玄武岩纤维水泥基复合材料基本力学性能试验研究

张文斌，陶燕，李鑫鑫，柴栋

（昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 650500）

0 前言

混凝土、砂浆等常见的水泥基材料因其具有良好的抗压性能及低廉的价格，被广泛应用于土木工程领域，但它们属于脆性材料，因其抗拉性能差，在使用过程中由于外界因素的影响极易产生裂缝，导致钢筋锈蚀，从而影响其强度和耐久性[1]。水泥基材料复合化是增强其耐久性能的主要途径之一，而纤维是其增强的关键[2]。

玄武岩纤维是一种新型混凝土增强材料，由纯天然的火山岩矿石经高温熔融、拉丝而成，具有性价比高、抗拉强度高、耐腐蚀、耐高温、抗裂性能好等优点[3]。李福海等[4]以5种不同纤维体积掺量研究了短切玄武岩纤维混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度。结果表明：随着玄武岩纤维体积掺量的增加，抗压强度和劈裂抗拉强度先提高后降低，在纤维体积掺量为0.3%时达到峰值，分别提高了5.20%和17.30%。贾明皓等[5]通过将短切玄武岩纤维及玄武岩纤维土工格栅分别以掺入和铺层的方式加入到水泥基体中，掺量为0.2%，铺层数为3层，并进行了抗压和抗折力学性能实验。结果表明，短切玄武岩纤维和玄武岩纤维土工格栅均能够对砂浆起到增强作用，且玄武岩纤维土工格栅对砂浆增强效果更佳，抗压强度和抗折强度最高分别提高45.93%和51.03%。赵燕茹等[6]对掺入2种形状、3种钢纤维体积率的水泥基复合材料进行了抗压、抗折试验，结果表明：钢纤维的掺入对水泥基体抗压强度提高不明显，但对抗折强度和弯曲韧性提高显著，并且均随钢纤维体积率的增加而增加；在相同体积率下掺入2种形状钢纤维的性能差别不大，2种钢纤维在微裂缝扩展阶段、宏观裂缝开展阶段、宏观裂缝扩展阶段，都改善了试件受力状态，延缓了开裂，起到了增韧作用。白亮等[7]以PVA掺量、水胶比及粉煤灰掺量为变量，对13组288个ECC试件进行单轴抗压、劈裂抗拉试验，结果表明：增加PVA掺量，ECC抗压强度变化较小，峰值应变及极限应变明显提高，峰值后延性较好，抗拉强度明显提高。

综合以上研究，结合当前钢纤维、PVA纤维市场价格昂贵，而玄武岩纤维价格低廉、耐高温、耐腐蚀、抗裂性能好，具有较好的经济效益。因此，本文通过20组60个立方体试件的抗压试验、劈裂抗拉试验研究了玄武岩纤维水泥基复合材料在不同纤维体积掺量和长度因素下其强度的变化规律以及试件的破坏现象。

1 试验

1.1 试件设计

根据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行本试验试件尺寸及个数设计，立方体试件均采用非标准尺寸，即100 mm×100 mm×100 mm，共计20组60个试件，每组3个试件，未掺纤维试件尺寸换算系数取0.95，掺纤维试件尺寸换算系数取0.9。

1.2 原材料

水泥：P·O42.5，华新水泥（红河）有限公司昆明分公司产，其氯化镁含量为4.5%、氯离子含量为0.06%、三氧化硫含量为3.2%、烧失量为4.5%，物理力学性能见表1。

表1 水泥的物理力学性能

纤维：海宁安捷复合材料公司生产的短切玄武岩纤维（见图1），长度分别为6、12、18mm，其基本性能见表2。

表2 玄武岩纤维的基本性能

水：自来水。

砂：由中国ISO公司提供的标准砂。

1.3 配合比设计

经计算，本试验固定水灰比为0.6，灰砂比为0.36，玄武岩纤维体积掺量分别为0.1%、0.2%、0.3%，每组配比各试验制备3个样品，试件编号及玄武岩纤维参数见表3。

表3 试件编号及玄武岩纤维参数

2 试件制作及试验过程

2.1 试件制作

采用小型搅拌机和人工搅拌2种方式交替进行搅拌，既能防止由搅拌机搅拌而出现的挂壁现象，也避免人工拌制时由于在搅拌过程中有较强的粘结力而导致搅拌不均匀。首先按照配合比将水泥、砂和水充分搅拌均匀后开始加入纤维，充分搅拌结束后，将拌合物装入试模，随后放在振捣机上振捣8～10 s，静置一段时间，待其表面稍微凝固时，用抹刀沿试模四周刮去多余的拌合物，并用抹刀抹平，将试件置于温度为（20±3）℃的环境中静置24 h，拆模后放入标准养护室中养护28 d。

