玄武岩纤维掺量对混凝土力学性能的影响

张兰芳,尹玉龙,岳 瑜

(1.重庆交通大学交通土建工程材料国家地方联合工程实验室，重庆 400074；2.重庆交通大学材料科学与工程学院,重庆 400074；3.广西交通科学研究院贵州分院，贵阳 550000;4.重庆钢铁集团建设公司，重庆 400045)



玄武岩纤维掺量对混凝土力学性能的影响

张兰芳1,2,尹玉龙3,岳 瑜4

(1.重庆交通大学交通土建工程材料国家地方联合工程实验室，重庆 400074；2.重庆交通大学材料科学与工程学院,重庆 400074；3.广西交通科学研究院贵州分院，贵阳 550000;4.重庆钢铁集团建设公司，重庆 400045)

研究了掺入0.05%～0.35%的玄武岩纤维对混凝土的抗压强度，劈裂抗拉强度以及弯曲性能的影响，并采用扫描电镜对纤维在混凝土中的微观作用机理进行了分析。结果表明，当纤维的掺量在0.3%以内时，混凝土3 d、7 d、28 d的抗压、抗拉强度都有不同程度的提高，当掺量超过0.3%时，混凝土28 d的抗压、抗拉强度开始下降，且掺量越大，强度下降的也越多；弯曲试验结果表明，掺入0.05%～0.25%的玄武岩纤维后，混凝土的抗折强度平均提高7.96%，掺量为0.2%时，抗折强度提高17.0%，且掺入玄武岩纤维后，混凝土的应力-应变曲线有了明显的屈服点，混凝土的极限拉伸值增大，弹性模量降低，刚度减小，延性与柔性增加，混凝土的抗裂性增加，使用寿命延长。

玄武岩纤维; 混凝土; 力学性能

1 引 言

当今材料领域内，复合化是提高和改进材料性能、开发新材料品种并扩大其应用范围的重要技术途径。玄武岩纤维是一种新型无机纤维材料，具有良好的拉伸强度、较高的耐腐蚀性和化学稳定性、良好的绝缘性能、耐高温和低温热稳定性、高的弹性模量、隔热隔音性能及生产过程对健康和环境无害等优点，将短切玄武岩纤维加入到水泥基体中制成的玄武岩纤维增强水泥基复合材料具有许多优异性能，是其他纤维的良好替代品[1-4]。因此，研究者们对玄武岩纤维增强混凝土力学性能的影响进行了大量的研究。Ramakrishnan等[5]将长13 mm，直径为12 μm，掺量为0.1%～0.5%的短切玄武岩纤维掺入到普通混凝土中，结果表明，玄武岩纤维的添加不会提高混凝土抗压强度或抗折强度，然而，当纤维的掺量为0.5%时，对混凝土的抗冲击强度和抗弯韧性有明显的改善；而Borhan[6]采用长25.4 mm、直径13 μm的玄武岩纤维增强混凝土的研究表明，纤维掺量在0.3%的范围内，抗压强度随着纤维的掺量在增加，当掺量增加到0.5%时，抗压强度开始降低；KNUCA[7]采用长24 mm、直径为 16 μm的纤维时，抗折强度和抗压强度分别增加29%和14%；Padmanabhan Iyer则认为[4]，纤维的最佳长度和掺量分别是36 mm、8 kg/m3；Tehmina Ayub[8]的研究结果表明，掺入1%～3%的玄武岩纤维对混凝土的力学性能是有益的。可见，不同的玄武岩纤维长度、直径和掺量，以及不同的试验条件等对混凝土的力学性能影响也不相同，而力学性能是混凝土结构的主要性能，进一步研究玄武岩纤维对混凝土力学性能的影响规律，掌握其对混凝土的作用机理，对玄武岩纤维在混凝土工程中的推广应用具有重要的意义。

2 试 验

2.1 原材料

水泥为重庆拉法基水泥有限公司生产的P·O42.5R普通硅酸盐水泥，其化学组成见表1；细骨料为湖南洞庭湖天然中砂，细度模数为2.6；粗集料为碎石，粒径5～20 mm；减水剂为北京瑞蒂斯建材有限公司生产的FAC聚羧酸高性能减水剂，含固量为20%，减水率大于27%；玄武岩纤维为四川航天拓鑫有限责任公司生产，长18 mm，直径15 μm，弹性模量93～110 GPa，密度2.65 g/cm3，抗拉强度4100～4840 MPa，断裂延伸率为3.1%～3.2%。

