40%時(shí)，其抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(tài)下的應(yīng)變也呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢(shì)，體積率從0.05%到0.20%時(shí)，玄武巖纖維混凝土極限狀態(tài)下的應(yīng)變不斷增加，在體積率為0.20%時(shí)達(dá)到 了試件極限狀態(tài)下應(yīng)變的最大值，這時(shí)試件極限狀態(tài)下的應(yīng)變較普通混凝土增加了36.47%；當(dāng)玄武巖纖維體積率從0.20%到0.40%，試件極限狀態(tài)下的應(yīng)變不斷減小；當(dāng)玄武巖纖維體積率0.40%到0.50%，應(yīng)變基本保持不變，這時(shí)試件極限狀態(tài)下的應(yīng)變較普通混凝土僅增加了14%左右。在制作試件時(shí)，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(jié)團(tuán)，最終導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙率增大，并且隨著玄武巖纖維摻量的增多，結(jié)團(tuán)現(xiàn)象愈發(fā)明顯。故加載力時(shí)裂縫就會(huì)沿空隙發(fā)展，使試件更容易被破壞，從而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度回降。

3.2 抗拉破壞機(jī)理

分析得出，玄武巖纖維比較細(xì)小，且抗拉強(qiáng)度較高，摻入混凝土中，增強(qiáng)了其黏結(jié)性，而且均勻分布的玄武巖纖維，在混凝土中會(huì)形成類似于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)造，在材料中起到“筋骨”的作用，使混凝土各材料之間聯(lián)系的更為緊密，從而提高混凝土試件的整體結(jié)構(gòu)性能，限制微小裂縫的發(fā)展。在進(jìn)行試件的劈裂抗拉時(shí)，玄武巖纖維也會(huì)承受一部分拉應(yīng)力，直到被拉斷，玄武巖纖維較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度使得試件的劈裂抗拉強(qiáng)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(yīng)力的玄武巖纖維不斷變多，使混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度不斷提高。

4 結(jié)論

為了獲得試件單軸抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨玄武巖纖維體積摻量的變化規(guī)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(duì)象，對(duì)其力學(xué)性能、破壞形態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)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(qiáng)度呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，其中，在0.10%纖維摻量體積率時(shí)其抗壓強(qiáng)度取得最大值，玄武巖纖維混凝土較普通混凝土抗壓強(qiáng)度提高達(dá)31.96%。在試件的制作時(shí)，玄武巖纖維在混凝土中分布不均勻，易結(jié)團(tuán)，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙率增大，且隨著玄武巖纖維摻量的增多，結(jié)團(tuán)現(xiàn)象愈發(fā)明顯，故加載力時(shí)裂縫就會(huì)沿微孔隙發(fā)展，試件更易破壞，抗壓強(qiáng)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(qiáng)度均有所提高，其最大提升了31.36%。玄武巖纖維比較細(xì)小，且抗拉強(qiáng)度較高，玄武巖纖維的加入，在進(jìn)行試件的劈裂抗拉時(shí)，玄武巖纖維較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度使得試件的劈裂抗拉強(qiáng)度也不斷增加。