2.2 立方体抗压及劈裂抗拉试验过程

待试件表面水分充分干燥后，将其放在试验机上。抗压试验时，确保试件位于上下承压板的中心处；劈裂抗拉试验时，保证试件、胶合板垫条、垫块处于同一中心位置，见图2。加载过程中，均以0.5～0.8 MPa/s的加载速率连续均匀加载。

3 试验结果与分析

3.1 试件制作现象分析

通过对比掺加纤维和未掺纤维试件的制作过程可以发现，掺加纤维的试件在振捣密实以及静置2个阶段很少有泌水现象出现；而未掺纤维的试件，在2个阶段都出现了泌水现象且具有较大的流动性。同时还发现，纤维体积掺量和长度分别为0.1%和6 mm的试件，较未掺纤维的试件泌水现象不太明显，而纤维体积掺量和长度分别为0.2%和12 mm的次之。说明纤维体积掺量和长度越小的试件，不仅能改善其保水性，流动性几乎也不受影响。反观纤维体积掺量和长度越大的试件，其流动性变差，且在振捣途中不易被振捣密实。

分析可知，从材料方面，纤维自身属于干燥性材料，具有一定的吸水性，因此随其掺量和长度的增加，纤维与水泥基体的接触面积增加，吸水性增强，从而流动性也受到明显的影响；从内部构造方面，水泥基体成型后内部存在很多孔隙，玄武岩纤维可填充这些孔隙，使其内部结构变得更加密实，又因为纤维与混凝土能较好的粘结，在裂缝发展过程中能有效抑制裂缝的形成，增加了两者之间的约束力，从而增加了试件的抗渗性能，因此，相比于未掺纤维的试件，泌水现象不太明显。

3.2 立方体抗压试验分析

3.2.1 抗压试验现象分析

抗压试验过程中发现试件破坏有2种现象：未掺玄武岩纤维的试件，在受压过程中，试件达到极限承载能力瞬间破坏，无明显预兆，破坏时有较大的声音，试件呈现由两边向内部破坏的形态，裂缝延伸整个试件，且宽度较宽，为典型的脆性破坏，见图3（a）；掺入玄武岩纤维的试件，在受压过程中，首先在试件边缘产生很多条细微裂缝，裂缝数量继续增多且持续一段时间，达到极限承载能力时试件破坏，破坏时无明显声音，试件总体形态保持完好，其中纤维掺量为0.1%的试件破坏后形态最为完好，见图3（b）。且边缘处有材料脱落现象，但仍然与主体部分相连，相比于未掺玄武岩纤维的试件，无较宽的裂缝，呈现延性破坏的特征。

3.2.2 立方体抗压强度测试结果（见表4）

表4 不同玄武岩纤维掺量及长度时水泥基复合材料的立方体抗压强度

在本试验设定以及文献[8-10]设定的纤维体积掺量及长度条件下，试件的抗压强度变化见图4。

由表4及图4可见，纤维体积掺量为0.1%时，试件的抗压强度均比其他纤维体积掺量的高，且较A0组试件强度有显著提高；纤维长度为6 mm的A1组试件，其抗压强度为49.72 MPa，较A0组提高了19.76%，增幅最大，纤维长度分别为12、18 mm的B1、C1组立方体抗压强度分别为44.60、44.71 MPa，较A0组分别提高了7.40%、7.69%。纤维体积掺量为0.2%时，纤维长度为6 mm的A2组试件立方体抗压强度为45.39 MPa，较A1组试件降低了8.71%；纤维长度为12 mm的B2组试件立方体抗压强度为42.60 MPa，较A1组降低了14.32%；纤维长度为18 mm的C2组试件的立方体抗压强度为41.92MPa，较A1组降低了15.69%。纤维体积掺量为0.3%时，纤维长度为6 mm的A3组试件立方体抗压强度为44.52 MPa，较A0组提高了7.23%，而相比于A1组降低了10.46%；纤维长度为12、18mm的B3、C3组试件立方体抗压强度分别为40.52、38.69 MPa，较A0组分别降低2.41%、6.82%，较A1组分别降低了18.50%、22.18%，文献[8-10]强度随纤维掺量变化趋势与本试验相同。

