何 龙

(新疆额尔齐斯河投资开发(集团)有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

加纤混凝土为一种较新型的水泥基复合材料，它具有较佳的抗弯拉、抗阻裂限缩、抗冲击性能，在防渗、耐冻能力等方面也表现突出，适用于多种工程环境。玄武岩纤维(Basalt Fiber 简称BF)以玄武岩为原料，经高温熔融后快速拉制而成的连续纤维，具有耐高温、耐低温、阻燃等卓越的综合物理性能，此外其相容性好，热稳定性、抗老化性优异，拉伸强度高于大丝束碳纤维[1-4]。

V. Ramakrishnan等[5]表明玄武岩纤维体积率在混凝土中高达0.5%的情况下，混凝土仍保有不错的性能。董国义等研究发现，玄武岩纤维对混凝土抗压性能的提升起到了显著的效果，较普通混凝土而言抗压强度提高了12.2%～14.8%[6]。廉杰等[7]发现在混凝土中掺入较短的玄武岩纤维时，混凝土可较早获得较高的强度。王兴舟等[8]表明玄武岩纤维混凝土较普通混凝土轴心抗压强度高。李韧等[9]通过实验结果发现，在混凝土中加入短切玄武岩纤维后，其抗折强度及劈裂抗拉强度均受到明显影响，随着短切玄武岩纤维体力掺量的增大，其劈裂抗拉强度会先下降后提升。玄武岩纤维作为工程常用的集中纤维材料，掺入到普通水泥混凝土中形成新型的纤维混凝土，其综合性能优于普通水泥混凝土[10-15]，但现在关于玄武岩纤维体积混凝土优化设计及力学特性研究有待进一步研究，因而展开了不同玄武岩纤维体积掺量的改性混凝土的力学变形的试验研究。

本文以掺加体积率为0.00%，0.05%，0.10%，0.20%，0.30%，0.40%以及0.50%的玄武岩纤维配置出的玄武岩纤维改性混凝土为研究对象，研究玄武岩纤维掺加体积率对玄武岩纤维改性混凝土物理性质及力学性能的影响，并在此基础上找出玄武岩纤维的最佳掺量，为实际工程应用提供数据参考。

1 试验材料与方法

1.1 配合比设计

基于混凝土配合比规范，在C40混凝土的基础上分别加入体积率为0.00%，0.05%，0.10%，0.20%，0.30%，0.40%，0.50%的玄武岩纤维，并分别记为BF0.00，BF0.05，BF0.10，BF0.20，BF0.30，BF0.40，BF0.50，获得各体积率玄武岩纤维改性混凝土的配合比。其中，加入体积率为0.00%玄武岩纤维的混凝土为对照组，即普通混凝土。各体积率玄武岩纤维改性混凝土具体配合比见表1。

表1 混凝土配比表

1.2 试件制备

玄武岩纤维一般为簇状，需将其打散才能用于改性混凝土制作，因而首先将其加入到称量好的细骨料之中，让玄武岩纤维与细骨料搅拌均匀，然后再通过手的揉搓及振捣棒的振动，借助细骨料的摩檫力，使玄武岩纤维充分离散，均匀分布在细骨料中，而后分别加入称量好的粗骨料、水泥、水等，搅拌均匀。

选用直径50 mm完整模具，清理内壁并刷上一层油，以便后面脱模；将混合均匀玄武岩纤维、细骨料、粗骨料、水及减水剂分次导入模具，并使用振捣棒充分振动以便试件装填密实；待各试件放置阴凉处养护28 d后进行切割打磨。

1.3 试验种类及数量

分别选取玄武岩纤维掺量为0.00%，0.05%，0.10%，0.20%，0.30%，0.40%，0.50%各7种改性混凝土试件，每种玄武岩纤维掺量的改性混凝土试件5个。本次试验共需试件70个，用于单轴抗拉试验、劈裂抗拉试验的试件各35个，其中，单轴抗拉试件为直径50 mm、高100 mm的圆柱体，劈裂抗拉试件为直径50 mm、高50 mm的圆柱体。

2 物理及力学测试结果

2.1 试件物理性质

首先对自然状态下各体积率玄武岩纤维改性混凝土试件的密度、比重、含水率及纵波波速进行测试，其物理参数如表2所示。

表2 试件基本物理参数

试件密度随混凝土中玄武岩纤维掺量的增加而减小，分析原因为：在试件的制作时，由于工艺不佳，使得玄武岩纤维在混凝土中分布不均匀，很容易结团，最终导致混凝土内部孔隙率增大，并且随着玄武岩纤维掺量的增多，结团现象愈发明显，但其减小数值很小，其最大变化量不超过试件最小密度数值的3%，且试件的波速基本未受到玄武岩纤维的影响。

