玄武巖纖維摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

張?zhí)m芳,尹玉龍,岳 瑜

(1.重慶交通大學(xué)交通土建工程材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 400074；3.廣西交通科學(xué)研究院貴州分院，貴陽(yáng) 550000;4.重慶鋼鐵集團(tuán)建設(shè)公司，重慶 400045)

?

玄武巖纖維摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

張?zhí)m芳1,2,尹玉龍3,岳 瑜4

(1.重慶交通大學(xué)交通土建工程材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 400074；3.廣西交通科學(xué)研究院貴州分院，貴陽(yáng) 550000;4.重慶鋼鐵集團(tuán)建設(shè)公司，重慶 400045)

研究了摻入0.05%～0.35%的玄武巖纖維對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度，劈裂抗拉強(qiáng)度以及彎曲性能的影響，并采用掃描電鏡對(duì)纖維在混凝土中的微觀作用機(jī)理進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，當(dāng)纖維的摻量在0.3%以?xún)?nèi)時(shí)，混凝土3 d、7 d、28 d的抗壓、抗拉強(qiáng)度都有不同程度的提高，當(dāng)摻量超過(guò)0.3%時(shí)，混凝土28 d的抗壓、抗拉強(qiáng)度開(kāi)始下降，且摻量越大，強(qiáng)度下降的也越多；彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入0.05%～0.25%的玄武巖纖維后，混凝土的抗折強(qiáng)度平均提高7.96%，摻量為0.2%時(shí)，抗折強(qiáng)度提高17.0%，且摻入玄武巖纖維后，混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有了明顯的屈服點(diǎn)，混凝土的極限拉伸值增大，彈性模量降低，剛度減小，延性與柔性增加，混凝土的抗裂性增加，使用壽命延長(zhǎng)。

玄武巖纖維; 混凝土; 力學(xué)性能

1 引 言

當(dāng)今材料領(lǐng)域內(nèi)，復(fù)合化是提高和改進(jìn)材料性能、開(kāi)發(fā)新材料品種并擴(kuò)大其應(yīng)用范圍的重要技術(shù)途徑。玄武巖纖維是一種新型無(wú)機(jī)纖維材料，具有良好的拉伸強(qiáng)度、較高的耐腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性、良好的絕緣性能、耐高溫和低溫?zé)岱€(wěn)定性、高的彈性模量、隔熱隔音性能及生產(chǎn)過(guò)程對(duì)健康和環(huán)境無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)，將短切玄武巖纖維加入到水泥基體中制成的玄武巖纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料具有許多優(yōu)異性能，是其他纖維的良好替代品[1-4]。因此，研究者們對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的影響進(jìn)行了大量的研究。Ramakrishnan等[5]將長(zhǎng)13 mm，直徑為12 μm，摻量為0.1%～0.5%的短切玄武巖纖維摻入到普通混凝土中，結(jié)果表明，玄武巖纖維的添加不會(huì)提高混凝土抗壓強(qiáng)度或抗折強(qiáng)度，然而，當(dāng)纖維的摻量為0.5%時(shí)，對(duì)混凝土的抗沖擊強(qiáng)度和抗彎韌性有明顯的改善；而B(niǎo)orhan[6]采用長(zhǎng)25.4 mm、直徑13 μm的玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土的研究表明，纖維摻量在0.3%的范圍內(nèi)，抗壓強(qiáng)度隨著纖維的摻量在增加，當(dāng)摻量增加到0.5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度開(kāi)始降低；KNUCA[7]采用長(zhǎng)24 mm、直徑為 16 μm的纖維時(shí)，抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別增加29%和14%；Padmanabhan Iyer則認(rèn)為[4]，纖維的最佳長(zhǎng)度和摻量分別是36 mm、8 kg/m3；Tehmina Ayub[8]的研究結(jié)果表明，摻入1%～3%的玄武巖纖維對(duì)混凝土的力學(xué)性能是有益的。可見(jiàn)，不同的玄武巖纖維長(zhǎng)度、直徑和摻量，以及不同的試驗(yàn)條件等對(duì)混凝土的力學(xué)性能影響也不相同，而力學(xué)性能是混凝土結(jié)構(gòu)的主要性能，進(jìn)一步研究玄武巖纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，掌握其對(duì)混凝土的作用機(jī)理，對(duì)玄武巖纖維在混凝土工程中的推廣應(yīng)用具有重要的意義。

