不同配合比下玄武巖纖維水泥砂漿的流動度及力學(xué)性能

占玉林， 林金根， 斯睿哲， 高文銀， 程學(xué)強(qiáng)

（1.西南交通大學(xué) 橋梁工程系，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 土木工程材料研究所，四川 成都 610031；3.四川康藏路橋有限責(zé)任公司，四川 雅安 625000）

玄武巖纖維是由火成巖在高溫熔融后利用鉑鍺合金拉絲工藝制成的連續(xù)纖維［1］。玄武巖纖維在抗拉強(qiáng)度以及與混凝土相容性方面和鋼纖維相似，但是具有顯著的耐腐蝕性和耐久性［2-4］。與碳纖維相比，玄武巖纖維抗拉強(qiáng)度接近碳纖維，但生產(chǎn)價格僅為碳纖維的1/8～1/6［5］。同時玄武巖纖維還是一種綠色環(huán)保材料，生產(chǎn)過程中無有害物質(zhì)排出，Kogan等［6］和Mconnell 等［7］在試驗中發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維對生物體無害，建議代替致癌的石棉纖維和玻璃纖維。目前有不少研究者考察了玄武巖纖維對混凝土的影響，且主要集中于流動性方面，大部分研究結(jié)果顯示，隨著玄武巖纖維體積分?jǐn)?shù)的增大，混凝土流動性降低。成濤華等［8］對不同長徑比和體積分?jǐn)?shù)的玄武巖纖維新拌混凝土的流動性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.2%時，纖維出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致流動性急劇下降。Sadrmomtazi 等［9］發(fā)現(xiàn)當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)為0.15%、硅灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時，新拌混凝土流動性最差，且纖維呈現(xiàn)團(tuán)聚狀。李建［10］研究表明，18mm 的玄武巖纖維混凝土的流動性好于12mm 的玄武巖纖維混凝土。趙碧華等［11］研究了玄武巖纖維長度以及體積分?jǐn)?shù)對水泥砂漿流動性的影響，結(jié)果表明，纖維體積分?jǐn)?shù)和流動性成反比，當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)相同時，18mm 纖維水泥砂漿的流動性優(yōu)于12mm。Ramakrishnan 等［12］研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)小于0.5%時，玄武巖纖維混凝土的韌性隨其體積分?jǐn)?shù)增加而增大。Sun 等［13］、Wang 等［14］和Ramesh 等［15］發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維可以顯著提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，并且抗拉強(qiáng)度隨纖維體積分?jǐn)?shù)的增加呈先上升后下降的趨勢，即存在最優(yōu)體積分?jǐn)?shù)。近年來，少數(shù)研究者開展了玄武巖纖維對水泥砂漿性能的影響研究。如唐明等［16］研究發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維能使水泥砂漿的7d抗折強(qiáng)度最高增長2.91倍，并且纖維在砂漿中分散良好，在某些斷面上仍有纖維連接，具有很好的抗裂性。何順愛等［17］測試了不同混摻情況下水泥砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，并利用壓汞法（MIP）測試水泥砂漿的孔結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示，雙摻的孔隙率降低率高于單摻；單摻時，體積分?jǐn)?shù)大于1.5%后抗折強(qiáng)度增長緩慢甚至出現(xiàn)倒退，雙摻的抗折強(qiáng)度隨體積分?jǐn)?shù)的增長而持續(xù)升高。

然而，針對玄武巖纖維增強(qiáng)水泥砂漿（Basalt Fiber Reinforced Cement Mortar，BFRCM）流動度和力學(xué)性能的研究主要集中在不同玄武巖纖維體積分?jǐn)?shù)，少數(shù)研究者還探索了混慘比例一定情況下不同長徑比玄武巖纖維對砂漿性能的影響，對于綜合考慮水灰比、減水劑用量和長短纖維的混摻比例等對BFRCM 的流動度及力學(xué)性能的影響研究較少，因此，本文通過考慮水灰比、長短纖維混摻比例及減水劑用量等來改變配合比，研究不同配合比下BFRCM 的流動度、抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度以及斷裂后BFRCM的斷裂韌性。

1 試驗

1.1 原材料

試驗采用2 種長徑比的玄武巖纖維，如圖1 所示，其物理力學(xué)性質(zhì)見表1。水泥、砂、水和減水劑分別為P.O42.5普通硅酸鹽水泥、河砂、自來水和高效聚羧酸減水劑，其中自來水為可以飲用的自來水。

