玄武岩纤维混凝土力学性能试验研究

刘泮森，魏书华，李秉千

（1．河北科技大学建筑工程学院，河北石家庄 050018；2．河北省高速公路管理局，河北石家庄050031）



玄武岩纤维混凝土力学性能试验研究

刘泮森1，魏书华1，李秉千2

（1．河北科技大学建筑工程学院，河北石家庄 050018；2．河北省高速公路管理局，河北石家庄050031）

摘 要：为提高混凝土的抗弯拉性、抗冲击性和耐磨性，在混凝土中添加玄武岩纤维，制成玄武岩纤维混凝土。对不同水灰比、不同玄武岩纤维含量的10种常用配合比混凝土，开展了水泥混凝土立方体抗压强度试验、抗弯拉强度试验、断裂能试验和耐磨性试验，研究了玄武岩纤维含量对混凝土抗压强度、抗弯强度、断裂能和耐磨性的影响。结果表明：添加2～4kg／m3的玄武岩纤维，混凝土的抗弯强度增加4％～13％，断裂能增加23％～138％，磨耗值降低2％～18％，混凝土抗压强度下降4％～18％。

关键词：建筑材料其他学科；玄武岩纤维；耐磨性；强度；断裂能；孔隙率

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刘泮森，魏书华，李秉千．玄武岩纤维混凝土力学性能试验研究［J］．河北工业科技，2016，33（2）：126－131．

LIU Pansen，WEI Shuhua，LI Bingqian．Experimental investigation of mechanical properties of basalt fiber reinforced concrete［J］．Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2016，33（2）：126－131．

在混凝土中增加石棉、纤维素、钢铁、聚丙烯等纤维制品，可以改善混凝土的力学特性，提高混凝土拉伸强度、弯曲强度、冲击强度和韧性，控制开裂和破坏的模式，提高耐久性［1－3］。

纤维的使用可大大增加水泥基材料的韧性和能量吸收能力［4－10］。加入钢纤维和聚丙烯纤维之后混凝土由脆性材料转变为可弯曲韧性塑性材料［11－13］。然而它们的抗压和抗弯强度并没有显著提高。钢纤维的不同长度和纵横比对混凝土的韧性产生影响，对于给定的长宽比，弯曲韧性随着纤维体积百分率的增加而增加。对于给定的体积百分率，随着纵横比的增加混凝土的弯曲韧性也增加［8－9］。

玄武岩是火成岩，在强度、耐温、耐久性方面表现良好。玄武岩纤维是玄武岩岩石熔化过程中得到的，比无碱玻璃纤维有更大的抗拉强度，比碳纤维有更大的破坏应变，对化学腐蚀、冲击载荷有良好的抵抗能力，耐火性良好，且较为环保［10］，可替代钢纤维、玻璃纤维和碳纤维［4－5］。但目前对于玄武岩纤维混凝土力学特性的研究尚不够深入。

本文对10种水灰比不同、玄武岩纤维含量不同常用配合比的混凝土开展了抗压强度、抗弯强度、断裂能和耐磨性试验，旨在评价掺入含量（2kg／m3，4 kg／m3）和长度（12，24mm）的玄武岩纤维后，水灰比分别为0．60和0．45的混凝土新拌和硬化后的性能。通过耐磨性、抗压强度、抗弯强度和断裂能等各项试验来评价玄武岩纤维对混凝土的影响。

1 试验研究

1．1 原材料和混凝土配方

本研究使用的材料包括石灰石粗骨料（表观密度为2 715kg／m3）、天然河砂（表观密度为2 575 kg／m3）、石灰石机制砂（表观密度为2 650kg／m3）、水泥、化学外加剂和玄武岩纤维。粗骨料、天然河砂和石灰石机制砂的最大粒径分别是16，2．36，4．75mm。

本研究采用的水泥是42．5R硅酸盐水泥，其技术指标符合国家标准。使用了不同含量的减水剂，保证混凝土的坍落度在（13±3）cm的范围内。

玄武岩纤维的密度为2．85g／cm3，长度为12，24mm，研究中使用不同的含量。玄武岩纤维的物理和力学性能如表1所示。

表1　玄武岩纤维的特性Tab．1 Characteristics of basalt fiber

共制备10种拌合物，水泥含量均为350kg／m3，水灰比为0．45，0．60，每种配合比下纤维含量为2kg／m3，4kg／m3，长度为12，24mm。按照常见的中、重型交通等级混凝土4．5～5．0 MPa弯拉强度等级的要求，确定混凝土的水泥含量和水灰比，玄武岩纤维掺量的选取参照常用范围。H45，H60代表无纤维混凝土和水灰比分别为0．45，0．60。其他拌合物编码形式为XHxx／yy／z，“XH”代表玄武岩纤维混凝土，“xx”、“yy”和“z”代表纤维长度、水灰比和纤维含量。混凝土拌合物的配合比及和易性如表2所示。