表1 水泥化学组成Tab.1 Chemical composition of cement /%

2.2 试验方法

混凝土拌合物试样的制备按《纤维混凝土试验方法标准》(CECS13-2009)进行；抗压强度、劈裂抗拉强度及弯曲试验按照《水工混凝土试验规程》(SL352-2006)进行，其中弯曲试验用简支梁三分点加荷的方法测定，同时测定混凝土的弯曲极限拉伸值和抗弯弹性模量。弯曲极限拉伸值可经过应力-应变曲线并经回归分析得出，抗弯弹性模量取应力为0～0.5ft破坏应力的割线弹性模量，按下列公式计算：

式中：Ef为抗弯弹性模量，MPa；σ0.5为50%的破坏应力，MPa；ε0.5为σ0.5所对应的应变值。

采用北京中科科仪KYKY-2800B型扫描电镜观察玄武岩纤维混凝土的微观形貌。

2.3 试验配比

本试验所用的混凝土基准配合比为水泥∶砂子∶石子=1∶1.94∶2.38，w/c=0.38，减水剂的掺量为1%，其编号A0，纤维的体积掺量为0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%、0.35%，其编号分别对应为A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7。

3 结果与讨论

3.1 抗压强度

图1为掺入0.05%～0.35%时玄武岩纤维混凝土3 d、7 d和28 d的抗压强度。

由图1可知，当玄武岩纤维掺量为0.05%～0.3%(A1～A6)时， 混凝土3 d抗压强度比基准组混凝土(A0)平均提高13.5%，且纤维掺量为0.10%(A2)时强度提高20.3%；当纤维掺量为0.05%～0.2%(A1～A4)时，混凝土的7 d，28 d抗压强度分别提高2.5%～4.8%、1.6%～3.0%；当纤维掺量超过0.25%(A5～A7)时，混凝土7 d，28 d抗压强度均随着纤维掺量的增加而降低，当纤维掺量为0.3%和0.35%时，混凝土28 d抗压强度分别下降12.8%，14.3%。 因此，当纤维的长度确定时，合适掺量的玄武岩纤维对混凝土有增强的作用。

图1 不同玄武岩纤维掺量对混凝土的抗压强度影响Fig.1 Compressive strength test results of basalt fiber reinforced concrete

图2 不同玄武岩纤维掺量对混凝土的抗拉强度影响Fig.2 Splitting tensile strength test results of basalt fiber reinforced concrete

3.2 劈裂抗拉强度

图2为掺入0.05%～0.35%玄武岩纤维时混凝土的3 d、7 d和28 d劈裂抗拉强度试验结果。

从图2可知，当玄武岩纤维掺量由0.05%(A1)增加到0.25%(A5)时，混凝土的3 d，7 d抗拉强度都有不同程度的提高；当玄武岩纤维掺量为0.20%(A4)时，混凝土3 d抗拉强度增幅最大，达12.2%；当纤维掺量为0.1%(A2组)时，7 d、28 d抗拉强度的增幅最大，分别为11.9%、12.4%，但当纤维的掺量继续增加，超过0.25%(A6、A7)时，混凝土各龄期的抗拉强度都开始下降，且掺量越大，下降的也越多，可见，纤维的掺量在0.3%以下时，能提高混凝土各龄期的抗拉强度。

以上关于纤维掺量对混凝土抗压、抗拉强度的研究表明，当纤维的长度、直径确定时，掺入适量的玄武岩纤维能提高混凝土的抗压强度和抗拉强度，但当纤维掺量过多时，对强度反而不利，这是因为过多纤维的掺入，使得纤维成团，在水泥基质留下更多的孔隙，导致混凝土内部的缺陷增多，密实度降低[9,10]。

3.3 弯曲性能

对玄武岩纤维混凝土进行的三分点弯曲应力-应变测试结果如图3所示，其28 d抗折强度、极限拉伸值和弹性模量的测试结果如表3所示。

由图3可知，基准混凝土表现出了明显的脆性破坏，但掺入0.05%～0.35%的玄武岩纤维后，应力-应变曲线有了明显的屈服点，且在此掺量范围内，玄武岩纤维混凝土的屈服极限应变值基本相当，但都大于基准混凝土的极限应变，这说明当基准混凝土破坏时，掺入玄武岩纤维的混凝土仍具有一定的承载能力；当纤维掺量为0.25%(A5)时，混凝土的挠度明显增加，弹塑性阶段应力-应变曲线上升缓慢，曲线所包围的面积也相应增大，可见适量玄武岩纤维的掺入能有效地提高混凝土的韧性和剩余承载能力[11]。

