玄武巖纖維對水泥基復合材料抗折強度影響研究

王玲玲 陳慧玲 李世晉 賈茗森 常小龍 師文婧 孟憲宇

(沈陽建筑大學材料科學與工程學院)

玄武巖纖維物理和化學性質良好，是具有高強度、高溫穩定性、高韌性和高耐腐蝕性的先進天然纖維材料[1,2]。水泥基復合材料作為世界使用最多的土木工程材料，有抗拉能力弱、容易出現開裂、應變能力不強等弊端。本文通過不同方式（單摻、混摻）將不同長度（6mm、9mm、12mm）、不同摻量（0.1%、0.3%、0.5%）的玄武巖纖維摻入水泥基復合材料，探究抗折強度的變化規律，為工程實踐提供理論依據和技術支撐。

1 試驗

1.1 試驗原材料

水泥：P·O42.5 普通硅酸鹽水泥；河砂：普通河砂，細度模數為2.36；減水劑：聚羧酸高效減水劑，減水率≥30%；水：普通自來水；玄武巖纖維：常州博超工程材料有限公司生產的不同長度（6mm、9mm、12mm）的玄武巖纖維，其基本性能數據如表1所示。

表1 玄武巖纖維性能

1.2 抗折強度試驗

按照GB/T17671-2021《水泥膠砂強度檢測方法(ISO 法)》，采用40mm×40mm×160mm 的試件，測試其抗折強度。

2 相同長度玄武巖纖維單摻對水泥基復合材料抗折強度的影響

2.1 單摻試驗方案

采用纖維長度6mm、9mm、12mm，纖維體積摻量分別為0.1%、0.3%、0.5%及空白組，設計玄武巖纖維單摻試驗方案如表2所示。

表2 單摻試驗方案

2.2 單摻玄武巖纖維對水泥基復合材料抗折強度的影響

2.2.1 玄武巖纖維摻量對水泥基復合材料抗折強度的影響

玄武巖纖維摻量對水泥基復合材料7d、28d 抗折強度的影響分別如圖1、圖2所示。

圖1 纖維摻量對水泥基復合材料7d抗折強度影響

圖2 纖維摻量對水泥基復合材料28d抗折強度影響

圖1和圖2表明，6mm和9mm長度纖維對于水泥基復合材料7d 抗折強度的最優摻量均為0.3%，分別較空白組提升41.66%和42.60%；對于水泥基復合材料28d 抗折強度的最優摻量亦均為0.3%，分別較空白組提升43.42%和46.81%。12mm長度纖維對于水泥基復合材料7d抗折強度和28d抗折強度的最優摻量均為0.1%，較空白組分別提升39.4%和35.59%。這是因為適當長度的玄武巖纖維表面光滑堅硬，適量摻入會在水泥基復合材料內部起到類似于鋼筋的作用，有效提升抗折強度[3]；纖維過長過量會使其無法均勻分布在水泥基復合材料中，內部結構變差導致抗折強度下降。因此，本單摻試驗玄武巖纖維最優摻量為0.3%。

2.2.2 玄武巖纖維長度對水泥基復合材料抗折強度的影響

玄武巖纖維長度對水泥基復合材料7d、28d 抗折強度的影響分別如圖3、圖4 所示。圖3 和圖4 顯示，隨著玄武巖纖維長度的增加，水泥基復合材料的7d和28d抗折強度均呈先上升后下降的趨勢。當纖維長度為9mm時，0.1%、0.3%、0.5%各摻量的玄武巖纖維水泥基復合材料的7d和28d抗折強度都達到最高值，分別較空白組提 升 40.61%、42.60%、36.49% 和 40.94%、46.81%、28.68%。這是因為適當長度纖維的適量摻加會在水泥基復合材料內部均勻分散[4]，使其不易彎折開裂。綜上所述，本單摻試驗玄武巖纖維的最優長度為9mm。

圖3 纖維長度對水泥基復合材料7d抗折強度影響

圖4 纖維長度對水泥基復合材料28d抗折強度影響

3 不同長度玄武巖纖維混摻對水泥基復合材料抗折強度的影響

3.1 混摻試驗方案

由單摻試驗玄武巖纖維最優摻量0.3%，對6mm、9mm、12mm 三種不同長度的玄武巖纖維設計混摻試驗方案如表3所示。

表3 混摻試驗方案

3.2 玄武巖纖維混摻對水泥基復合材料抗折強度的影響

圖5反映，6mm、9mm、12mm三種纖維長度等量混摻的BB4 組7d 和28d 抗折強度的提升效果最顯著。水泥基復合材料7d 抗折強度分別比單摻組提升了6.26%、5.57%、10.79%；分別比雙摻組提升了10.54%、4.56%、2.28%；28d 抗折強度分別比單摻組提升了8.82%、6.31%和16.21%；分別比雙摻組提升了7.35%、4.82%和1.18%。在玄武巖纖維總摻量相同的情況下，各種長度纖維的適量摻加和相互搭配，形成了水泥基復合材料內部的立體網狀纖維結構，有效阻止裂紋的產生和擴散[5]，進一步提高了水泥基復合材料的抗折強度。綜上所述，本試驗的最優配比為6mm、9mm、12mm 三種不同長度玄武巖纖維各取0.1%等量混摻。

圖5 玄武巖纖維混摻對水泥基復合材料7d、28d抗折強度的影響

4 結論

采用6mm、9mm、12mm 三種不同長度和0.1%、0.3%、0.5%三種不同摻量的玄武巖纖維，分別設計單摻和混摻試驗方案制備水泥基復合材料并對其7d 和28d 抗折強度進行測試，得到如下結論：

⑴單摻試驗對于水泥基復合材料7d 和28d 抗折強度，玄武巖纖維的最優長度為9mm，最優摻量為0.3%。

⑵混摻試驗水泥基復合材料7d 和28d 抗折強度的最優配比為6mm、9mm、12mm 三種不同長度玄武巖纖維各取0.1%等量混摻。