玄武岩纤维增强水泥砂浆的拉破坏试验研究

杨建林，王来贵，潘纪伟，习彦会，李喜林，龙律位

(1.辽宁工程技术大学材料科学与工程学院，阜新　123000；2. 辽宁工程技术大学力学与工程学院，阜新　123000；3. 辽宁工程技术大学建筑与工程学院，阜新　123000)



玄武岩纤维增强水泥砂浆的拉破坏试验研究

杨建林1，2，王来贵2，潘纪伟2，习彦会2，李喜林3，龙律位1

(1.辽宁工程技术大学材料科学与工程学院，阜新123000；2. 辽宁工程技术大学力学与工程学院，阜新123000；3. 辽宁工程技术大学建筑与工程学院，阜新123000)

为了研究玄武岩纤维(BF)增强水泥砂浆在拉应力作用下的变形破坏过程，利用巴西劈裂试验和数字散斑相关方法，研究了BF增强水泥砂浆在拉破坏过程中变形场的演化。结果表明：(1) BF含量相同时，试件的抗拉强度随养护时间的增加先增加后减小;(2) 养护时间相同时，抗拉强度随玄武岩含量的增加先增加后减小;(3) 当拉应力较小时，试件内部存在局部小变形区；拉应力增加，局部小变形区面积增加，相邻的局部变形区相互合并，形成更大的局部变形区；局部大变形区相互合并形成应变局部化带；最终应变局部化带发展成宏观裂纹;(4) 相同养护时间，BF含量小于0.1%时，BF含量增加，应变局部化带的形成位置逐渐向峰值载荷移动;(5) BF提高了水泥砂浆颗粒间的连接强度，使抗拉强度提高；试件破坏时，硅酸盐化合物先破坏，BF后破坏。

玄武岩纤维水泥砂浆；拉破坏；数字散斑相关方法；局部变形区

1　引　言

混凝土在防护工程中得到大量应用，各类配比的混凝土材料一个共同的缺点是抗拉强度低[1]。防护工程在使用过程中，受到冻融循环、地震、地基沉陷等因素的影响，结构本身经受较大的外力，尤其是拉应力，对防护工程的安全使用造成了极大影响[2-4]。玄武岩纤维(Basalt Fiber，简称BF)是将熔融的玄武岩拉制而成的连续纤维，直径一般在5～30 μm。BF具有高抗拉强度、高剪切强度、耐高温、抗氧化、价格低等优点，BF的抗拉强度超过钢纤维、对位芳纶、碳纤维等材料[5]。另外，BF的成分与混凝土基本相同，因此，在分散性和相容性方面具有明显优势[6]。为了克服混凝土低抗拉强度的缺点，在混凝土里面加入少量短切BF(8～15 mm)制成玄武岩纤维混凝土(BFC)。国内外学者对BFC的物理力学性能陆续展开了研究，BF加入后可明显提高混凝土的抗压强度、抗拉强度、动力性能、韧性、抗冲击性等性能[7-10]。水泥砂浆属于广义上的混凝土，与常见混凝土的主要区别在于缺少粗骨料，水泥砂浆与混凝土的强度存在相关性,因此研究BF对水泥砂浆性能的增强作用为BFC的研究奠定基础。

目前，关于BF增强水泥砂浆在拉应力作用下变形破坏过程及机理的研究较少。混凝土破坏过程的研究不仅是岩石力学中的基础性课题，还有助于防护工程和土木工程中灾害的防治。混凝土的破坏是一个渐进的过程，伴随着裂纹的萌生、增长、连接和贯通，最终发生破坏[11]。拉应力作用下混凝土变形破坏过程的研究，对于理解混凝土完整的拉破坏过程以及防护工程的监测具有重要意义。数字散斑相关方法(Digital Speckle Correlation Method，简称DSCM)由Yamaguchi和Ranson同时独立提出[12,13]，是一种基于数字图像处理的变形场测试方法，具有非接触、全场、抗干扰能力强和试件处理简单等优点[14,15]，目前成功应用到变形场的测量中[16]。本文制备了不同BF体积含量的水泥砂浆试件，通过巴西劈裂试验研究抗拉强度随BF含量及养护时间的变化规律，利用DSCM分析试件在拉应力作用下变形场的演化过程；从微观上分析了BF含量不同时水泥砂浆抗拉强度差异的机理。

2　试　验

2.1试验原料

BF(浙江金石玄武岩纤维有限公司，φ15 μm×12 mm)，BF的物理力学性能如表1；颗粒度小于70目(212 μm)的河砂；P·O 42.5普通硅酸盐水泥(阜矿集团天厦水泥公司)，水泥成分如表2。