3.2.3 抗压强度结果分析

根据试验所得数据可以明显看到，掺加纤维的试件抗压强度均比未掺纤维的有不同程度的提高，其中当纤维体积掺量及长度分别为0.1%、6 mm时，试件抗压强度提高最为显著，长度为12、18 mm的次之。而当纤维体积掺量及长度继续增加时，其抗压强度又随之降低。分析原因如下：加入纤维可以改善试件内部的结构，纤维在水泥基体中随机均匀分布，纤维之间相互交织形成了具有支撑作用且密实的骨架，同时两者良好的结合性使他们能够更好地受力。此外，纤维的存在弥补了单一的水泥基体内部孔隙多的缺陷，使得受压体致密性更强，因此其抗压强度相比于未掺纤维的试件有所提高。但随着纤维掺量和长度的增加，强度又有所降低，是因为纤维数量的增多，减少了水泥净浆包裹基体细骨料的面积，从而增加了纤维之间的粘结度，在搅拌及振捣过程中不易被分散均匀，出现部分结团的现象，导致试件成型后内部缺陷增多，孔隙变大。还因为纤维属于一种干性材料，本身存在一定的吸水性，加之掺量及长度的增加，吸水性变强，导致基体内部水分减小，其流动性变差，会影响后期强度的发展。文献[8-10]中加入了粉煤灰、矿渣2种掺合料，由于粉煤灰的颗粒大小以及表面特征会对混凝土的用水量和工作性有一定影响，而矿渣与水相遇表面会形成一层致密但不定性的酸性膜层，会抑制外部水分和内部离子的相互结合，水化反应难以进行，进而影响后期混凝土硬化后强度的发展，导致与本试验结果数值有差异，但规律相同。

分析表明，本试验中当玄武岩纤维体积掺量为0.1%、长度为6 mm时，水泥基复合材料的立方体抗压强度最高。

3.3 劈裂抗拉试验分析

3.3.1 劈裂抗拉试验现象分析

未掺入玄武岩纤维的试件，在劈裂过程中，试件中部突然出现裂缝并迅速向两端延伸，直至被劈成两半，试件瞬间破坏，伴有剧烈的声响，为典型的脆性破坏，见图5（a）。掺入玄武岩纤维的试件，在破坏时，首先试件中部出现很多细微裂缝，随着加载时间和荷载的不断增加，裂缝慢慢沿四周及边缘扩展，其数量和长度也随之增加，当细微裂缝贯通整个试件时，可以看到裂缝处有明显的纤维拔出现象，试件破坏，但纤维仍与主体部分有连接，整个过程裂缝均为细微裂缝，无较宽裂缝，破坏时无明显声响，呈现出较好的延性破坏特征，见图5（b）。

3.3.2 劈裂抗拉强度结果（见表5）

表5 不同玄武岩纤维掺量及长度时水泥基复合材料的劈裂抗拉强度

在本试验设定以及文献[8-10]设定的纤维体积掺量及长度条件下，试件的劈裂抗拉强度变化见图6。

由表5及图6可见，试件在纤维长度相同而掺量不同条件下，其劈裂抗拉强度无明显变化规律，当纤维体积掺量为0.1%时，随着纤维长度的增加，试件的劈裂抗拉强度呈下降趋势，但较A0组试件均有不同程度的提高。其中，纤维长度为6、12mm的A1、B1组试件增幅最明显，分别比A0组试件的劈裂抗拉强度提高了6.70%、6.30%。当纤维体积掺量为0.2%时，纤维长度为6 mm的A2组试件劈裂抗拉强度为3.32 MPa，较A1组试件有所下降，但仍然比A0组试件高；纤维长度为12 mm的B2组试件劈裂抗拉强度最高，为3.63 MPa，相比于A0组试件的有大幅度的提高，增幅为13.80%；纤维长度为18 mm的C2组试件劈裂抗拉强度为3.37 MPa，高于A0组及A2组试件，较A0组提高了5.70%。当纤维体积掺量为0.3%时，纤维长度为12 mm的B3组试件劈裂抗拉强度为3.58 MPa，比长度为6、18 mm的A3、C3组抗拉强度均有不同幅度提高，但与其他纤维体积掺量相比，不同纤维长度试件的劈裂抗拉强度均有不同程度的降低，其中，纤维长度为18 mm的C3组试件劈裂抗拉强度为3.10 MPa，低于A0组，下降幅度最为显著，文献[8]中劈裂抗拉强度与本试验具有相似变化规律，文献[9-10]的劈裂抗拉强度均高于本试验的强度且呈现逐渐提高的趋势。