图3 28 d龄期各混凝土的抗弯应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curve recorded for 28 d

表2的试验结果表明，掺入0.05%～0.25%的玄武岩纤维，混凝土的抗折强度比基准组(A0)有所提高，平均增幅7.96%，且当掺量为0.2%(A4)时，抗折强度提高最多，为17.0%，当纤维掺量超过0.3%(A6)时，抗折强度开始下降；掺入玄武岩纤维后混凝土的极限拉伸值较基准混凝土也有所增加，且随纤维掺量的增加而增加，最大增幅达19.1%(A6)；此外，玄武岩纤维的掺入降低了混凝土的弹性模量，当其掺量为0.05%～0.35%时，弹性模量下降3.87%～20.4%，混凝土的刚度减小，柔性增大，这与Tumadhir M.的研究结果基本一致[12]。究其原因可知，适量的玄武岩纤维能够在混凝土内形成网状结构，均匀分布，与骨料共同受力，有利于混凝土的抗拉、抗弯等受力性能，降低混凝土的刚度，改善混凝土的延性与韧性，提高混凝土的抗裂性，从而延长混凝土的使用寿命[4,12]。

表2 玄武岩纤维混凝土弯曲试验结果Tab.2 Bending test results of basalt fiber reinforced concrete

3.4 SEM分析

图4是扫描电镜观察到的玄武岩纤维在混凝土中的分布情况。

图4 玄武岩纤维混凝土SEM图像(a)A3×1000;(b)A4×1000;(c)A5×130;(d)A7×1000Fig.4 SEM images of basalt fiber reinforced concrete (a)A3×1000;(b)A4×1000;(c)A5×130;(d)A7×1000

从图4可知，玄武岩纤维掺入混凝土后的主要作用机理是通过纤维的剥离，滑动和拉出控制桥联作用[13]。当玄武岩纤维掺入后，纤维在混凝土中呈无序、均匀分布状态(如图4c)，玄武岩纤维上有大量的水化产物附着，与基体有较好的结合形态(如图4b)，且交叉分布的纤维能横跨裂缝并阻挡微裂缝的扩展，有效地吸收和耗散能量，从而增加混凝土的延性，提高其抗裂性。但纤维掺入混凝土后，纤维之间的相互接触必然导致微孔的出现，当纤维掺量较低时，纤维之间的接触点也少，纤维的强度作用处于主导地位，随着纤维掺量的增加，当其掺量增大到0.35%时(如图4d)，纤维之间的接触点增多，使得混凝土中微孔数量增加，并成为裂缝从而导致混凝土的强度有所下降[14-15]。

4 结 论

(1)当玄武岩纤维的掺量在0.3%以内时，混凝土3 d、7 d、28 d的抗压、抗拉强度都有不同程度的提高，但28 d抗压强度增加量有限，在3%以内，当纤维掺量为0.1%时，混凝土28 d抗拉强度提高12.4%但当纤维的掺量超过0.3%时，混凝土28 d的抗压、抗拉强度开始下降，且掺量越大，强度下降的也越多;

(2)掺入0.05%～0.25%的玄武岩纤维后，混凝土的抗折强度平均提高7.96%，掺量为0.2%时，抗折强度提高17.0%，且掺入玄武岩纤维后，混凝土的应力-应变曲线有了明显的屈服点，混凝土的极限拉伸值增大，弹性模量降低，刚度减小，延性与柔性增加，混凝土的剩余承载能力提高;

(3)SEM分析表明，适量的玄武岩纤维在混凝土中能形成致密、乱向分布的网状支撑结构体系，纤维能与基体有良好的结合形态，很好地阻挡微裂纹的产生及扩展，提高玄武岩纤维混凝土的抗裂性，延长混凝土的寿命;

(4)本研究成果为玄武岩纤维的研究和应用奠定一定的理论基础，但是不同的玄武岩纤维长度、直径和掺量，以及不同的试验条件等对混凝土的力学性能影响也不相同，这在目前的相关研究中也有所体现，因此，实际工程中使用玄武岩纤维时，必须通过试验确定其最佳掺量，以便其为提高混凝土的性能，延长混凝土的使用寿命发挥更大的作用。

[1] Wu R H.The application of basalt fiber in building materials[J].TrendsinBuildingMaterialsresearch,2012,450-451:499-502.

[2] Dylmar P D,Clelio T.Fracture toughness of geopolymeric concretes reinforced with basalt fibers[J].Cement&ConcreteComposites,2005,27(1):49-54.

[3] 沈荣熹,崔 琪,李清海.新型纤维增强水泥基复合材料[M].北京:中国建材工业出版社,2004.