表1　BF的物理力学性能指标

表2　P·O 42.5普通硅酸盐水泥的成分

2.2试验过程

2.2.1试件的制备

试件分A、B、C和D四组，BF的体积含量分别为0%、0.05%、0.1%和0.15%。试件中水泥：砂子：水的重量比为1∶2∶0.3，用精度为0.01 g的电子天平称重，每组试件原料的总质量为1 kg。利用搅拌机先将水泥、砂子和BF搅拌10 min，为了提高BF分布的均匀度，搅拌过程中BF分成5次加入；然后将水分成5次加入搅拌机，搅拌10 min。将搅拌均匀的水泥砂浆放入尺寸为φ75 mm×15 mm的模具中。每组试件的养护时间为 7 d、14 d、21 d和28 d，相同条件的试件4个，总共64个试件。试件的养护过程按照国标GB/T50081《普通混凝土力学性能试验方法标准》执行。

图1　测试系统示意图Fig.1　Schematic diagram of the test system

2.2.2分析测试

将BF放入玛瑙研钵，研磨成细粉。利用X射线荧光分析仪(XRF，型号Shimadzu XRF-1800)测试BF的成分。利用X射线衍射仪(XRD，型号Shimadzu XRD-6100)测试BF的物相，仪器参数为：Cu靶、电流40 mA、加速电压30 kV、石墨单色器、步长0.02°、扫描速度5°/min。巴西劈裂试验和变形场的观测在自行搭载的试验系统上进行，如图1。巴西劈裂试验在压力试验机上(型号YAW-2000)进行，利用位移控制加载速率，加载速率为0.06 mm/min，利用压力机自带软件采集加载-位移曲线。巴西劈裂试验过程中，利用CCD摄像机记录试件表面的散斑图，拍摄速率为1帧/秒。试验前仔细调整CCD，使镜头表面平行于试件待观测表面，调整焦距使散斑图清晰。由于两个试验系统相互独立，试验前需调整好两台计算机的时间，使时间保持一致。通过DSCM软件计算试件的应变场。利用扫描电子显微镜(SEM，型号Shimadzu SUPERSCAN SS-550)观测试件断口的形貌，仪器参数为：加速电压15 kV、二次电子探测器。

3　结果与讨论

3.1BF的成分和结构

表3给出了BF的成分，纤维的主要成分为SiO2和Al2O3，其中SiO2的含量最高，为55.62%。图2为BF的XRD图，图中存在典型的非晶馒头峰，说明物相以非晶形态存在，这是由于BF在制备过程中，将温度为1450～1500℃的熔融玄武岩高速拉制，快速冷却形成BF，冷却时原子保存了液态时的结构，因此结构为非晶态。

表3　BF的成分

图2　BF的XRD图Fig.2　XRD pattern of basalt fiber

3.2水泥砂浆试件受拉时的变形场演化过程

在巴西劈裂试验中，圆盘状试件中心处受到的水平方向拉应力σt与竖直方向载荷P之间的关系为：

(1)

式中：d为巴西圆盘的直径，t为圆盘的厚度。利用峰值载荷和公式(1)，可得到试件的抗拉强度。图3为不同养护时间时试件的抗拉强度随BF含量x的变化规律。试件中BF含量相同时，当养护时间少于21 d时，抗拉强度随养护时间的增加而增大，并且养护时间在7～21 d间时，抗拉强度增加速率较快，养护时间为28 d时，抗拉强度略有下降，低于养护时间为21 d时试件的抗拉强度，与文献[17]报道的结果一致。养护时间相同时，抗拉强度随x的增加先增加后减小，当BF的体积含量为0.1%时抗拉强度达到最大值。可见，通过添加BF能够显著提高水泥砂浆的抗拉强度，但是BF的含量超过0.1%后抗拉强度下降，该结果与文献[18]的结果一致。养护21 d后，不含BF试件的平均抗拉强度为1.84 MPa，BF含量为0.1%试件的平均抗拉强度为3.04 MPa，抗拉强度提高了65.2%。当混凝土中含有一定数量的碱，骨料中存在相当数量的活性成分时，在潮湿的环境下易发生碱硅酸反应[19]。由于玄武岩纤维为活性成分，水泥中存在碱Na2O，试件在养护过程中发生碱硅酸反应，养护时间超过28 d后，水泥的水化产物与玄武岩纤维的界面结合变差[20]，水泥砂浆的强度可能会随着时间增加逐渐降低，但降低的幅度会越来越小。