表1 玄武巖纖維物理性能和力學(xué)性能Tab.1 Physical and mechanical properties of basalt fiber

圖1 玄武巖纖維Fig.1 Basalt fiber

1.2 試件制作

試驗制作了14 組砂漿試件，每組的水泥為600g，砂為1 200g，其他材料配合比見表2，編號為BiWjPkSl，其中B表示玄武巖纖維，W表示水灰關(guān)系，P表示減水劑，S表示長短纖維的關(guān)系，下標(biāo)i為玄武巖纖維體積分?jǐn)?shù)，%；j為水灰比；k為減水劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；l為短纖維體積與長短纖維體積之和的比例，%。試件尺寸為40mm×40mm×160mm，制備流程如下：先低速干拌水泥和砂30s；再加水慢攪1min，并停30s；邊加纖維邊慢攪1.5min；最后快攪40s。測完砂漿的流動度后，將其澆筑到試模內(nèi)，并在24h 后拆模。拆模后的試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度為（20±2）℃、相對濕度為95%）進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

表2 玄武巖纖維增強(qiáng)水泥砂漿的配合比Tab.2 Mixture proportions of BFRCM

1.3 試驗方法

根據(jù)《水泥膠砂流動度測定方法》（GB/T 2419—2005）采用跳桌設(shè)備進(jìn)行砂漿流動度的測定，砂漿抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法（ISO 法）》（GB/T 17671—2021）進(jìn)行，抗折強(qiáng)度采用三點彎曲進(jìn)行加載，跨距為100mm，加載速率為0.02mm·min-1，通過在跨中底部安裝位移傳感器（linear variable differential transformer，LVDT）測定跨中撓度，抗壓強(qiáng)度加載速率為2 kN·s-1。

2 結(jié)果與分析

2.1 流動度分析

圖2 顯示了砂漿流動度隨纖維體積分?jǐn)?shù)的變化，可以看出，纖維體積分?jǐn)?shù)越大，流動度越低。當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)為0.10%、0.20%、0.50%、0.75%、1.00%和1.25%時，與未摻纖維試樣相比，流動度分別降低了8.0%、16.9%、24.9%、32.9%、34.1%和41.3%。主要是因為纖維增加了其與水泥漿體的接觸面積以及水泥漿的內(nèi)部摩擦力，影響了砂漿的流動度。此外，隨著玄武巖纖維含量的提高，砂漿內(nèi)部的纖維間距減小，可能形成纖維搭接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步降低了砂漿的流動度［18］。

圖2 纖維體積分?jǐn)?shù)對玄武巖纖維增強(qiáng)水泥砂漿流動度的影響Fig.2 Effect of fiber contents on fluidity of BFRCM

圖3 為添加減水劑、改變水灰比后砂漿的流動度。可以看出，隨著減水劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，砂漿流動度逐漸增加，這是由于減水劑能夠降低水泥顆粒間的摩擦力從而提升砂漿流動度［19］。當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)為1.00%時，減水劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%和0.15%的砂漿流動度分別比無減水劑的砂漿提高了12.2%和14.0%，但過量的減水劑對流動度提升不大并且易造成離析現(xiàn)象。水灰比的增加也能有效提升砂漿流動度，當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)為1.00%的砂漿水灰比從0.4 提升到0.5 時，流動度提升了18.38%。這是因為砂漿中含水量的增加能夠增大水泥顆粒間的距離，使水泥顆粒及纖維分散性更好，從而增加砂漿流動度［20］。

圖3 減水劑和水灰比對玄武巖纖維增強(qiáng)水泥砂漿流動度的影響Fig.3 Effect of water reducer content and water to cement ratio on fluidity of BFRCM

將不同長短的玄武巖纖維進(jìn)行混摻會降低砂漿的流動性，不同混摻比例下砂漿的流動度如圖4 所示?？梢钥闯觯S著短纖維占比的增加，流動度逐漸降低。當(dāng)長纖維全部被短纖維替代時，流動度從12.9mm 降到11.45mm，下降了11.2%。這是因為相同質(zhì)量的短纖維比長纖維具有更大的比表面積，增加了BFRCM 內(nèi)部的摩擦力，導(dǎo)致砂漿流動度的損失。

圖4 纖維混摻對玄武巖纖維增強(qiáng)水泥砂漿流動度的影響Fig.4 Effect of hybrid long and short fibers on fluidity of BFRCM