2 試 驗(yàn)

2.1 原材料

水泥為重慶拉法基水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5R普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)組成見(jiàn)表1；細(xì)骨料為湖南洞庭湖天然中砂，細(xì)度模數(shù)為2.6；粗集料為碎石，粒徑5～20 mm；減水劑為北京瑞蒂斯建材有限公司生產(chǎn)的FAC聚羧酸高性能減水劑，含固量為20%，減水率大于27%；玄武巖纖維為四川航天拓鑫有限責(zé)任公司生產(chǎn)，長(zhǎng)18 mm，直徑15 μm，彈性模量93～110 GPa，密度2.65 g/cm3，抗拉強(qiáng)度4100～4840 MPa，斷裂延伸率為3.1%～3.2%。

表1 水泥化學(xué)組成Tab.1 Chemical composition of cement /%

2.2 試驗(yàn)方法

混凝土拌合物試樣的制備按《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS13-2009)進(jìn)行；抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及彎曲試驗(yàn)按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL352-2006)進(jìn)行，其中彎曲試驗(yàn)用簡(jiǎn)支梁三分點(diǎn)加荷的方法測(cè)定，同時(shí)測(cè)定混凝土的彎曲極限拉伸值和抗彎彈性模量。彎曲極限拉伸值可經(jīng)過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變曲線并經(jīng)回歸分析得出，抗彎彈性模量取應(yīng)力為0～0.5ft破壞應(yīng)力的割線彈性模量，按下列公式計(jì)算：

式中：Ef為抗彎彈性模量，MPa；σ0.5為50%的破壞應(yīng)力，MPa；ε0.5為σ0.5所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值。

采用北京中科科儀KYKY-2800B型掃描電鏡觀察玄武巖纖維混凝土的微觀形貌。

2.3 試驗(yàn)配比

本試驗(yàn)所用的混凝土基準(zhǔn)配合比為水泥∶砂子∶石子=1∶1.94∶2.38，w/c=0.38，減水劑的摻量為1%，其編號(hào)A0，纖維的體積摻量為0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%、0.35%，其編號(hào)分別對(duì)應(yīng)為A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7。

3 結(jié)果與討論

3.1 抗壓強(qiáng)度

圖1為摻入0.05%～0.35%時(shí)玄武巖纖維混凝土3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度。

由圖1可知，當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.05%～0.3%(A1～A6)時(shí)， 混凝土3 d抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)組混凝土(A0)平均提高13.5%，且纖維摻量為0.10%(A2)時(shí)強(qiáng)度提高20.3%；當(dāng)纖維摻量為0.05%～0.2%(A1～A4)時(shí)，混凝土的7 d，28 d抗壓強(qiáng)度分別提高2.5%～4.8%、1.6%～3.0%；當(dāng)纖維摻量超過(guò)0.25%(A5～A7)時(shí)，混凝土7 d，28 d抗壓強(qiáng)度均隨著纖維摻量的增加而降低，當(dāng)纖維摻量為0.3%和0.35%時(shí)，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度分別下降12.8%，14.3%。 因此，當(dāng)纖維的長(zhǎng)度確定時(shí)，合適摻量的玄武巖纖維對(duì)混凝土有增強(qiáng)的作用。

圖1 不同玄武巖纖維摻量對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響Fig.1 Compressive strength test results of basalt fiber reinforced concrete

圖2 不同玄武巖纖維摻量對(duì)混凝土的抗拉強(qiáng)度影響Fig.2 Splitting tensile strength test results of basalt fiber reinforced concrete

3.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

圖2為摻入0.05%～0.35%玄武巖纖維時(shí)混凝土的3 d、7 d和28 d劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