[4] Padmanabhan L,Sara Y K,Sreekanta D.Mechanical properties of fiber-reinforced concrete made with basalt filament fibers[J].JournalofMaterialsinCivilEngineering,2015,27(11):04015015-1-04015015-8.

[5] Ramakrishnan V,Tolmare N S,Brik V B."NCHRP-IDEA Project 45:Performance evaluation of basalt fibers and composite rebars as concrete reinforcement."Transportation Research Board,National Research Council,Washington,DC.1998:1-10.

[6] Tumadhir M,Borhan T M.Thermal and mechanical properties of basalt fibre reinforced concrete[J].WorldAcad.Sci.Eng.Technol.,2013,7(4):712-715.

[7] KNUCA (Kyiv National University of Construction and Architecture).On control testing of fibre-concrete samples to determine their compression and tensile strength at bending[J].Technobasalt-invest,LLC,Kyiv,Ukraine,Protocolno.64-1-11,2011.

[8] Ayub T，Shafiq N，Nuruddin M F.Effect of chopped basalt fibers on the mechanical properties and microstructure of high performance fiber reinforced concrete[J].AdvancesinMaterialsScienceandEngineering,2014,Article ID 587686:1-14.

[9] 叶邦土,孙 伟,蒋金洋,等.玄武岩纤维增强粉煤灰水泥浆体的耐久性及缺陷分析[J].硅酸盐学报，2012,40(8):1127-1132.

[10] Dylmar P D,Clelio T.Fracture toughness of geopolymeric concretes reinforced with basalt fibers[J].Cement&ConcreteComposites,2005,27:49-54.

[11] 叶邦土,蒋金洋.玄武岩纤维及其增强水泥基材料的研究进展[J].材料导报A:综述篇,2013,27(10):102-108.

[12] 刘 瑶,张光洙,王云鹤.玄武岩纤维混凝土力学性能研究及机理分析[J].山西建筑,2014,5(2):107-108.

[13] Shah S P,Swartz S E,Ouyang C.Fracture mechanics of concrete:applications of fracture mechanics to concrete[M].rock and other quasi-brittle materials.New York:John Wiley & Sons;1995.

[14] 张兰芳,尹玉龙.玄武岩纤维增强混凝土力学性能的研究[J].硅酸盐通报,2014,33(11):2834-2837.

[15] Ahmed F M S,Nasir S.Comparison of the effects of different fibers on the properties of self-compacting concrete[J].ResearchJournalofAppliedSciences,EngineeringandTechnology,2014,7(16):3332-3341.

Effect of Basalt Fiber Content on Mechanical Performance of Concrete

ZHANGLan-fang1,2,YINYu-long3,YUEYu4

(1.National and Local Joint Engineering Laboratory of Ttraffic Civil Engineering Materials,Chongqing 400074,China;2.School of Materials Science and Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China;3.Guizhou Branch of Guangxi Transportation Research Institute,Guiyang 550000,China;4.Chongqing Iron&steel Group Construction Engineering Co.Ltd,Chongqing 400045,China)

The purpose of this paper is to study the effect of basalt fiber at the contents of 0.05%～0.35% on compressive strength,splitting tensile strength and bending performance of concrete. Scanning electron microscope (SEM) is used to analyze the microscopic mechanism of basalt fiber-reinforced concrete. The results show that 3 d, 7 d and 28 d compressive strength and tensile strength of concrete have been improved to varying degrees when the fiber content is less than 0.3%. When the content of basalt fiber exceeds 0.3%,28 d compressive and tensile strength of concrete began to decline,and the greater the content of fiber, the more strength decline. Bending test results show that the flexural strength of concrete increase by an average of 7.96% when the content of basalt fiber increases from 0.05% to 0.25%, and the flexural strength of concrete increase by 17% when content is 0.2%.and after the incorporation of basalt fiber, stress-strain curve for concrete have a well-marked yield point,ultimate tensile strain of concrete increases, the elastic modulus decreases, implying a decrease in the rigidity. On the other hand, Adding basalt fiber to concrete can improve ductility and flexibility of concrete, increase the crack resistance of concrete and extend the service life of concrete.

basalt fiber;concrete;mechanical property

国家自然科学基金青年基金项目(51502029);重庆交通大学交通土建工程材料国家地方联合工程实验室开放基金项目(LHSYS-2012-004);重庆交通大学研究生教育创新基金资助项目(20130113)

张兰芳(1976-)，女，副教授，硕导，博士.主要从事新型建筑材料的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)09-2724-05