玄武巖纖維對混凝土力學性能的作用機理研究

文章通過形態破壞和力學強度試驗，研究了摻玄武巖纖維對混凝土抗壓強度和劈拉強度的影響規律。結果表明：增大玄武巖纖維摻量會導致混凝土密實度先增加后減小，抗壓強度也表現出相同的變化規律，而劈拉強度則表現出逐漸上升趨勢；體積摻量達到0.2%時的抗壓強度最大，達到0.6%時的劈拉強度最高。研究結果為結構加固改造設計以及解決低溫或寒冬地區混凝土凍害問題提供參考。

玄武巖纖維；抗壓強度；劈拉強度；作用機理；混凝土

U414.1A040114

基金項目：

廣西重點研發計劃“雙層濕-濕連接水泥混凝土復合式路面研究”（編號：桂科AB20159036）

作者簡介：

萬發明（1985—），碩士，高級工程師，主要從事道路工程設計和施工工作。

0" 引言

在夜晚低溫或寒冷地區，混凝土構筑物常常面臨著凍害的威脅，由于凍害現象的頻繁發生，工程結構可能會過早發生破壞倒塌［1］。這是因為凍結作用下混凝土中的水分會發生相變形成膨脹應力，加之基體內毛細水運動造成的液體壓力易導致結構及構件的破壞［2］。而摻加纖維可以有效改善凍害情況，因具有抗裂性好、耐腐蝕性強、性價比和抗拉強度高等特點，玄武巖纖維逐漸成為實際工程中廣泛應用的材料。在寒冷地區或冬季施工中，道路和橋梁等交通基礎設施亦經常受到凍害的影響，導致結構損壞和維護成本增加。通過摻入玄武巖纖維的混凝土，可以提高混凝土抗壓和劈拉強度，從而增強交通基礎設施的耐久性和抗凍性能。

我國諸多學者從不同角度深入探究了玄武巖纖維，如王瑞珍等［3］認為摻入適量玄武巖纖維能夠提高混凝土抗折、抗壓強度和抗凍性能；李智睿等［4］通過試驗表明，混凝土受鹽凍侵蝕的損傷要高于清水凍融，纖維能夠降低鹽凍條件下的基體強度衰減速率，大大提升其強度和耐久性；王海龍等［5］研究表明水環境會降低混凝土的抗壓強度及開裂應力，而孔隙水壓力將加速裂紋的擴展及試件損傷；段運等［6］研究了負溫條件下混凝土抗滲性及孔結構，結果發現負溫環境會增大孔徑，降低材料的抗滲性；Zeng等［7］通過微觀結構觀察和力學性能試驗，研究了單面鹽凍干濕循環對混凝土抗壓及劈拉強度的劣化作用，結果發現其力學性能與孔隙結構密切相關；甘磊等［8］認為在混凝土內部玄武巖纖維發揮著橋接傳力作用，可以延緩硫酸鹽侵蝕下表層水泥漿體脫落，其相對質量增長率隨侵蝕齡期的延長逐漸放緩。雖然在普通混凝土中摻入玄武巖纖維可以形成綜合性能更優的新型材料，但進一步研究其力學特性及配比優化設計的較少。因此，本文通過試驗探討了體積摻量分別為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%和0.6%的玄武巖纖維對混凝土基體強度及破壞形態的影響，并結合試驗數據提出最優摻量，以期為交通基礎設施工程結構加固改造設計以及解決低溫或寒冷地區混凝土凍害問題提供參考。

1" 試驗方案

1.1" 配合比設計

考慮混凝土使用環境條件、配合比設計規范和原材料特性，確定設計強度等級為C40，設計纖維摻量分別為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%和0.6%，其中摻量0屬于基準對照組普通混凝土。各原材料用量見表1。

1.2" 試驗方法

（1）在試件制作之前，一般要將簇狀玄武巖纖維打散才能使用，然后在稱量好的河砂中加入玄武巖纖維并攪拌均勻，使用振搗棒振動和手工揉搓的方式使玄武巖纖維充分離散，通過河砂的摩擦力使其均勻分布于細骨料內。

（2）將稱量好的水泥、碎石、水、減水劑等原材料依次放入攪拌機進行攪拌，直至攪拌均勻形成均勻混合物。采用直徑為50 mm×高為100 mm、直徑為50 mm×高為50 mm兩種規格的模具，并確保模具干凈、平整，在內壁涂上薄層油或潤滑劑，以防止混凝土粘附。把攪拌好的拌和物分次倒入模具中，填充至模具頂部，避免出現空隙，可以使用振搗棒充分振搗以排出混凝土中的氣泡，提高密實度；選用刮板修整表面，使其平整并與邊緣齊平。在模具上注明相應的標記信息，如試塊編號、澆筑時間等。根據養護要求，采用塑料薄膜覆蓋帶模試塊表面，以防止水分的過早流失，一般室溫條件下的帶模養護時間為24 h，使其逐漸凝固硬化。