表2　混凝土拌合物的配合比及和易性Tab．2 Mix proportions and workability of concrete mixtures

1．2 试件制备和试验过程

为了确定玄武岩纤维对混凝土各项性能的影响，制备了各种试件进行测试。为测定混凝土的抗压强度，制作边长为150mm的立方体试件，每个配合比测试3个试件，试验采用2 000kN压力试验机。为测定混凝土的耐磨性，制作边长为150mm的立方体试件，每个配合比测试3个试件，试验采用混凝土磨耗试验机。为测试混凝土抗弯强度，制作尺寸为100mm×100mm×400mm的梁，每个配合比测试2个试件，试验采用1 000kN万能试验机。为测试断裂能，制作尺寸为100mm×100mm× 400mm的切口梁，切口深度为30 mm，厚度为3 mm，3点加载，每个配合比测试2个试件，试验采用1 000kN万能试验机。所有试件标准养护28d。针对混凝土的密度、吸水率和孔隙率等物理性质，每个配合比测试2个试件［14－16］。

耐磨性计算公式为

式中：Gc为单位面积的磨损量，kg／m3；m1为试件的初始质量，kg；m2为试件磨损后的质量，kg；0．012 5为试件磨损面积，m2。

切口梁试件在测试前1天用金刚石锯锯出缺口。设置位移传感器测量试件缺口附近的挠度。试验机以0．1mm／min的速度施加荷载。载荷和挠度值连续记录，持续收集数据，直到荷载降低到大约100N。得到了每个试件荷载与挠度曲线。断裂能计算公式为

式中：GF为断裂能；W0为载荷变形曲线下的面积；m为质量；δ为最大变形；b为厚度；d为高度；a为试件的切口深度；g为重力加速度［17］。

2 结果分析与讨论

2．1 抗压强度和抗弯强度

水灰比为0．45的混凝土抗压强度在58．5～70．2MPa之间，配合比编号为H45的混凝土具有最高抗压强度。水灰比为0．60的混凝土抗压强度在46．5～49．6MPa之间，配合比编号为H60的混凝土具有最高抗压强度。玄武岩纤维的添加导致水灰比为0．45的混凝土抗压强度下降10％～18％，水灰比为0．60的混凝土下降4％～9％，见图1。对强度大于或接近60 MPa的混凝土来说，添加纤维会导致抗压强度有更大的下降。与纤维长度为12 mm的混凝土相比，玄武岩纤维长度为24mm的混凝土抗压强度有很小的提高，仍然低于没掺加纤维的混凝土，见图1。其原因可能是玄武岩纤维在混凝土中形成纤维网络，由于纤维自身在受压情况下容易变形，故其混凝土的抗压强度不高［18］。

图1　抗压强度与纤维含量的关系Fig．1 Compressive strength versus content of fiber

另一方面，添加纤维导致了抗弯强度的提高，见图2。对水灰比为0．45的混凝土来说，和配合比编号为H45的相比较抗弯强度提高了4％～9％，最高值来自XH12／45／4配合比编号。对水灰比为0．60的混凝土来说，和配合比编号为H60的相比较抗弯强度提高6％～13％，最高值来自XH24／60／4配合比编号。纤维长度增加对混凝土抗弯强度的影响不太显著。水灰比为0．60的配合比XH24／60／2和XH12／60／2比较，XH24／60／4和XH12／60／4比较，抗弯强度仅增加了2％和3％。XH24／45／2和XH12／45／2相比抗弯强度提高得最多，为5％。然而，XH24／45／4和XH12／45／4相比抗弯强度却下降了1％。可能是由于混凝土添加了相对多量的纤维，破坏了混凝土中纤维的分散体系，导致了抗弯强度的轻微下降。虽然如此，玄武岩纤维在一定程度上能有效控制混凝土内部微裂缝的产生和发展，能有效提高混凝土的抗裂性能，故其混凝土的抗弯强度有所提高［19］。

图2　抗弯强度与纤维含量的关系Fig．2 Compressive strength versus content of fiber

2．2 断裂能

荷载－跨中挠度曲线见图3、图4。可以看出，纤维的添加明显提高了混凝土断裂能和最大挠度——添加了纤维的混凝土比没有添加纤维的混凝土H45，H60增加了断裂能和最大挠度值。有一个例外，XH24／45／2比XH12／45／2断裂能下降了3％。水灰比为0．45的混凝土断裂能增加了50％～113％，水灰比为0．60的混凝土断裂能增加了23％ ～138％，可见水灰比大的混凝土断裂能增加值稍高。试验中发现，随着玄武岩纤维的增加，极限荷载、最大挠度和断裂能都有所增加。XH12／45／4混凝土拥有最大的抗弯强度，XH24／60／4拥有最大的挠度。图3、图4显示，随着玄武岩纤维的加入，荷载挠度曲线上升部分的斜率有下降的趋势，这是因为玄武岩纤维使混凝土刚度下降。荷载挠度曲线峰值后区域没有显示出应变硬化特性，可能是因为在研究中使用的玄武岩纤维含量较低。虽然使用玄武岩纤维含量比较低，但是也看出了它对提高混凝土的断裂能有显著影响，见图5。

