玄武巖纖維含量對混凝土強度及破壞規律影響研究*

丁傳海

(中交一公局第三工程有限公司，北京 101102)

0 引言

國內外關于玄武巖纖維混凝土進行了相關研究，如盧睿[1]通過研究短切玄武巖纖維自密實混凝土的抗壓、劈裂抗拉及彎拉強度，得到最佳摻量和最佳長徑比作用下，短切玄武巖纖維混凝土的力學特性；葉邦土等[2]針對大摻量(礦物摻合料)高強度混凝土增加玄武巖纖維后開裂特性進行了研究，并提出高強混凝土摻入0.3%的玄武巖纖維后，其開裂指數降低為普通混凝土的93.3%；何松華[3]研究得出，玄武巖纖維摻量體積0.08%～03%對其抗壓強度的影響不明顯，但長度為18，12mm的玄武巖纖維使得其抗壓強度有所下降，隨著纖維摻量的增加，劈裂抗拉強度和拉壓比均有所提高；吳釗賢等[4]研究得出，隨著玄武巖纖維摻量的增加，試樣混凝土的早期強度增加明顯，其抗壓強度也有所提高，但其坍落度值有所下降；趙星等[5]研究發現，隨著摻加玄武巖纖維長徑比的增加，泡沫混凝土的抗壓、抗折強度逐漸增加；王學志等[6]研究得出，摻加纖維的混凝土可很大程度改善基體混凝土的彎曲性能，但混雜比例會造成基體混凝土的韌性降低；阮明和等[7]、張蘭芳等[8]研究提出，玄武巖纖維摻量與混凝土的抗壓強度增長呈正相關，與混凝土的脆性呈負相關；另外一些學者也得到，在輕骨料混凝土中摻入聚丙烯纖維，可很好地提高輕骨料混凝土的抗壓強度、改善脆性[9-12]。

由分析可知，關于玄武巖纖維摻入混凝土后的力學性能進行了一系列研究，但關于纖維長度、摻量比例影響下混凝土的抗壓強度、破壞特征及狀態過渡等方面的研究較少，其最優摻量確認方法更是少之又少；而針對大跨結構混凝土工程中，玄武巖纖維摻入量影響較大，對其抗壓、抗折及破壞特征與規律的研究意義重大。本文以濟南地區某大跨綜合管廊結構為背景，系統研究不同纖維長度、摻入量玄武巖纖維混凝土在受壓、受彎狀態下的最優摻量，并從破壞特征、斷裂位移特征分析玄武巖纖維摻入對抗壓、抗折性能的影響原因，其研究成果可為類似工程項目應用提供依據，具有廣闊的應用和推廣前景。

1 試驗概況

為分析混凝土抗壓、抗折等力學性能、變形破壞特征規律受玄武巖纖維的影響，制作的玄武巖纖維混凝土試樣僅改變其中纖維長度和摻量而不改變基準混凝土配合比，其中纖維長度分別考慮6，12mm 2種，體積摻量考慮0，0.2%，0.4%，0.6% 4種，具體工況如表1所示。

表1 玄武巖纖維混凝土工況

1)單軸壓縮試驗 利用位移控制的電液伺服試驗機進行加載，通過控制位移加載速率。需在試樣的上下端涂抹凡士林以消除端部效應的影響。試驗進行前選取符合GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》的3個試樣算術平均值作為其抗壓強度值。考慮本試驗試件為非標準件，其抗壓強度還須乘以尺寸換算系數0.95，最終結果精確到0.1MPa。

2)三點彎曲試驗 采取5N/s的加載速率進行試驗加載，待試樣發生破壞后的力值回歸到100N時為止；借助CCD相機采集、監測整個試驗過程。

2 玄武巖纖維混凝土抗壓強度及破壞特征規律分析

2.1 抗壓強度分析

玄武巖纖維混凝土抗壓強度規律如圖1所示，由分析可知：①玄武巖纖維長度為6mm時，混凝土抗壓強度隨著玄武巖纖維摻量的增大，其抗壓強度先增大后降低，最后保持穩定，抗壓強度最大值為玄武巖纖維體積摻量在0.2%時，其值為不摻加玄武巖纖維混凝土的1.26倍，最小值為不摻加玄武巖纖維混凝土的1.18倍；②玄武巖纖維長度為12mm時，混凝土抗壓強度隨著玄武巖纖維摻量的增大，其抗壓強度先增大后降低，抗壓強度最大值為玄武巖纖維體積摻量在0.4%時，其值為不摻加玄武巖纖維混凝土的1.36倍；最小值為不摻加玄武巖纖維混凝土的1.28倍。這說明玄武巖纖維可有效提高混凝土抗壓強度。