（3）在室溫養護24 h達到一定強度后，拆除模具。該過程要小心地進行拆卸，以防對試塊造成損傷。然后把脫模后的試塊放入標養室養護至28 d，完成養護后取出進行切割打磨，以備后續試驗使用。

采用體積摻量分別為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%以及0.6%的玄武巖纖維混凝土試件，每種摻量制備5個試件，共計70個。研究選用35個100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件進行劈裂抗拉測試，選取直徑50 mm×高100 mm的圓柱體試件進行單軸抗壓測試。試件外觀形式如圖1所示。

（a）劈裂抗拉試件

（b）單軸抗壓試件

2" 試驗結果與分析

2.1" 物理指標分析

試驗測試不同摻量下，各組試件在自然狀態的密度、質量和縱波波速。主要物理參數見表2。

由表2可知，隨著纖維體積摻量的增加，試件密度整體呈小幅下降趨勢。這是因為在制作過程中，由于操作不當使得纖維的分散性較差，從而形成一定的結團現象，這些結團會導致內部孔隙率增加，從而影響試件的整體密度。然而，這個密度減小的差異一般很小，且不會顯著改變混凝土的性能［9-10］。另外，纖維的結團現象隨著摻量的增加更加明顯，但其對試件密度的影響有限，纖維摻量的最大變化量所引起的密度改變不超過3%，且玄武巖纖維摻量對試件縱波坡度的影響可以忽略不計。

2.2" 抗壓強度分析

纖維摻量分別為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%及0.6%時制備的混凝土28 d抗壓強度見表3，抗壓破壞形式如圖2所示。

根據表3試驗檢測數據，J1～J6組試件強度依次分別為54.88 MPa、57.70 MPa、56.62 MPa、52.51 MPa、46.08 MPa和46.95 MPa，摻玄武巖纖維組試件相比于基準對照組試件的強度（43.91 MPa）分別增加24.98%、31.41%、28.95%、19.59%、4.94%、6.92%。極限狀態下，摻量分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%及0.6%時制備的混凝土試塊應變依次分別為3.86×10-3、4.25×10-3、4.52×10-3、4.17×10-3、3.75×10-3和3.81×10-3，摻玄武巖纖維組試件相比于基準對照組試件的應變（3.36×10-3）分別增加14.88%、26.49%、34.52%、24.11%、11.61%、13.39%。

通過觀察試件破壞形態，摻玄武巖纖維組與基準對照組試件均發生了剪切破壞，在試驗過程中基準組試件的裂縫發展快、破碎程度高，在一瞬間發生破壞。摻玄武巖纖維混凝土試件的裂縫發展速度相對減慢，試驗過程中能夠看到裂縫的擴張過程，因內部纖維承擔了一定拉力作用，其破碎程度相對較低，且破碎后較完整，其完整度隨玄武巖纖維摻量的增加而降低，尤其是摻量達到0.5%～0.6%時的完整度較好，試件被破碎成多個小塊，整體破碎程度也較低。

從圖3可以看出，初期隨著纖維摻量增加，混凝土的強度和應變性能得到增強，即纖維能有效地抵抗裂紋擴展，從而延緩試件的破壞。然而，過多的纖維會導致混凝土內部構造的不均勻性增加，甚至影響到混凝土的流動性和成型性。具體而言，纖維摻量為0.2%時的強度最高，與基準組相比提高31.41%；持續增大纖維摻量至0.3%時試件強度有所下降，從0.3逐漸增加到0.5%時試件強度持續降低，并且降幅逐漸增加，進一步增加纖維摻量達到0.5%和0.6%時的強度相差不大。

極限狀態下試件的應變隨玄武巖纖維體積摻量的增加也表現出先上升后降低的變化規律。纖維摻量從0.1%增大到0.3%時，試件的應變逐漸提高，摻量為0.3%時的應變達到最大，此時的應變相較于基準對照組提高34.52%；從0.3%持續增大纖維摻量至0.5%，極限狀態下試件的應變逐漸降低；纖維摻量從0.5%增大到0.6%，對應的試件應變未發生明顯改變，此時相較于基準對照組的應變近提高13.39%。由于試件制作過程中可能存在玄武巖纖維分布不均問題，使得纖維極易結團，增大內部孔隙率，并且這種結團現象隨纖維摻量的增加更加明顯。因此，裂縫在荷載作用下容易沿空隙快速擴展，使得抗壓強度下降更易引起破壞。

總體上，體積摻量為0.2%和0.3%時玄武巖纖維的增強效果最好，其中摻0.2%玄武巖纖維時試件強度達到最高，而摻0.3%玄武巖纖維時試件的極限應變達到最高。由于玄武巖纖維體積摻量為0.2%與0.3%時的強度相差不大，綜合考慮強度和應變確定其最優體積摻量為0.3%。

2.3" 劈拉強度分析

纖維摻量分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%及0.6%時制備的混凝土28 d劈拉強度見表4，劈拉破壞形式如圖4所示。