图3　水灰比为0．45时的荷载－挠度曲线图Fig．3 Load－displacement curve of concrete with 0．45w／c ratio

图4　水灰比为0．60时的荷载－挠度曲线图Fig．4 Load－displacement curve of concrete with 0．60w／c ratio

图5　断裂能与纤维含量关系Fig．5 Fracture energy versus content of fiber

玄武岩纤维分子结构特点使其与水泥基体界面黏结得较为紧密，纤维表面黏附着较多的水泥水化产物，摩擦力较大，在水泥基体承受拉应力的时候可依靠水泥基体微小变形产生的纤维－水泥石过渡面的摩擦力将水泥基体中的拉应力转移到纤维中。而连续玄武岩纤维的弹性伸长较小，其弹性模量为80～110GPa，因此多条单丝拧成一股的玄武岩纤维很难被拉断。混凝土弯曲断裂主要是受拉应力引起的，玄武岩纤维的掺入可提高混凝土的抗拉性能，使抗弯荷载有明显提高。玄武岩纤维有效吸收水泥基体中传递的拉应力而自身不轻易断裂的性质也可以提高混凝土材料的断裂能［20－21］。

2．3 耐磨性

图6　磨耗值与纤维含量的关系Fig．6 Relationship of abrasive wear and content of fiber

相对于水灰比为0．60的混凝土，水灰比为0．45耐磨性有所提高。掺加了玄武岩纤维和没掺加的混凝土相比较，水灰比为0．45的混凝土磨耗值下降了2％～4％，水灰比为0．60的混凝土磨耗值下降了14％～18％。玄武岩纤维的掺量提高和长度增加可以降低混凝土的磨耗值，如图6所示。分析原因，可能是玄武岩纤维与混凝土基体之间有较强的黏结作用，纤维在混凝土基材中形成的网状结构构成了混凝土的“筋骨”。纤维的搭接作用阻碍了裂缝的继续发展，纤维也能承受部分荷载，材料韧性增大，延缓了复合材料的破坏过程，减轻了被破坏的程度。在磨损过程中纤维对混凝土中水泥、砂、石等材料有牵制作用。玄武岩纤维从混凝土中剥落时消耗了大量摩擦功，玄武岩纤维在混凝土中所处的空间结构，使磨损纤维过程中必须克服纤维与混凝土基材之间的摩擦阻力，故其耐磨性得到了提高［22－24］。

3 结 论

本研究分析了在力学性质方面玄武岩纤维对C60及以下强度等级混凝土的影响。研究发现玄武岩纤维对混凝土的抗弯强度、断裂能、耐磨性有显著的改进，玄武岩纤维使混凝土的抗弯强度提高4％～13％，断裂能也有了显著提高，达到23％～138％。加入了玄武岩纤维后磨耗值下降2％～18％，纤维的含量和长度的增加有助于混凝土耐磨性的提高。然而随着玄武岩纤维的添加，抗压强度下降4％～18％。当混凝土的抗压强度很重要时，应采取一些预防措施，补偿抗压强度的下降。

本研究没有涉及玄武岩纤维对混凝土耐久性的影响，这是今后的一个研究方向。

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Experimental investigation of mechanical properties of basalt fiber reinforced concrete

LIU Pansen1，WEI Shuhua1，LI Bingqian2
（1．School of Civil Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China；2．Hebei Province Expressway Management Bureau，Shijiazhuang，Hebei 050031，China）

Abstract：In order to improve the mechanical properties such as tensile strength，shock resistance and abrasion resistance，basalt fiber is added into the concrete to make basalt fiber reinforced concrete．Ten commonly used concrete mixtures with different water／cement ratio and different content of basalt fiber are used for mechanical tests including compressive strength，flexural strength，fracture energy，and abrasion resistance，so that the effects of the content of basalt fiber on the compressive strength，flexural strength，fracture energy and abrasion resistance of the concrete are analyzed．The results show that by adding the basalt fiber of 2～4kg／m3，the flexural strength of the concrete increases by 4％～13％，the fracture energy increases by 23％～138％，the abrasion value decreases by 2％～18％，but the compressive strength decreases by 4％～18％．

Keywords：other discipline of building material；basalt fiber；abrasion resistance；mechanical strength；fracture energy；void content

作者简介：刘泮森（1975—），男，河北吴桥人，工程师，硕士，主要从事岩土工程、结构工程方面的研究。

基金项目：河北省建设科学技术研究计划项目（2014－110）；河北省科技支撑计划项目（12214902）

收稿日期：2015－10－27；修回日期：2015－12－11；责任编辑：冯 民

文章编号：1008－1534（2016）02－0126－06

中图分类号：TU528

文献标志码：A

doi：10．7535／hbgykj．2016yx02006