2.2 抗壓強(qiáng)度分析

圖5顯示了玄武巖纖維體積分?jǐn)?shù)對3d和28d齡期BFRCM 抗壓強(qiáng)度的影響?？梢钥闯?，玄武巖纖維能夠在一定程度上提升3d齡期BFRCM的抗壓性能，其中纖維體積分?jǐn)?shù)為0.10%時，BFRCM的抗壓強(qiáng)度達(dá)到23.0 MPa，與未摻纖維對照組相比增長了15.6%，其對抗壓強(qiáng)度的提升效果最為顯著。纖維體積分?jǐn)?shù)超過0.10%后，砂漿抗壓性能沒有明顯提升。而對于28d 齡期，隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，BFRCM 的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先升后降的趨勢。纖維體積分?jǐn)?shù)為0.50%時達(dá)到最大抗壓強(qiáng)度46.6MPa，之后隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，砂漿的抗壓強(qiáng)度開始下降。玄武巖纖維在砂漿內(nèi)部形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在砂漿受壓過程中對橫向變形產(chǎn)生約束作用，從而提供增強(qiáng)效果［21-22］。然而纖維體積分?jǐn)?shù)過多時（＞0.50%），會導(dǎo)致纖維聚團(tuán)現(xiàn)象，同時纖維對砂漿流動度的負(fù)效應(yīng)增加了砂漿內(nèi)部的孔隙，從而增多了砂漿內(nèi)部的缺陷并降低了纖維的傳力作用，這就導(dǎo)致高纖維體積分?jǐn)?shù)情況下，BFRCM 抗壓性能的下降。

圖5 纖維體積分?jǐn)?shù)對玄武巖纖維增強(qiáng)水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of fiber contents on compressive strength of BFRCM

圖6展示了水灰比對BFRCM抗壓強(qiáng)度的影響。由圖6 可知，當(dāng)BFRCM 的水灰比從0.4 增加到0.5時，其抗壓強(qiáng)度變化不大，基本保持在相同水平。這說明在一定范圍內(nèi)，水灰比的變化對BFRCM 抗壓性能影響有限。

圖6 水灰比對玄武巖纖維增強(qiáng)水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of water to cement ratio on compressive strength of BFRCM

圖7給出了減水劑對BFRCM抗壓強(qiáng)度的影響?？梢钥闯?，減水劑的添加會導(dǎo)致砂漿抗壓強(qiáng)度下降。當(dāng)減水劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%時，砂漿的抗壓強(qiáng)度由43.6MPa 下降到38.3MPa，降幅為11.2%。然而當(dāng)減水劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加到0.15%時，BFRCM的抗壓強(qiáng)度沒有繼續(xù)下降，其大小與減水劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%的試樣相當(dāng)。這表明減水劑對BFRCM的抗壓性能有負(fù)面影響。

圖7 減水劑對玄武巖纖維增強(qiáng)水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的影響Fig.7 Effect of water reducer contents on compressive strength of BFRCM

圖8 為不同混摻比例對BFRCM 抗壓強(qiáng)度的影響。當(dāng)短纖維體積與長短纖維體積之和的比例小于50%時，BFRCM 抗壓強(qiáng)度隨短纖維占比的增加而增加。當(dāng)短纖維體積與長短纖維體積之和的比例為100%時，BFRCM 抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢，其抗壓強(qiáng)度與只摻長纖維的砂漿試樣基本相同。與單一長度纖維相比，長短纖維混摻能夠有效提升BFRCM 的抗壓性能。這是因為長短纖維分別對砂漿內(nèi)部產(chǎn)生的宏觀裂縫和微觀裂縫起限制作用，因此長短纖維混摻的協(xié)同作用能夠更有效地約束砂漿受壓過程中的變形從而增強(qiáng)其抗壓性能［23］。

圖8 纖維混摻對玄武巖纖維增強(qiáng)水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的影響Fig.8 Effect of hybrid long and short fibers on compressive strength of BFRCM