由表4可知，摻量分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%及0.6%時制備的混凝土28 d劈拉強度依次為3.17 MPa、3.45 MPa、3.66 MPa、3.72 MPa、3.78 MPa和3.86 MPa，摻玄武巖纖維組試件相比于基準對照組試件的強度（2.91 MPa）分別增加8.93%、18.56%、25.77%、27.84%、29.90%、32.65%，隨纖維摻量的增加劈拉強度呈不斷上升趨勢。

試驗過程中發現，在加載初期基準組試件表現出較少的變形，直到達到極限抗拉強度時，突然出現裂縫，并伴隨脆響迅速擴展至破壞，這表明試件具有較低的延展性，一旦出現裂縫，破壞過程非常迅速。

相比之下，摻入玄武巖纖維的試件在劈拉過程中表現出不同的破壞特征，例如摻0.3%纖維試件在極限荷載下表現出較短時間的自身強度保持，這表明纖維在一定程度上延緩了裂紋擴展的速度，試件發生一定程度的變形，然后才發生破壞。當摻量增至0.6%時，試件強度保持時間進一步延長，在達到極限荷載后經歷更大的變形，才最終發生破壞，這表明增加纖維摻量能夠顯著提高混凝土的延展性和耐久性，使得試件在承受極限荷載時能夠更長時間地維持自身結構完整性。

2.4" 纖維的增強阻裂作用機理

摻0.2%玄武巖纖維混凝土裂縫如圖5所示，從圖5可以看出，玄武巖纖維的直徑小且抗拉強度高，可以填補內部的微觀空隙，增加基體的密實性和黏結性。另外，均勻分布的纖維形成的網絡系統可以使得混凝土試件內部各種材料間形成更緊密的聯系，有利于增強結構的整體性能。在單軸壓縮試驗過程中，試件初始加載時，由于加載還不足以引起顯著應力集中或裂紋擴展，試件主要表現出縱向變形，而橫向變形較少，這是因為玄武巖纖維尚未完全發揮作用，其抗拉強度并未充分發揮出來，因此未能有效地約束試件的橫向變形。隨著加載的持續進行，試塊開始發生縱向變形，同時伴隨著試件的橫向膨脹變形，這時玄武巖纖維的作用逐漸顯現，在試件內部承擔橫向膨脹變形的部分應力，這種約束作用有助于抑制橫向變形和微小裂縫的擴展，在一定程度上保持試件的整體結構穩定。當試件接近破壞時，橫向膨脹變形變得更加顯著，而玄武巖纖維能夠承擔橫向膨脹過程中的應力，從而減緩微小裂縫的擴展速度，即纖維具有較高的抗拉強度，能夠有效地約束試件的橫向變形，防止裂紋過早擴展，最終提高試件的抗壓強度。

（a）

（b）

玄武巖纖維的阻裂作用機制主要體現在以下幾個方面：摻入的纖維可以在混凝土中均勻分散，在纖維之間形成一種交織的網絡結構，這種結構可以有效地抑制裂紋的擴展，使得裂紋無法迅速傳播，從而提高試件的抗裂性能。此外，纖維本身具有較高的抗拉強度，在試件受到拉應力時能夠承擔一部分拉力，從而有效阻止裂紋的擴展，延緩試件的破壞過程。同時，纖維本身具有一定的延展性，在一定程度上進行變形，吸收外部作用力，提高試件的耐久性和韌性。因此，控制玄武巖纖維的摻量可以調節其在混凝土中形成的網絡密度和作用效果，適當的摻量可以最大化其防裂和增強作用，使得試件的劈拉強度達到最佳狀態。然而，過高的纖維摻量可能導致混凝土內部結構的不均勻性問題，從而影響到阻裂性能表現，在工程實踐中需要進行綜合考慮和優化。

3" 結語

（1）隨著纖維體積摻量的增加，混凝土密度整體呈小幅下降趨勢，且這個密度減小的差異一般很小，不會顯著改變混凝土的性能。

（2）增加玄武巖纖維摻量會使混凝土抗壓強度先增加后減小，并且纖維摻量增大到0.2%時達到最大值，此時相較于基準對照組增大31.41%，進一步增大摻量至0.3%時的強度有所下降。這是因為試件制作過程中可能存在玄武巖纖維分布不均問題，使得纖維極易結團，增大內部孔隙率，且這種結團現象隨纖維摻量的增加更加明顯。因此，內部裂縫在荷載作用下容易沿空隙快速擴展，使得抗壓能力下降更易引起破壞。

（3）混凝土劈拉強度隨玄武巖纖維摻量的增加逐漸增加，摻量為0.6%時的劈拉強度相比于基準對照組增大32.65%。這是由于玄武巖纖維具有較高的抗拉強度和較小的直徑，摻入后可以形成類似網絡系統的結構，抑制細微裂縫的發展，且纖維承受了一部分的拉應力，由于具有較高的抗拉強度，使得混凝土劈拉強度明顯提升。

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20240420