玄武巖纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的作用機(jī)理研究

文章通過(guò)形態(tài)破壞和力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了摻玄武巖纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度的影響規(guī)律。結(jié)果表明：增大玄武巖纖維摻量會(huì)導(dǎo)致混凝土密實(shí)度先增加后減小，抗壓強(qiáng)度也表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，而劈拉強(qiáng)度則表現(xiàn)出逐漸上升趨勢(shì)；體積摻量達(dá)到0.2%時(shí)的抗壓強(qiáng)度最大，達(dá)到0.6%時(shí)的劈拉強(qiáng)度最高。研究結(jié)果為結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計(jì)以及解決低溫或寒冬地區(qū)混凝土凍害問(wèn)題提供參考。

玄武巖纖維；抗壓強(qiáng)度；劈拉強(qiáng)度；作用機(jī)理；混凝土

U414.1A040114

基金項(xiàng)目：

廣西重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“雙層濕-濕連接水泥混凝土復(fù)合式路面研究”（編號(hào)：桂科AB20159036）

作者簡(jiǎn)介：

萬(wàn)發(fā)明（1985—），碩士，高級(jí)工程師，主要從事道路工程設(shè)計(jì)和施工工作。

0" 引言

在夜晚低溫或寒冷地區(qū)，混凝土構(gòu)筑物常常面臨著凍害的威脅，由于凍害現(xiàn)象的頻繁發(fā)生，工程結(jié)構(gòu)可能會(huì)過(guò)早發(fā)生破壞倒塌［1］。這是因?yàn)閮鼋Y(jié)作用下混凝土中的水分會(huì)發(fā)生相變形成膨脹應(yīng)力，加之基體內(nèi)毛細(xì)水運(yùn)動(dòng)造成的液體壓力易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的破壞［2］。而摻加纖維可以有效改善凍害情況，因具有抗裂性好、耐腐蝕性強(qiáng)、性價(jià)比和抗拉強(qiáng)度高等特點(diǎn)，玄武巖纖維逐漸成為實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用的材料。在寒冷地區(qū)或冬季施工中，道路和橋梁等交通基礎(chǔ)設(shè)施亦經(jīng)常受到凍害的影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞和維護(hù)成本增加。通過(guò)摻入玄武巖纖維的混凝土，可以提高混凝土抗壓和劈拉強(qiáng)度，從而增強(qiáng)交通基礎(chǔ)設(shè)施的耐久性和抗凍性能。

我國(guó)諸多學(xué)者從不同角度深入探究了玄武巖纖維，如王瑞珍等［3］認(rèn)為摻入適量玄武巖纖維能夠提高混凝土抗折、抗壓強(qiáng)度和抗凍性能；李智睿等［4］通過(guò)試驗(yàn)表明，混凝土受鹽凍侵蝕的損傷要高于清水凍融，纖維能夠降低鹽凍條件下的基體強(qiáng)度衰減速率，大大提升其強(qiáng)度和耐久性；王海龍等［5］研究表明水環(huán)境會(huì)降低混凝土的抗壓強(qiáng)度及開(kāi)裂應(yīng)力，而孔隙水壓力將加速裂紋的擴(kuò)展及試件損傷；段運(yùn)等［6］研究了負(fù)溫條件下混凝土抗?jié)B性及孔結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)負(fù)溫環(huán)境會(huì)增大孔徑，降低材料的抗?jié)B性；Zeng等［7］通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)觀察和力學(xué)性能試驗(yàn)，研究了單面鹽凍干濕循環(huán)對(duì)混凝土抗壓及劈拉強(qiáng)度的劣化作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其力學(xué)性能與孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)；甘磊等［8］認(rèn)為在混凝土內(nèi)部玄武巖纖維發(fā)揮著橋接傳力作用，可以延緩硫酸鹽侵蝕下表層水泥漿體脫落，其相對(duì)質(zhì)量增長(zhǎng)率隨侵蝕齡期的延長(zhǎng)逐漸放緩。雖然在普通混凝土中摻入玄武巖纖維可以形成綜合性能更優(yōu)的新型材料，但進(jìn)一步研究其力學(xué)特性及配比優(yōu)化設(shè)計(jì)的較少。因此，本文通過(guò)試驗(yàn)探討了體積摻量分別為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%和0.6%的玄武巖纖維對(duì)混凝土基體強(qiáng)度及破壞形態(tài)的影響，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出最優(yōu)摻量，以期為交通基礎(chǔ)設(shè)施工程結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計(jì)以及解決低溫或寒冷地區(qū)混凝土凍害問(wèn)題提供參考。

1" 試驗(yàn)方案

1.1" 配合比設(shè)計(jì)