2.3 抗折強(qiáng)度分析

BFRCM 抗折強(qiáng)度隨纖維體積分?jǐn)?shù)的變化如圖9a 所示，3d抗折強(qiáng)度隨玄武巖纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而增加，與未摻纖維的對照組相比，B0.1、B0.2、B0.5、B0.75、B1和B1.25分別增加了16.4%、28.0%、30.1%、46.5%、47.3%和51.3%。其中，纖維體積分?jǐn)?shù)為0.10%～0.20%時，砂漿早期抗折強(qiáng)度顯著提高，而當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加時，其抗折性能的提升則相對緩慢。BFRCM 抗折性能的提升主要是通過纖維的橋接作用。玄武巖纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度，并且與砂漿中的水泥石有較好的黏結(jié)性，因此，在砂漿受到的荷載達(dá)到開裂荷載后，處于裂縫處的纖維能夠有效傳遞裂縫兩端基體間的荷載，并使開裂試樣繼續(xù)發(fā)揮作用，從而提升了砂漿的抗彎性能。28d抗折結(jié)果顯示，在纖維體積分?jǐn)?shù)不大于0.20%時，砂漿抗折性能仍呈顯著增長趨勢，然而當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加時，玄武巖纖維對砂漿抗折性能的提升效果有限。這是因為纖維體積分?jǐn)?shù)過大時，由于其比表面積增加并且易聚團(tuán)，導(dǎo)致水泥漿對纖維的包裹效果不佳，從而影響了纖維與基體間的黏結(jié)力，導(dǎo)致砂漿抗折性能不能隨纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而持續(xù)增長。圖9b 展示了BFRCM 的荷載-位移曲線?？梢钥闯?，不含纖維以及纖維體積分?jǐn)?shù)為0.10%的試樣達(dá)到開裂荷載后荷載迅速降低，說明其斷裂呈脆性特征。而隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，試樣在達(dá)到峰值荷載后強(qiáng)度損失變緩，表明其韌性和抗折強(qiáng)度得到了改善。當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)較少時（＜0.20%），試樣產(chǎn)生開裂后，由于纖維橋接作用不足，無法有效抑制外部荷載導(dǎo)致的砂漿基體裂縫擴(kuò)展，因此試樣承載力急劇降低。當(dāng)砂漿中纖維含量較高時，BFRCM 開裂后纖維的橋接作用明顯，并且限制了裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展，在裂縫擴(kuò)展過程中，參與橋接作用的纖維逐漸增多，從而使荷載下降速度減緩。

圖9 纖維體積分?jǐn)?shù)對玄武巖纖維增強(qiáng)水泥砂漿抗折強(qiáng)度的影響Fig.9 Effect of fiber contents on bending strength of BFRCM

圖10a 給出了不同水灰比對BFRCM 抗折性能的影響。隨著BFRCM 水灰比的增加，其抗折強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)試樣水灰比從0.4提高到0.5時，其抗折強(qiáng)度降低20%。圖10b 為不同水灰比下BFRCM荷載-位移曲線。BFRCM 荷載-位移曲線上升階段的斜率隨著水灰比的增加而減小。該現(xiàn)象與水泥材料基體的剛度有關(guān)，水泥材料的剛度隨著水灰比的增加而降低。當(dāng)水灰比過大時，混合料中的自由水體積增大，增加了水泥石結(jié)構(gòu)中的孔隙導(dǎo)致其微結(jié)構(gòu)趨向疏松從而降低了材料剛度，同時水泥石疏松的微結(jié)構(gòu)使高水灰比試樣的開裂荷載降低［24］。另一方面，隨著水灰比的增加，在試樣達(dá)到峰值荷載后荷載的下降速度減緩，該現(xiàn)象表明纖維的橋接作用隨水灰比的增加而增強(qiáng)。

圖10 水灰比對玄武巖纖維增強(qiáng)水泥砂漿抗折強(qiáng)度的影響Fig.10 Effect of water to cement ratio on bending strength of BFRCM

BFRCM 抗折強(qiáng)度隨減水劑用量的變化如圖11a所示，可以看出，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%的減水劑后，BFRCM 的抗折強(qiáng)度略有提高。這是因為添加減水劑后BFRCM 的流動度有所提升，改善漿體對纖維的包裹效果，增強(qiáng)纖維與基體間的黏結(jié)性能。然而，當(dāng)減水劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.15%時，砂漿抗折強(qiáng)度明顯下降。這可能與減水劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的試樣出現(xiàn)離析現(xiàn)象有關(guān)，導(dǎo)致水泥漿體與纖維分散不均勻，削弱了纖維的橋接作用，從而使其抗折性能產(chǎn)生劣化。如圖11b 所示，隨著減水劑用量的增加，BFRCM 的峰值位移逐漸減小，表明BFRCM的韌性隨著減水劑的增加而降低。

圖11 減水劑對玄武巖纖維增強(qiáng)水泥砂漿抗折強(qiáng)度的影響Fig.11 Effect of water reducer content on bending strength of BFRCM

