短切玄武岩纤维混凝土力学性能试验研究

谢金东，武 亮，刘志洪，杨振东，顾艳霜

(昆明理工大学 电力工程学院，云南 昆明 650500)

近年来，由于纤维混凝土具有良好的力学性能而受到工程界的广泛关注，纤维的加入能够改善混凝土的脆性状态，提高其力学性能[1]。其中，玄武岩纤维是一种典型的硅酸盐纤维，其具有玻璃纤维、植物纤维和碳纤维所不具备的众多特性，且有着和混凝土及砂浆相近的密度，是较为理想的混凝土增强增韧材料[2]。国内外相关学者也对BFRC开展了大量研究[3-8]。吴江等[9]研究表明，玄武岩纤维长度变化对混凝土抗压强度的影响不明显，但纤维体积掺量对混凝土抗压强度影响较大；陈锋等[10]研究表明，相较纤维长度和直径，玄武岩纤维掺量的变化对混凝土劈拉强度影响更显著，陈亚迪等[11]研究表明，玄武岩纤维体积掺量为0.1%时，混凝土劈裂抗拉强度最大，素混凝土的劈拉破坏形态属于典型的脆性破坏，而掺加玄武岩纤维后混凝土则表现为延性破坏，玄武岩纤维的掺入有效改善了混凝土的脆性状态；彭苗等[12]研究表明，掺入纤维后，混凝土抗压强度提升较为明显，且抗压强度提升率随着龄期的增加而增大；王辉等[13]研究表明，在纤维体积掺量为0.2%时，混凝土抗压强度提高最为明显，在此掺量条件下，抗压强度的增幅程度随纤维长度增加而提升。

综上所述，对于BFRC而言，纤维的适量掺入对混凝土力学性能具有增强的效果。此外，在已有的研究中，学者们研究的玄武岩纤维体积掺量主要集中在0%～0.3%之间[14-17]，但掺量区间跨度较大，可能会对纤维最佳掺量的确定造成误差。为了准确得到纤维的最优掺量区间，确定BFRC强度随纤维掺量的变化规律，并且减小后续研究的试验量和降低试验干扰因素，本文通过细化玄武岩纤维在混凝土中的体积掺量，开展不同纤维掺量的混凝土强度性能试验，并基于试验数据，通过Matlab软件，采用指数平滑预测模型对体积掺量大于0.4%的混凝土强度性能进行分析和预测，获得了BFRC强度性能随纤维掺量的变化规律，可为BFRC的进一步运用提供参考。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料及配合比

试验采用红狮牌(P.O 42.5)普通硅酸盐水泥，其性能指标如表1所示；粉煤灰为卓圣F类I级粉煤灰；粗骨料及细骨料均取自某施工现场的石灰岩，砂率为40%，其中，粗骨料粒径范围为5～20 mm，表观密度为2 770 kg/m3。玄武岩纤维采用用海宁安捷材料公司生产的长度为12 mm的标准纤维，其力学性能指标如表2所示。设计混凝土强度等级为C30，配合比如表3所示。

表1 水泥性能指标Tab.1 Performance indexes of cement

表2 玄武岩纤维物理力学性能指标Tab.2 Physical and mechanical properties of basalt fiber

表3 混凝土配合比Tab.3 Concrete mix proportion kg/m3

1.2 试验方案及方法

为研究玄武岩纤维掺量对混凝土力学性能的影响，本试验设计玄武岩纤维体积掺量分别为0、0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%、0.4%，其中，纤维体积掺量为0的作为试验对照组，以立方体试件的抗压强度和劈裂抗拉强度作为力学性能试验的评价指标。为避免纤维出现成团现象，在试件浇筑过程中，纤维掺入方法采用干拌法[18]，先将除水外的细骨料、粗骨料、水泥和粉煤灰倒入搅拌机，在搅拌干料的同时将纤维均匀掺入其中，搅拌60 s至均匀后，再加入水继续搅拌90 s，最后卸料注模成型。试件采用自然养护，如图1所示，设计养护龄期为60 d。试验方法严格遵循《水工混凝土试验规程》[19]，为确保试验准确度，每组纤维掺量条件浇筑4块试件，取其平均值作为该组试件的强度指标，试块总数为64块。