图3　试件抗拉强度随BF含量的变化规律Fig.3　Basalt fiber content dependence of the tensile strength of specimens

图4　养护21 d不含BF试件的加载曲线Fig.4　Load curve of specimen without BFafter curing 21 d

图5　养护21 d不含BF试件的水平应变场演化(a)示意图;(b)加载步6的散斑图;(c)加载步1;(d) 加载步2;(e)加载步3;(f)加载步4;(g)加载步5(h)加载步6 Fig.5　Evolution of horizontal strain field of specimen without BF after curing 21 d

为节省篇幅，以养护21 d纤维含量为0%和0.1%的两组试件为例，分析不同BF含量试件在拉破坏过程中变形场的演化过程，计算过程中以加载步0的散斑图为参考图像。对于养护21 d不含BF的试件组，选取抗拉强度最接近平均抗拉强度的试件为例。图4为选取的不含BF试件的加载-位移曲线，纵坐标代表巴西劈裂试验中竖直方向受到的载荷，横坐标代表竖直方向的加载位移。根据公式(1)，试件的抗拉强度为1.70 MPa。在加载过程中，试件在竖直方向首先经过压密阶段，然后经过弹性变形和屈服过程，达到峰值载荷后，试件突然发生脆性破坏。

图6　养护21 d BF含量为0.1%试件的加载曲线Fig.6　Load curve of specimen modified by 0.1% BF after curing 21 d

图7　养护21 dBF含量为0.1%试件的水平应变场演化(a)示意图;(b)加载步6的散斑图;(c)加载步1;(d)加载步2;(e)加载步3;(f)加载步4;(g)加载步5;(h)加载步6Fig.7　Evolution of horizontal strain field of specimen modified by 0.1% BF after curing 21 d

图5为图4中1～6加载步时试件的水平应变场。图5a为巴西劈裂试验的示意图，虚方框代表计算区域。图5b为加载步6对应的散斑图。在加载步1，试件处于弹性变形初期，水平应变场较小，但是局部小区域内的应变较大，最大值为2.5×10-3，因此在弹性变形的初期试件发生应变集中，如图5c。这与马少鹏等研究结果一致，在低拉应力下，大理岩圆孔试件在拉应力集中部位发生变形局部化现象[15]。载荷增加，在加载步2局部小变形区的面积明显增加，并且紧邻的局部小变形区合并成局部大变形区，如图5d。在加载步3，局部大变形区的面积随载荷的增加显著增加，如图5e。在加载步4，载荷为峰值载荷的75.62%，局部大变形区之间相互合并形成应变局部化带，在底部和上部存在多条应变局部化带，此时应变局部化带并不稳定，如图5f。在加载步5，载荷达到峰值，应变云图上部中间区域形成稳定的应变局部化带，最大水平应变值为5×10-3，如图5g。对于脆性材料，在拉应力作用下，最初形成的多条应变局部化带并不稳定，随着应力的增加，其中一条或多条应变局部化带形成稳定的应变局部化带，该结果与文献[15]报道的结果一致。加载步6，当载荷超过峰值载荷后，试件所受载荷随加载位移的增加迅速减小，应变局部化带演化成宏观裂纹，裂纹迅速扩展导致试件发生破坏，呈现典型的脆性破坏，CCD相机受拍摄速度所限无法拍摄到裂纹扩展过程中试件的散斑图，如图5h。

BF含量为0.1%试件的平均抗拉强度为3.04 MPa，选取抗拉强度最接近平均抗拉强度的试件，分析在受拉应力作用过程中不同阶段的变形过程。图6为养护21 d后BF含量为0.1%试件的加载-位移曲线，试件的峰值载荷为5.16 kN，抗拉强度为2.92 MPa。与图4相比，图6中试件达到峰值载荷后，载荷随加载位移的增加逐渐降低，断裂时对应的加载位移为1.29 mm，与未加BF的试件相比，断裂时的加载位移增加了7.6%。

图7为BF含量为0.1%试件受拉过程中水平应变场的演化过程，以加载步0的散斑图作为参考散斑图。图7a为巴西劈裂试验示意图，图7b为加载步6对应的散斑图。加载步1处于弹性变形的初期，试件所受载荷较小，局部小区域内发生应变集中，应变值为4×10-3，如图7c。载荷增加，局部小变形区的面积增加，临近的局部变形区合并成局部大变形区，随后近邻的局部大变形区合并形成应变局部化带，如图7d～f。试件在峰值载荷的86.51%处形成应变局部化带，而未加BF的试件在峰值载荷的75.62%处形成应变局部化带。可见，添加BF后，应变局部化带的形成位置更加靠近抗拉强度，该结果与文献[21]的结论一致。在加载步5，载荷达到峰值，形成稳定的应变局部化带，如图7g。载荷再增加，载荷随加载位移的增加迅速减小，但是载荷降低的趋势明显小于未加BF的试件。加载步6为破坏前的临近点，裂纹贯穿试件，如图7h。