3.3.3 劈裂抗拉强度结果分析

掺入玄武岩纤维后，大部分试件的劈裂抗拉强度均较A0组有明显的提高，说明玄武岩纤维可以增强水泥基复合材料的抗拉性能。当纤维体积掺量为0.2%时，纤维长度为6 mm的试件劈裂抗拉强度提高并不明显，而12 mm和18 mm试件的劈裂抗拉强度均出现了峰值。这是因为加入了短切（6 mm）的玄武岩纤维后，由于没有足够长度，纤维与基体的相互粘结不够牢固，此外，当基体出现裂缝时，开裂处的拉应力过大，由于两者的桥接作用得不到有效发挥，不能充分将其分散至其他未开裂的基体来减小裂缝处的拉应力，导致试件在受拉过程中更容易破坏。随着纤维体积掺量和长度增加，纤维与混凝土有较大的接触面积，增加了纤维与基体间的粘结作用，其桥接作用可以得到充分发挥，能及时分散开裂处的应力，纤维在基体中各向均匀分布，进一步加强了水泥基材料的受拉能力，因此试件的劈裂抗拉强度会有明显的提高。而当纤维体积掺量和长度继续增加，导致试件在制作过程中会有过多的薄弱层出现，缺陷增多，试件容易发生破坏，因此其劈裂抗拉强度会有不同程度的降低。文献[9-10]中的劈裂抗拉强度比本试验高，分析原因为：由于本试验只采用了细骨料，随着纤维长度和掺量的增加，拌制过程中纤维容易出现结团现象，分布不均，孔隙增多，从而影响强度发展；而文献[9-10]中加入了粗骨料，基体内部孔隙变大，长纤维加入以后更容易均匀布满粗骨料界面过渡区，可以充分发挥纤维增韧的作用，因此其劈裂抗拉强度呈现逐渐提高的趋势。

分析表明，本试验中当玄武岩纤维体积掺量为0.2%、长度为12 mm时，水泥基复合材料的劈裂抗拉强度最高。

拉压比是描述混凝土韧性的一个重要指标，拉压比越大说明韧性越好，由表4、表5计算得出拉压比变化见图7。

由图7可知，玄武岩纤维长度为6mm，随其掺量的增加，拉压比有提高的趋势，但均低于A0组，随着纤维体积掺量和长度的增加，拉压比增加，并且大于A0组，其中B3组的拉压比最高，为0.088，较A0组提高14.29%，C1、C2、C3组拉压比较A0组增幅不太明显。原因是纤维长度太短，当试件出现裂缝时，不能很好地起桥接作用，当纤维的长度和掺量达到一定程度时，由于纤维的加入可以有效减少裂缝的产生，加之其桥接作用可以充分发挥，因此其韧性所有增加。当纤维长度和掺量继续增加，纤维与水泥基体的化学粘结能就会变大，当超过纤维的抗拉强度时，水泥基体开裂时纤维也会随之断裂，缺少了逐渐拔出的过程，也就失去了增韧的作用。

4 结论

（1）立方体抗压、劈裂抗拉试验中，未掺纤维的试件破坏呈典型的脆性破坏，掺加纤维的试件表现出延性特征的破坏模式。

（2）在立方体抗压试验中，当纤维体积掺量为0.1%、长度为6 mm时，试件的抗压强度最高；掺加过多过长的纤维会使孔隙率变大，内部缺陷增多，降低试件的抗压强度，且纤维长度越长、体积掺量越大，降低幅度越明显。

（3）在立方体劈裂抗拉试验中，加入短切（6 mm）玄武岩纤维，由于其长度太短，分散基体破坏产生较大拉应力的桥接作用不能被有效发挥，试件抗拉强度的提高较12、18 mm不明显。随着纤维体积掺量和长度的增加，纤维与混凝土的桥接作用得到了充分发挥，能充分分散基体破坏时产生的应力，因此试件的劈裂抗拉强度有明显提高，尤其纤维体积掺量为0.2%、长度为12 mm劈裂抗拉强度最高。

（4）纤维的加入可以有效提高水泥基体的韧性，特别是掺量为0.2%～0.3%、长度为12 mm时，提高幅度明显，但随着掺量和长度的继续增加，由于纤维和水泥基体的化学粘结能变大，会失去增韧的作用，导致增幅变小。

（5）通过与相关文献对比分析可知，试件的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度不仅与纤维体积掺量及长度有关，还与骨料粒径大小有关，粒径越大，其骨料间隙越大，纤维更容易分散均匀，从而提高试件抗压、抗拉强度。