图1 试件养护Fig.1 Curing specimen

通过力学试验得到抗压、劈拉强度及拉压比结果后，采用指数平滑法对试验结果进行预测。指数平滑法的原理是在加权移动平均法的基础上对不同阶段的样本值赋予不同的权数，其基本公式为：

si=αxi+(1-α)si-1

式中，si为i点的平滑值；xi为i点的实际值；Si-1为i-1点的平滑值；α为平滑常数，α取值范围为[0,1]。

在本次预测模型中，i值的变化对应纤维体积掺量的改变，xi表示纤维掺量为i时的实测强度值，si表示纤维掺量为i时的平滑强度值。以抗压、劈拉强度实测值为样本点，采用指数平滑模型进行预测，分别得到纤维体积掺量为0.45%、0.5%、0.55%时的抗压、劈拉强度及拉压比预测结果，模型的样本值均来源于力学性能试验结果。

2 力学性能试验结果分析

2.1 力学性能试验现象及结果

通过力学性能试验发现，在抗压试验中不掺纤维的混凝土试件表面有部分碎块脱落，而掺入纤维的混凝土试件表面破坏形态较为完整，在劈拉破坏时两者无明显区别。不掺纤维的混凝土抗压和劈拉破坏形态分别如图2中(a)和(b)所示，掺入纤维的混凝土抗压和劈拉破坏形态分别如图2中(c)和(d)所示，抗压、劈拉强度和拉压比结果如表4所示。

图2 试验试件破坏形态Fig.2 Failure mode of test specimen

表4 抗压和劈拉试验结果Tab.4 Test result of compression and split tensile strength

2.2 抗压强度

不同纤维掺量下的立方体试件抗压强度变化趋势如图3所示。

图3 抗压强度趋势图Fig.3 Trend chart of compressive strength

分析抗压强度结果和图3中的抗压强度变化趋势可知，随着纤维掺量的增加，BFRC的抗压强度呈现出先增大后减小的趋势，在纤维掺量为0.15%时其抗压强度达到峰值，掺量为0.15%和0.2%时的BFRC抗压强度较为接近。其中，纤维掺量为0.15%较对照组而言，其抗压强度增长了21.27%。当纤维体积掺量为0.4%时，其抗压强度与对照组接近。在抗压试验过程中可发现，对照组混凝土试件破坏时其表面有部分碎块脱落，整体较为松散；而掺入玄武岩纤维的混凝土试件在破坏时表皮有较多裂纹，无明显碎块脱落，试件保持了较好的完整性。上述现象表明，适量玄武岩纤维的掺入提高了混凝土的抗压强度，使混凝土保持了一定的延性状态。对于混凝土抗压性能而言，玄武岩纤维的最佳掺量为0.15%。

2.3 劈裂抗拉强度

不同纤维掺量下的立方体试件劈拉强度变化趋势如图4所示。

图4 劈拉强度趋势图Fig.4 Trend chart of splitting tensile strength

由劈拉强度结果和图4中的劈拉强度变化趋势可知，随着纤维掺量的增加，劈拉强度变化规律与抗压强度相似，都呈现先增大后减小的趋势。劈拉强度在纤维掺量为0.2%时达到最大，相比于对照组其劈拉强度增长了57.89%，在纤维掺量超过0.25%后劈拉强度降幅较为显著，劈拉强度变化趋势及峰值强度所对应的纤维掺量结果与叶学华等[20]研究结果基本一致。

由表4可知，纤维掺量为0.25%的拉压比约为不掺纤维的1.35倍，因此，适量加入纤维后的混凝土较对照组混凝土拉压比增加明显。由于玄武岩纤维的加入使混凝土呈现出三维乱象体系，使得纤维能与骨料和砂浆一起承担荷载，加之玄武岩纤维具备高弹模的特点，在裂缝扩展至纤维所处位置时，纤维的拔出功和断裂功为混凝土承担了耗能，改善了混凝土的抗拉性能，同时增加了混凝土的韧性。对于混凝土劈裂抗拉性能而言，玄武岩纤维的最佳掺量为0.2%。