3.3试件断口的显微形貌程

图8　不同BF含量试件断口SEM形貌(a)不含BF试件的断口形貌(×200);(b)BF含量为0.1%试件的断口形貌(×400)Fig.8　SEM images of fracture surface of samples with different basalt fiber content

图8为试件断口的SEM形貌图。图8a为不含BF试件断口的SEM图。未加BF的试件内部存在较多微孔隙，孔隙大小一般小于80 μm，在加载过程中小孔隙周围区域由于应力集中，形成应变局部化区域，导致变形的不均匀性。图8b为BF含量为0.1%、养护28 d试件断口的SEM图。BF与水泥砂浆基体界面结合好，孔隙数目降低，与文献[22]的结论一致。水泥砂浆试件中加入BF后，试件的抗拉强度提高，因此BF的抗拉强度大于水泥砂浆基体的抗拉强度。另外，根据试件拉破坏后的断口形貌图8b，BF裸露在断口表面，BF表面比较光滑，说明BF与水泥砂浆基体的粘结强度较低。养护时间为28 d的试件，由于BF纤维与水泥砂浆基体的界面粘结强度低于水泥砂浆基体抗拉强度，试件拉破坏过程中水泥砂浆基体先破坏，而后BF从基体中拨出，BF是承受应力的主要载体，拔出的过程中BF受到的拉应力很大，发生断裂。因此，加入BF后提高了水泥砂浆的抗拉强度和断裂延伸率。当BF的含量超过0.1%后，BF在水泥砂浆中分布不均匀，BF之间可能发生团聚，造成试件内部存在较多大孔隙，在加载过程中试件容易从孔隙处发生破坏，试件的抗拉强度降低。

4　结　论

(1) BF含量相同时，水泥砂浆的抗拉强度随养护时间的增加先增加后减小，养护时间为21 d左右，抗拉强度达到最大值;

(2) 相同养护时间时，抗拉强度随BF含量的增加先增加后减小，BF含量为0.1%时，抗拉强度达到最大值;

(3) 拉应力较小时，试件的变形较均匀，局部小区域应变值较小；拉应力增加，局部小变形区的面积增大，近邻局部大变形区合并成应变局部化带；应变局部化带演化成宏观裂纹，裂纹扩展使试件发生拉破坏;

(4) BF含量为0.1%时，试件的抗拉强度明显提高，局部化带形成时间晚于强度较低的试件。在拉破坏过程中，水泥砂浆先发生破裂，而后BF断裂；BF的加入使水泥砂浆的脆性降低。

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Experimental Research on Tensile Failure of Cement Mortar Reinforced by Basalt Fiber

YANG Jian-lin1,2，WANG Lai-gui2，PAN Ji-wei2，XI Yan-hui2，LI Xi-lin3，LONG Lv-wei1

(1.College of Materials Science and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China;2.College of Mechanics and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China;3.College of Architecture and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China)

The evolution of deformation field for cement mortarr samples reinforced by basalt fiber (BF) under tensile stress are experimental studied by Brazilian split experiment and digital speckle correlation method in order to research the tensile failure procedures of cement mortarr samples. The results show:(1) the tensile strength of samples with same BF content first increases and then decreases with curing time.(2) the tensile strength for cement mortar samples with same curing time increases and then decreases with BF content.(3) the small local deformation regions localizes on the surface of cement mortar samples at early stage of loading,its area increase with tensile stress,localization band occurs by the means of merging adjacent local deformation regions,and it forms the macro crack that fails the sample.(4) with increasing BF content(<0.1%),the position in which localization band occurs by means of merging local deformation regions moves towards the load peak.(5) the tensile strength of cement mortar samples is improved because the connection strength between concrete grains is enhanced by BF,the fracture of silicates is early than BF when sample is failure.

basalt fiber reinforced cement mortarr;tensile failure;digital speckle correlation method;strain localization

国家自然科学基金(51404136，51274110，51304106)

杨建林(1980-)，男，博士，讲师.主要从事事复合材料及岩土力学方面的研究.

TU452

A

1001-1625(2016)02-0536-07