從圖2可知，當(dāng)玄武巖纖維摻量由0.05%(A1)增加到0.25%(A5)時(shí)，混凝土的3 d，7 d抗拉強(qiáng)度都有不同程度的提高；當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.20%(A4)時(shí)，混凝土3 d抗拉強(qiáng)度增幅最大，達(dá)12.2%；當(dāng)纖維摻量為0.1%(A2組)時(shí)，7 d、28 d抗拉強(qiáng)度的增幅最大，分別為11.9%、12.4%，但當(dāng)纖維的摻量繼續(xù)增加，超過(guò)0.25%(A6、A7)時(shí)，混凝土各齡期的抗拉強(qiáng)度都開(kāi)始下降，且摻量越大，下降的也越多，可見(jiàn)，纖維的摻量在0.3%以下時(shí)，能提高混凝土各齡期的抗拉強(qiáng)度。

以上關(guān)于纖維摻量對(duì)混凝土抗壓、抗拉強(qiáng)度的研究表明，當(dāng)纖維的長(zhǎng)度、直徑確定時(shí)，摻入適量的玄武巖纖維能提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，但當(dāng)纖維摻量過(guò)多時(shí)，對(duì)強(qiáng)度反而不利，這是因?yàn)檫^(guò)多纖維的摻入，使得纖維成團(tuán)，在水泥基質(zhì)留下更多的孔隙，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的缺陷增多，密實(shí)度降低[9,10]。

3.3 彎曲性能

對(duì)玄武巖纖維混凝土進(jìn)行的三分點(diǎn)彎曲應(yīng)力-應(yīng)變測(cè)試結(jié)果如圖3所示，其28 d抗折強(qiáng)度、極限拉伸值和彈性模量的測(cè)試結(jié)果如表3所示。

由圖3可知，基準(zhǔn)混凝土表現(xiàn)出了明顯的脆性破壞，但摻入0.05%～0.35%的玄武巖纖維后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線有了明顯的屈服點(diǎn)，且在此摻量范圍內(nèi)，玄武巖纖維混凝土的屈服極限應(yīng)變值基本相當(dāng)，但都大于基準(zhǔn)混凝土的極限應(yīng)變，這說(shuō)明當(dāng)基準(zhǔn)混凝土破壞時(shí)，摻入玄武巖纖維的混凝土仍具有一定的承載能力；當(dāng)纖維摻量為0.25%(A5)時(shí)，混凝土的撓度明顯增加，彈塑性階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升緩慢，曲線所包圍的面積也相應(yīng)增大，可見(jiàn)適量玄武巖纖維的摻入能有效地提高混凝土的韌性和剩余承載能力[11]。

圖3 28 d齡期各混凝土的抗彎應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve recorded for 28 d

表2的試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入0.05%～0.25%的玄武巖纖維，混凝土的抗折強(qiáng)度比基準(zhǔn)組(A0)有所提高，平均增幅7.96%，且當(dāng)摻量為0.2%(A4)時(shí)，抗折強(qiáng)度提高最多，為17.0%，當(dāng)纖維摻量超過(guò)0.3%(A6)時(shí)，抗折強(qiáng)度開(kāi)始下降；摻入玄武巖纖維后混凝土的極限拉伸值較基準(zhǔn)混凝土也有所增加，且隨纖維摻量的增加而增加，最大增幅達(dá)19.1%(A6)；此外，玄武巖纖維的摻入降低了混凝土的彈性模量，當(dāng)其摻量為0.05%～0.35%時(shí)，彈性模量下降3.87%～20.4%，混凝土的剛度減小，柔性增大，這與Tumadhir M.的研究結(jié)果基本一致[12]。究其原因可知，適量的玄武巖纖維能夠在混凝土內(nèi)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，均勻分布，與骨料共同受力，有利于混凝土的抗拉、抗彎等受力性能，降低混凝土的剛度，改善混凝土的延性與韌性，提高混凝土的抗裂性，從而延長(zhǎng)混凝土的使用壽命[4,12]。

表2 玄武巖纖維混凝土彎曲試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Bending test results of basalt fiber reinforced concrete