圖12a為長短纖維混摻下BFRCM的抗折性能?？梢钥闯?，隨著短纖維比例的增加，BFRCM 的抗折強(qiáng)度呈先升后降的趨勢。短纖維體積與長短纖維體積之和的比例為50%時，抗折強(qiáng)度最高，與100%摻加長纖維的試樣相比增加了12.2%。然而，當(dāng)短纖維體積與長短纖維體積之和的比例為100%時，砂漿的抗折強(qiáng)度顯著下降。砂漿中的短纖維能夠有效限制其內(nèi)部微裂縫的萌生與擴(kuò)展，而長纖維則對相對較大的裂縫起到橋接作用。當(dāng)利用長短纖維混摻的方法增強(qiáng)砂漿的抗折性能時，長纖維和短纖維能夠?qū)Σ煌叨鹊牧芽p進(jìn)行約束和橋接，從而減緩裂縫擴(kuò)展。相反，當(dāng)只摻短纖維時，對宏觀裂縫的限制以及橋接作用極為有限，因此對抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)效果并不明顯。圖12b表明，在不同混摻比例下，不同試樣的荷載-位移曲線差異主要在于峰值荷載的差異，而曲線線型的差異較小。

圖12 纖維混摻對玄武巖纖維增強(qiáng)水泥砂漿抗折強(qiáng)度的影響Fig.12 Effect of hybrid long and short fibers on compressive of BFRCM

2.4 斷裂性能分析

玄武巖纖維對水泥砂漿抗折性能的提升主要是通過其橋接作用減緩荷載作用下裂縫的擴(kuò)展從而提高砂漿的韌性。為進(jìn)一步分析玄武巖纖維對水泥砂漿抗折性能的影響，采用Fantilli 等［25］提出的斷裂性能分析方法，量化分析BFRCM 荷載-位移曲線峰值荷載后的性能特性。首先將BFRCM達(dá)到峰值荷載后的荷載進(jìn)行歸一化處理作為縱坐標(biāo)，然后將峰值荷載后的位移（δ）與峰值荷載位移（δp） 的差值作為橫坐標(biāo)繪制峰后曲線（如圖13）。根據(jù)BFRCM 荷載-位移曲線特性將橫坐標(biāo)中位移差（δ-δp）的最大值取0.2mm。峰后曲線與坐標(biāo)軸所圍成的面積（A）與抗折強(qiáng)度的乘積可定義為砂漿峰值荷載后的斷裂韌性參數(shù)（Gf），可用來量化分析試樣的斷裂性能［25］。在所有試樣中，未摻玄武巖纖維和纖維體積分?jǐn)?shù)為0.10%的試樣其荷載達(dá)到峰值后迅速下降，導(dǎo)致參數(shù)A與Gf趨近于零，說明這些試樣發(fā)生了脆性斷裂，難以對其峰值荷載后的性能進(jìn)行量化分析。

圖13 斷裂韌性參數(shù)計算示意Fig.13 Parameters for fracture toughness index calculation

圖14為不同纖維體積分?jǐn)?shù)的BFRCM斷裂韌性參數(shù)?？梢钥闯?，隨著水泥砂漿中纖維體積分?jǐn)?shù)從0.20% 提高到0.75%，Gf顯著增加，其增幅為188.0%。這說明在適宜的纖維體積分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)（＜0.75%），纖維的橋接作用能夠有效提升試樣的斷裂韌性。但是當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)超過0.75%后，Gf增長緩慢，并在1.00%時達(dá)到峰值（Gf=1.463），之后呈下降趨勢。這可能是因為過高的纖維體積分?jǐn)?shù)導(dǎo)致試樣流動性降低，纖維分散性變差，并產(chǎn)生聚團(tuán)現(xiàn)象，從而影響了纖維的橋接效果。

圖14 纖維體積分?jǐn)?shù)對玄武巖纖維增強(qiáng)水泥砂漿斷裂韌性參數(shù)的影響Fig.14 Effect of fiber contents on fracture toughness index of BFRCM