圖1 玄武巖纖維混凝土抗壓強度規律

2.2 抗壓強度破壞特征規律研究

單軸抗壓試驗破壞塊體粒徑分布規律如圖2所示，由分析可知：

圖2 單軸抗壓試驗破壞塊體粒徑分布

1)纖維長度為6mm的玄武巖纖維混凝土試塊，單軸壓縮破壞后玄武巖纖維混凝土破壞塊體粒徑分布出現2個峰值，其中一個峰值對應的粒徑為2.5～5mm，另一個峰值對應的粒徑為<1.25mm。摻量為0的玄武巖纖維混凝土破壞試塊2.5～5mm粒徑峰值占比為80%，而<1.25mm粒徑峰值相對較小，僅為12%；隨著玄武巖纖維摻量的增大，破壞塊體粒徑2.5～5mm占比先降低(0.2%)后增大(0.4%～0.6%)；抗壓強度最優體積摻量(0.2%)峰值位置發生變化，為破壞試塊粒徑峰值>16mm(最大粒徑)，其值為55%，其他基本保持均勻分布。

2)纖維長度為12mm的玄武巖纖維混凝土試塊，受單軸壓縮破壞后玄武巖纖維混凝土破壞塊體粒徑分布出現2～3個峰值，峰值分布差異性相對較大。摻量為0的玄武巖纖維混凝土峰值為2.5～5mm，摻量為0.2%的玄武巖纖維混凝土破壞試塊粒徑峰值>16mm，摻量為0.4%～6%的混凝土破壞試塊粒徑峰值為5～7mm。

整體而言，玄武巖纖維摻量為0.2%，混凝土試塊破壞塊體粒徑主要集中在>16mm；最優摻量玄武巖纖維混凝土破壞塊體主粒徑分布均呈現集中分布，其他呈波狀分布，進一步驗證玄武巖纖維混凝土整體依然表現為脆性破壞；但玄武巖纖維摻入后使得局部受到一定約束，故由脆性破壞向延性破壞轉變，造成部分破壞塊體粒徑呈波狀分布。

3 玄武巖纖維混凝土抗折強度及破壞規律

3.1 抗折強度分析

分析表2中玄武巖纖維混凝土抗折特性可知：①玄武巖纖維摻量增大時，混凝土的起裂荷載、起裂韌度變化相對較小，進一步說明變形較小時，玄武巖纖維所起作用不明顯；②玄武巖纖維混凝土失穩荷載變化相對較大，且失穩斷裂韌度變化較大，說明在變形較大時，玄武巖纖維所起作用明顯。

表2 玄武巖纖維混凝土抗折性能參數

3.2 破壞特征規律研究

根據玄武巖纖維混凝土抗折強度試驗結果匯總得到表3，由分析可知：

表3 抗折試驗位移云圖

1)摻量為0的玄武巖纖維混凝土位移云圖中，在預制裂紋兩側均出現明顯位移差異，且在預制裂紋單側存在2個位移差異區域。

2)對于摻入玄武巖纖維長度為6，12mm的玄武巖纖維混凝土，其預制裂紋兩側均出現明顯位移差異，且預制裂紋單側均存在3個位移差異區域。

3)對比不同摻量玄武巖纖維混凝土的斷裂破壞位移云圖可知：①對于摻入玄武巖纖維長度6mm的玄武巖纖維混凝土，摻入玄武巖纖維致使其預制裂紋單側差異區域由2個位移差異區域變為3個，且差異區域隨著玄武巖纖維摻量增大，由底部逐漸向頂部移動；摻量為0.6%試樣位移差異區域由水平轉變為垂向；②對于摻入玄武巖纖維長度12mm的玄武巖纖維混凝土，預制裂紋單側差異區域也是由2個位移差異區域變為3個，且隨著玄武巖纖維摻量增大，位移云圖差異區域的差異性越來越小。

4)摻入玄武巖纖維混凝土與普通混凝土的位移云圖差異性小，說明其破壞本質由脆性破壞向延性破壞轉變，最優摻量混凝土位移云圖差異性分布更加均勻，使得應力集中現象更加不明顯，從而使混凝土有較高強度。

4 結語

1)玄武巖纖維混凝土較普通混凝土的抗壓和抗折強度均有提高，其次玄武巖纖維混凝土的抗壓和抗折強度對應的最優摻量范圍在0.2%～0.4%，且纖維長度和受力狀態均對其最優摻量有影響。

2)玄武巖纖維摻入混凝土后改變了局部應力與應變集中狀態，增強了局部抵抗應力與應變的能力，致使其抗壓強度和抗折強度均有提高。

3)摻入玄武巖纖維的混凝土呈脆性破壞特征，但局部伴有延性破壞。

4)由三點彎曲試驗可知，摻入玄武巖纖維后的混凝土預制裂縫兩側位移差值均降低，單側位移差異區域分布也呈緩慢階梯變化；而未摻入玄武巖纖維混凝土則是單側位移差異區域急劇變化。