3.4 SEM分析

圖4是掃描電鏡觀察到的玄武巖纖維在混凝土中的分布情況。

圖4 玄武巖纖維混凝土SEM圖像(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

從圖4可知，玄武巖纖維摻入混凝土后的主要作用機(jī)理是通過(guò)纖維的剝離，滑動(dòng)和拉出控制橋聯(lián)作用[13]。當(dāng)玄武巖纖維摻入后，纖維在混凝土中呈無(wú)序、均勻分布狀態(tài)(如圖4c)，玄武巖纖維上有大量的水化產(chǎn)物附著，與基體有較好的結(jié)合形態(tài)(如圖4b)，且交叉分布的纖維能橫跨裂縫并阻擋微裂縫的擴(kuò)展，有效地吸收和耗散能量，從而增加混凝土的延性，提高其抗裂性。但纖維摻入混凝土后，纖維之間的相互接觸必然導(dǎo)致微孔的出現(xiàn)，當(dāng)纖維摻量較低時(shí)，纖維之間的接觸點(diǎn)也少，纖維的強(qiáng)度作用處于主導(dǎo)地位，隨著纖維摻量的增加，當(dāng)其摻量增大到0.35%時(shí)(如圖4d)，纖維之間的接觸點(diǎn)增多，使得混凝土中微孔數(shù)量增加，并成為裂縫從而導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度有所下降[14-15]。

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)玄武巖纖維的摻量在0.3%以?xún)?nèi)時(shí)，混凝土3 d、7 d、28 d的抗壓、抗拉強(qiáng)度都有不同程度的提高，但28 d抗壓強(qiáng)度增加量有限，在3%以?xún)?nèi)，當(dāng)纖維摻量為0.1%時(shí)，混凝土28 d抗拉強(qiáng)度提高12.4%但當(dāng)纖維的摻量超過(guò)0.3%時(shí)，混凝土28 d的抗壓、抗拉強(qiáng)度開(kāi)始下降，且摻量越大，強(qiáng)度下降的也越多;

(2)摻入0.05%～0.25%的玄武巖纖維后，混凝土的抗折強(qiáng)度平均提高7.96%，摻量為0.2%時(shí)，抗折強(qiáng)度提高17.0%，且摻入玄武巖纖維后，混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有了明顯的屈服點(diǎn)，混凝土的極限拉伸值增大，彈性模量降低，剛度減小，延性與柔性增加，混凝土的剩余承載能力提高;

(3)SEM分析表明，適量的玄武巖纖維在混凝土中能形成致密、亂向分布的網(wǎng)狀支撐結(jié)構(gòu)體系，纖維能與基體有良好的結(jié)合形態(tài)，很好地阻擋微裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展，提高玄武巖纖維混凝土的抗裂性，延長(zhǎng)混凝土的壽命;

(4)本研究成果為玄武巖纖維的研究和應(yīng)用奠定一定的理論基礎(chǔ)，但是不同的玄武巖纖維長(zhǎng)度、直徑和摻量，以及不同的試驗(yàn)條件等對(duì)混凝土的力學(xué)性能影響也不相同，這在目前的相關(guān)研究中也有所體現(xiàn)，因此，實(shí)際工程中使用玄武巖纖維時(shí)，必須通過(guò)試驗(yàn)確定其最佳摻量，以便其為提高混凝土的性能，延長(zhǎng)混凝土的使用壽命發(fā)揮更大的作用。

[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] 沈榮熹,崔 琪,李清海.新型纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料[M].北京:中國(guó)建材工業(yè)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] 葉邦土,孫 偉,蔣金洋,等.玄武巖纖維增強(qiáng)粉煤灰水泥漿體的耐久性及缺陷分析[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，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] 葉邦土,蔣金洋.玄武巖纖維及其增強(qiáng)水泥基材料的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)A:綜述篇,2013,27(10):102-108.

[12] 劉 瑤,張光洙,王云鶴.玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能研究及機(jī)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] 張?zhí)m芳,尹玉龍.玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的研究[J].硅酸鹽通報(bào),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

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51502029);重慶交通大學(xué)交通土建工程材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(LHSYS-2012-004);重慶交通大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(20130113)

張?zhí)m芳(1976-)，女，副教授，碩導(dǎo)，博士.主要從事新型建筑材料的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)09-2724-05