3 BFRC强度预测分析

根据试验实测结果分析，纤维掺量是影响混凝土强度性能的主要因素，在掺量超过一定值后，混凝土的抗压和劈拉强度均呈现出降低的趋势，且随纤维掺量的增加强度降幅较为明显。因此，可采用平滑指数法赋予下降段强度较大的权重，从而预测出混凝土强度性能随纤维掺量的变化趋势。

3.1 抗压、劈拉强度预测

试验结果表明，立方体抗压强度和劈拉强度分别在纤维掺量为0.15%和0.2%时达到最大，在达到最大值后抗压和劈拉强度均随纤维掺量的增加逐渐降低。以抗压和劈拉试验值为试验样本点数值，通过采用指数平滑法对纤维掺量为0.45%、0.50%、0.55%的抗压、劈拉强度及拉压比进行了预测，预测结果如表5所示，抗压强度和劈拉强度的实测值与预测值分别如图5和图6所示。

表5 抗压、劈拉及拉压比预测结果Tab.5 Prediction results of compression, splitting tension and tension compression ratio

图5 抗压强度实测值与预测值Fig.5 Measured value and predicted value of compressive strength

图6 劈拉强度实测值与预测值Fig.6 Measured value and predicted value of splitting tensile strength

从预测结果可知，混凝土抗压强度和劈拉强度在纤维掺量为0.4%后继续保持降低趋势，在纤维掺量为0.45%后的抗压强度预测值已低于对照组强度，预测结果表明纤维掺量的继续增加会导致混凝土强度性能降低。在实际制拌混凝土试件过程中可发现，掺入0.4%的纤维后，肉眼可明显观察到在混凝土拌合物中加入的纤维，且拌合物在注模振捣后流动性明显降低，表明掺入过多纤维已对混凝土性能造成不利影响。从试验结果趋势和制拌时的试验现象可知，混凝土强度继续保持降低的预测结果较为可靠。

3.2 拉压比预测

在静态力学试验中，混凝土劈拉强度与抗压强度的比值简称为拉压比，拉压比是反映混凝土韧性的一个重要指标[21]。从试验结果可知，BFRC的拉压比同抗压、劈拉强度一样都随纤维掺量的增加先增大后减小，且都呈现出了相同的变化趋势。采用与抗压、劈拉强度相同的预测方法，以表4中的拉压比实测值为样本点，对混凝土的拉压比进行了预测，得到拉压比预测值，并将表5的抗压强度和劈拉强度的预测值换算为拉压比对比值，拉压比实测值、预测值和对比值结果如图7所示。

图7 拉压比实测值、预测值与对比值Fig.7 Measured value, predicted value and comparison value of tension compression ratio

从试验结果可知，纤维掺量在0.25%时混凝土拉压比最高，通过预测结果可知，在纤维掺量为0.4%后，随着纤维掺量的增加，混凝土拉压比预测值仍呈现降低趋势。将拉压比预测值与拉压比对比值比较后可发现，两者数值无明显偏差，且变化趋势基本相同，可见采用试验值作为指数平滑预测模型的样本值，所得到的抗压、劈拉强度和拉压比预测结果是比较准确可靠的。

4 结论

1)适量掺入玄武岩纤维对混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度均有提升，其中，劈拉强度提升效果明显。

2)通过试验结果表明，立方体抗压强度、劈拉强度和拉压比均随纤维掺量的增加呈现先增大后减小的趋势，三者强度变化规律大致相同，但每组峰值强度所对应的纤维掺量有所区别，抗压、劈拉强度和拉压比峰值强度所对应的纤维掺量分别为0.15%、0.2%、0.25%。

3)基于试验数据，采用指数平滑法对试验结果进行强度发展预测，并分析拉压比的预测值与对比值，预测结果表明，随着纤维掺量的增加，抗压、劈拉强度和拉压比仍呈现出持续降低的趋势，过多掺入纤维对混凝土的力学性能造成不利影响。

4)通过分析试验数据和预测结果，可得到玄武岩纤维的最佳掺量区间为0.15%～0.2%。