考慮混凝土使用環(huán)境條件、配合比設(shè)計(jì)規(guī)范和原材料特性，確定設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40，設(shè)計(jì)纖維摻量分別為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%和0.6%，其中摻量0屬于基準(zhǔn)對(duì)照組普通混凝土。各原材料用量見(jiàn)表1。

1.2" 試驗(yàn)方法

（1）在試件制作之前，一般要將簇狀玄武巖纖維打散才能使用，然后在稱量好的河砂中加入玄武巖纖維并攪拌均勻，使用振搗棒振動(dòng)和手工揉搓的方式使玄武巖纖維充分離散，通過(guò)河砂的摩擦力使其均勻分布于細(xì)骨料內(nèi)。

（2）將稱量好的水泥、碎石、水、減水劑等原材料依次放入攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，直至攪拌均勻形成均勻混合物。采用直徑為50 mm×高為100 mm、直徑為50 mm×高為50 mm兩種規(guī)格的模具，并確保模具干凈、平整，在內(nèi)壁涂上薄層油或潤(rùn)滑劑，以防止混凝土粘附。把攪拌好的拌和物分次倒入模具中，填充至模具頂部，避免出現(xiàn)空隙，可以使用振搗棒充分振搗以排出混凝土中的氣泡，提高密實(shí)度；選用刮板修整表面，使其平整并與邊緣齊平。在模具上注明相應(yīng)的標(biāo)記信息，如試塊編號(hào)、澆筑時(shí)間等。根據(jù)養(yǎng)護(hù)要求，采用塑料薄膜覆蓋帶模試塊表面，以防止水分的過(guò)早流失，一般室溫條件下的帶模養(yǎng)護(hù)時(shí)間為24 h，使其逐漸凝固硬化。

（3）在室溫養(yǎng)護(hù)24 h達(dá)到一定強(qiáng)度后，拆除模具。該過(guò)程要小心地進(jìn)行拆卸，以防對(duì)試塊造成損傷。然后把脫模后的試塊放入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)至28 d，完成養(yǎng)護(hù)后取出進(jìn)行切割打磨，以備后續(xù)試驗(yàn)使用。

采用體積摻量分別為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%以及0.6%的玄武巖纖維混凝土試件，每種摻量制備5個(gè)試件，共計(jì)70個(gè)。研究選用35個(gè)100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件進(jìn)行劈裂抗拉測(cè)試，選取直徑50 mm×高100 mm的圓柱體試件進(jìn)行單軸抗壓測(cè)試。試件外觀形式如圖1所示。

（a）劈裂抗拉試件

（b）單軸抗壓試件

2" 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1" 物理指標(biāo)分析

試驗(yàn)測(cè)試不同摻量下，各組試件在自然狀態(tài)的密度、質(zhì)量和縱波波速。主要物理參數(shù)見(jiàn)表2。

由表2可知，隨著纖維體積摻量的增加，試件密度整體呈小幅下降趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谥谱鬟^(guò)程中，由于操作不當(dāng)使得纖維的分散性較差，從而形成一定的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，這些結(jié)團(tuán)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部孔隙率增加，從而影響試件的整體密度。然而，這個(gè)密度減小的差異一般很小，且不會(huì)顯著改變混凝土的性能［9-10］。另外，纖維的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象隨著摻量的增加更加明顯，但其對(duì)試件密度的影響有限，纖維摻量的最大變化量所引起的密度改變不超過(guò)3%，且玄武巖纖維摻量對(duì)試件縱波坡度的影響可以忽略不計(jì)。

2.2" 抗壓強(qiáng)度分析

纖維摻量分別為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%及0.6%時(shí)制備的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表3，抗壓破壞形式如圖2所示。

根據(jù)表3試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)，J1～J6組試件強(qiáng)度依次分別為54.88 MPa、57.70 MPa、56.62 MPa、52.51 MPa、46.08 MPa和46.95 MPa，摻玄武巖纖維組試件相比于基準(zhǔn)對(duì)照組試件的強(qiáng)度（43.91 MPa）分別增加24.98%、31.41%、28.95%、19.59%、4.94%、6.92%。極限狀態(tài)下，摻量分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%及0.6%時(shí)制備的混凝土試塊應(yīng)變依次分別為3.86×10-3、4.25×10-3、4.52×10-3、4.17×10-3、3.75×10-3和3.81×10-3，摻玄武巖纖維組試件相比于基準(zhǔn)對(duì)照組試件的應(yīng)變（3.36×10-3）分別增加14.88%、26.49%、34.52%、24.11%、11.61%、13.39%。