圖15 為不同水灰比的BFRCM 斷裂韌性參數(shù)。由圖中可見，當(dāng)水灰比從0.40 增加到0.45 時，Gf提升了107.5%，然而繼續(xù)提高水灰比，Gf變化不大。這說明較低的水灰比使纖維與基體間黏結(jié)力過強(qiáng)，導(dǎo)致試樣發(fā)生斷裂時纖維易隨著裂縫的開展發(fā)生斷裂而降低橋接效果。而較高的水灰比使纖維與基體間黏結(jié)力適中，有利于纖維在基體斷裂瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒影纬龆l(fā)揮橋接作用。但當(dāng)水灰比繼續(xù)增加時，Gf變化不大，這可能是因為過高的水灰比導(dǎo)致基體微結(jié)構(gòu)松散而影響強(qiáng)度，但不影響試樣開裂后的斷裂韌性。

圖15 水灰比對玄武巖纖維增強(qiáng)水泥砂漿斷裂韌性參數(shù)的影響Fig.15 Effect of water to cement ratio on fracture toughness index of BFRCM

圖16顯示了不同減水劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的BFRCM斷裂韌性參數(shù)?？梢钥闯?，減水劑的添加導(dǎo)致了Gf的降低，其原因與水灰比的影響類似，減水劑增加了水泥漿體的流動性從而使?jié){體對纖維的包裹性變好，增強(qiáng)了纖維與基體間的黏結(jié)力，導(dǎo)致基體斷裂時纖維斷裂而非滑動拔出的概率增加，從而降低了橋接效果。

圖16 減水劑對玄武巖纖維增強(qiáng)水泥砂漿斷裂韌性參數(shù)的影響Fig.16 Effect of water reducer contents on fracture toughness index of BFRCM

圖17 為不同混摻比例的BFRCM 斷裂韌性參數(shù)。可以看出，與抗折強(qiáng)度先升后降的趨勢不同，Gf隨著短纖維含量的增加而逐漸降低。這與長短纖維對基體增強(qiáng)作用的差異有關(guān)。當(dāng)試樣達(dá)到峰值荷載后，基體裂縫尺寸較大，短纖維對宏觀裂縫的橋接效果差導(dǎo)致基體宏觀開裂后Gf值隨著短纖維占比的增加而減小。然而在短纖維體積與長短纖維體積之和的比例為50%及以下時，其抗折強(qiáng)度持續(xù)提升（圖12），這說明長短纖維混摻時產(chǎn)生的協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)主要作用于試樣到達(dá)峰值荷載前。隨著荷載的增加，基體中會開始產(chǎn)生微裂縫而沒有明顯的宏觀裂縫，在這種情況下，短纖維能夠有效地約束微裂縫的擴(kuò)展，提升其抗折性能。在試樣達(dá)到峰值荷載后，長纖維對宏觀裂縫的橋接作用明顯大于短纖維，從而提升峰值荷載后BFRCM的韌性。

圖17 纖維混摻對玄武巖纖維增強(qiáng)水泥砂漿斷裂韌性參數(shù)的影響Fig.17 Effect of hybrid long and short fibers on fracture toughness index of BFRCM

3 結(jié)論

（1）BFRCM 的流動度隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而降低。通過增大水灰比以及添加減水劑均會使BFRCM 的流動度增加。而長短纖維的混摻對BFRCM 的流動度有負(fù)面影響，短纖維比例的增加會導(dǎo)致試樣流動度下降。

（2）增大水灰比對BFRCM 的抗壓強(qiáng)度影響不顯著，同時會降低其抗折強(qiáng)度，而添加減水劑對BFRCM 的抗壓和抗折強(qiáng)度影響較小，過高的減水劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對玄武巖纖維的增強(qiáng)效果產(chǎn)生負(fù)面影響。長短纖維混摻能夠在水泥基體產(chǎn)生宏觀破壞前顯著地提升其抗壓、抗折性能，長短纖維的協(xié)同作用對BFRCM 有明顯的增強(qiáng)作用，然而過多的短纖維占比會減弱玄武巖纖維對BFRCM的增強(qiáng)效果。

（3）試樣開裂后的斷裂韌性受水灰比的影響較大，水灰比越高，斷裂韌性越強(qiáng)。添加減水劑對試樣的增韌效果不明顯。當(dāng)長短纖維混摻時，短纖維對宏觀裂縫的橋接作用有限，因此短纖維比例越高，斷裂韌性越低。

作者貢獻(xiàn)聲明：

占玉林：提出研究主題與論文思路。

林金根：實驗開展與數(shù)據(jù)整理分析，論文撰寫與修訂。

斯睿哲：實驗監(jiān)管與指導(dǎo)，結(jié)果驗證與核實，提出論文框架與論文修改。

高文銀：技術(shù)咨詢。

程學(xué)強(qiáng)：文字校對，稿件修訂。