通過(guò)觀察試件破壞形態(tài)，摻玄武巖纖維組與基準(zhǔn)對(duì)照組試件均發(fā)生了剪切破壞，在試驗(yàn)過(guò)程中基準(zhǔn)組試件的裂縫發(fā)展快、破碎程度高，在一瞬間發(fā)生破壞。摻玄武巖纖維混凝土試件的裂縫發(fā)展速度相對(duì)減慢，試驗(yàn)過(guò)程中能夠看到裂縫的擴(kuò)張過(guò)程，因內(nèi)部纖維承擔(dān)了一定拉力作用，其破碎程度相對(duì)較低，且破碎后較完整，其完整度隨玄武巖纖維摻量的增加而降低，尤其是摻量達(dá)到0.5%～0.6%時(shí)的完整度較好，試件被破碎成多個(gè)小塊，整體破碎程度也較低。

從圖3可以看出，初期隨著纖維摻量增加，混凝土的強(qiáng)度和應(yīng)變性能得到增強(qiáng)，即纖維能有效地抵抗裂紋擴(kuò)展，從而延緩試件的破壞。然而，過(guò)多的纖維會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部構(gòu)造的不均勻性增加，甚至影響到混凝土的流動(dòng)性和成型性。具體而言，纖維摻量為0.2%時(shí)的強(qiáng)度最高，與基準(zhǔn)組相比提高31.41%；持續(xù)增大纖維摻量至0.3%時(shí)試件強(qiáng)度有所下降，從0.3逐漸增加到0.5%時(shí)試件強(qiáng)度持續(xù)降低，并且降幅逐漸增加，進(jìn)一步增加纖維摻量達(dá)到0.5%和0.6%時(shí)的強(qiáng)度相差不大。

極限狀態(tài)下試件的應(yīng)變隨玄武巖纖維體積摻量的增加也表現(xiàn)出先上升后降低的變化規(guī)律。纖維摻量從0.1%增大到0.3%時(shí)，試件的應(yīng)變逐漸提高，摻量為0.3%時(shí)的應(yīng)變達(dá)到最大，此時(shí)的應(yīng)變相較于基準(zhǔn)對(duì)照組提高34.52%；從0.3%持續(xù)增大纖維摻量至0.5%，極限狀態(tài)下試件的應(yīng)變逐漸降低；纖維摻量從0.5%增大到0.6%，對(duì)應(yīng)的試件應(yīng)變未發(fā)生明顯改變，此時(shí)相較于基準(zhǔn)對(duì)照組的應(yīng)變近提高13.39%。由于試件制作過(guò)程中可能存在玄武巖纖維分布不均問(wèn)題，使得纖維極易結(jié)團(tuán)，增大內(nèi)部孔隙率，并且這種結(jié)團(tuán)現(xiàn)象隨纖維摻量的增加更加明顯。因此，裂縫在荷載作用下容易沿空隙快速擴(kuò)展，使得抗壓強(qiáng)度下降更易引起破壞。

總體上，體積摻量為0.2%和0.3%時(shí)玄武巖纖維的增強(qiáng)效果最好，其中摻0.2%玄武巖纖維時(shí)試件強(qiáng)度達(dá)到最高，而摻0.3%玄武巖纖維時(shí)試件的極限應(yīng)變達(dá)到最高。由于玄武巖纖維體積摻量為0.2%與0.3%時(shí)的強(qiáng)度相差不大，綜合考慮強(qiáng)度和應(yīng)變確定其最優(yōu)體積摻量為0.3%。

2.3" 劈拉強(qiáng)度分析

纖維摻量分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%及0.6%時(shí)制備的混凝土28 d劈拉強(qiáng)度見(jiàn)表4，劈拉破壞形式如圖4所示。

由表4可知，摻量分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%及0.6%時(shí)制備的混凝土28 d劈拉強(qiáng)度依次為3.17 MPa、3.45 MPa、3.66 MPa、3.72 MPa、3.78 MPa和3.86 MPa，摻玄武巖纖維組試件相比于基準(zhǔn)對(duì)照組試件的強(qiáng)度（2.91 MPa）分別增加8.93%、18.56%、25.77%、27.84%、29.90%、32.65%，隨纖維摻量的增加劈拉強(qiáng)度呈不斷上升趨勢(shì)。

試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在加載初期基準(zhǔn)組試件表現(xiàn)出較少的變形，直到達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，突然出現(xiàn)裂縫，并伴隨脆響迅速擴(kuò)展至破壞，這表明試件具有較低的延展性，一旦出現(xiàn)裂縫，破壞過(guò)程非常迅速。

相比之下，摻入玄武巖纖維的試件在劈拉過(guò)程中表現(xiàn)出不同的破壞特征，例如摻0.3%纖維試件在極限荷載下表現(xiàn)出較短時(shí)間的自身強(qiáng)度保持，這表明纖維在一定程度上延緩了裂紋擴(kuò)展的速度，試件發(fā)生一定程度的變形，然后才發(fā)生破壞。當(dāng)摻量增至0.6%時(shí)，試件強(qiáng)度保持時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，在達(dá)到極限荷載后經(jīng)歷更大的變形，才最終發(fā)生破壞，這表明增加纖維摻量能夠顯著提高混凝土的延展性和耐久性，使得試件在承受極限荷載時(shí)能夠更長(zhǎng)時(shí)間地維持自身結(jié)構(gòu)完整性。

2.4" 纖維的增強(qiáng)阻裂作用機(jī)理

摻0.2%玄武巖纖維混凝土裂縫如圖5所示，從圖5可以看出，玄武巖纖維的直徑小且抗拉強(qiáng)度高，可以填補(bǔ)內(nèi)部的微觀空隙，增加基體的密實(shí)性和黏結(jié)性。另外，均勻分布的纖維形成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以使得混凝土試件內(nèi)部各種材料間形成更緊密的聯(lián)系，有利于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性能。在單軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程中，試件初始加載時(shí)，由于加載還不足以引起顯著應(yīng)力集中或裂紋擴(kuò)展，試件主要表現(xiàn)出縱向變形，而橫向變形較少，這是因?yàn)樾鋷r纖維尚未完全發(fā)揮作用，其抗拉強(qiáng)度并未充分發(fā)揮出來(lái)，因此未能有效地約束試件的橫向變形。隨著加載的持續(xù)進(jìn)行，試塊開(kāi)始發(fā)生縱向變形，同時(shí)伴隨著試件的橫向膨脹變形，這時(shí)玄武巖纖維的作用逐漸顯現(xiàn)，在試件內(nèi)部承擔(dān)橫向膨脹變形的部分應(yīng)力，這種約束作用有助于抑制橫向變形和微小裂縫的擴(kuò)展，在一定程度上保持試件的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。當(dāng)試件接近破壞時(shí)，橫向膨脹變形變得更加顯著，而玄武巖纖維能夠承擔(dān)橫向膨脹過(guò)程中的應(yīng)力，從而減緩微小裂縫的擴(kuò)展速度，即纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度，能夠有效地約束試件的橫向變形，防止裂紋過(guò)早擴(kuò)展，最終提高試件的抗壓強(qiáng)度。

（a）

（b）

玄武巖纖維的阻裂作用機(jī)制主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：摻入的纖維可以在混凝土中均勻分散，在纖維之間形成一種交織的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以有效地抑制裂紋的擴(kuò)展，使得裂紋無(wú)法迅速傳播，從而提高試件的抗裂性能。此外，纖維本身具有較高的抗拉強(qiáng)度，在試件受到拉應(yīng)力時(shí)能夠承擔(dān)一部分拉力，從而有效阻止裂紋的擴(kuò)展，延緩試件的破壞過(guò)程。同時(shí)，纖維本身具有一定的延展性，在一定程度上進(jìn)行變形，吸收外部作用力，提高試件的耐久性和韌性。因此，控制玄武巖纖維的摻量可以調(diào)節(jié)其在混凝土中形成的網(wǎng)絡(luò)密度和作用效果，適當(dāng)?shù)膿搅靠梢宰畲蠡浞懒押驮鰪?qiáng)作用，使得試件的劈拉強(qiáng)度達(dá)到最佳狀態(tài)。然而，過(guò)高的纖維摻量可能導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻性問(wèn)題，從而影響到阻裂性能表現(xiàn)，在工程實(shí)踐中需要進(jìn)行綜合考慮和優(yōu)化。

3" 結(jié)語(yǔ)

（1）隨著纖維體積摻量的增加，混凝土密度整體呈小幅下降趨勢(shì)，且這個(gè)密度減小的差異一般很小，不會(huì)顯著改變混凝土的性能。

（2）增加玄武巖纖維摻量會(huì)使混凝土抗壓強(qiáng)度先增加后減小，并且纖維摻量增大到0.2%時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)相較于基準(zhǔn)對(duì)照組增大31.41%，進(jìn)一步增大摻量至0.3%時(shí)的強(qiáng)度有所下降。這是因?yàn)樵嚰谱鬟^(guò)程中可能存在玄武巖纖維分布不均問(wèn)題，使得纖維極易結(jié)團(tuán)，增大內(nèi)部孔隙率，且這種結(jié)團(tuán)現(xiàn)象隨纖維摻量的增加更加明顯。因此，內(nèi)部裂縫在荷載作用下容易沿空隙快速擴(kuò)展，使得抗壓能力下降更易引起破壞。

（3）混凝土劈拉強(qiáng)度隨玄武巖纖維摻量的增加逐漸增加，摻量為0.6%時(shí)的劈拉強(qiáng)度相比于基準(zhǔn)對(duì)照組增大32.65%。這是由于玄武巖纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度和較小的直徑，摻入后可以形成類(lèi)似網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，抑制細(xì)微裂縫的發(fā)展，且纖維承受了一部分的拉應(yīng)力，由于具有較高的抗拉強(qiáng)度，使得混凝土劈拉強(qiáng)度明顯提升。

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20240420