2.2 试件力学性质

2.2.1 单轴抗压试验

掺入体积率为0.05%，0.10%，0.20%，0.30%，0.40%，0.50%的玄武岩纤维，这些用玄武岩纤维改性过的玄武岩纤维改性混凝土的抗压强度分别为52.97 MPa，55.82 MPa，54.70 MPa，50.62 MPa，44.03 MPa，44.97 MPa，与普通混凝土抗压强度42.30 MPa相比，玄武岩纤维改性混凝土抗压强度均有所提高，其分别提高了25.22%，31.96%，29.31%，19.67%，4.09%，6.31%。

普通混凝土极限状态下的应变为3.40×10-3，在普通混凝土的基础上，分别掺入体积率为0.05%，0.10%，0.20%，0.30%，0.40%，0.50%的玄武岩纤维，这些用玄武岩纤维改性过的玄武岩纤维改性混凝土极限状态下的应变分别为3.94×10-3，4.34×10-3，4.64×10-3，4.28×10-3，3.88×10-3，3.90×10-3，与普通混凝土相比，其极限状态下的应变均有所增加，分别增加了15.88%，27.65%，36.47%，25.88%，14.12%，14.71%(见表3)。

普通混凝土与掺入玄武岩纤维的玄武岩纤维改性混凝土的破环形态均为剪切破坏，但普通混凝土的裂缝发展较快，破坏在一瞬间完成，而且破碎程度较高，甚至试件的许多碎块无法收集，其破坏形态具体如图1所示。相比而言，玄武岩纤维混凝土由于试件内部纤维的拉力，使裂缝的发展速度减慢，可以观察到其裂缝的逐渐扩张，破碎程度较高，但试件被破坏后较为完整，且随着玄武岩纤维体积率的增大，当体积率达到0.4%和0.5%时，试件被破坏后完整度降低，试件碎为多个较小的混凝土块，不过其破裂程度仍比普通混凝土低。具体如图1所示。

表3 不同试件应变及抗压强度

可见，当玄武岩纤维体积率为0.10%和0.20%时效果较好，其中，体积率为0.10%时，试件的抗压强度取得最大值，当体积率为0.20%时，试件极限状态下的应变取得最大值，但由于体积率为0.10%和0.20%时的试件抗压强度变化值很小，所以整体来说，当玄武岩纤维体积率为0.20%时为最佳。

2.2.2 劈裂抗拉试验

普通混凝土的抗拉强度为2.87 MPa，在普通混凝土的基础上，分别掺入体积率为0.05%，0.10%，0.20%，0.30%，0.40%，0.50%的玄武岩纤维，这些用玄武岩纤维改性过的玄武岩纤维改性混凝土的抗拉强度分别为3.02 MPa，3.32 MPa，3.57 MPa，3.60 MPa，3.65 MPa，3.77 MPa，与普通混凝土相比，这些经过玄武岩纤维改性过的玄武岩纤维改性混凝土抗拉强度均有所提高，其分别提高了5.23%，15.68%，24.39%，25.44%，27.18%，31.36%(见表4)。

表4 试件抗拉强度

普通混凝土与玄武岩纤维混凝土均沿着中线位置发生劈裂，试件均出现一条未贯穿的主裂缝。在试验过程中，试件在劈裂抗拉试验过程中劈裂的速度存在显著差异，普通混凝土在加载初期不出现明显变形，持续加载至极限抗拉强度时，伴随着脆响试件瞬时出现裂缝，且该裂缝迅速发展直至试件破坏。而玄武岩纤维混凝土在劈裂抗拉试验过程中，伴随着持续加载，试件沿着中心线位置出现微小的裂缝，伴随着脆响试件的裂缝迅速发展直至试件被破坏。相较于普通混凝土而言，玄武岩纤维混凝土试件破坏时间较长，其开裂过程可被观察记录，且在加载至其极限荷载时，试件可较长时间保持自身强度，试件持续变形，最后发生破坏。

普通混凝土在加载至其极限荷载的瞬间发生劈裂破坏，玄武岩纤维体积率为0.20%的改性混凝土则在达到其极限荷载后坚持了较短时间，又产生了一定的变形后才发生了破坏，玄武岩纤维体积率为0.50%的改性混凝土在达到其极限荷载后坚持的时间更长且又产生了较大的变形后，试件才被彻底破坏。试件的具体破坏形态如图2所示。

3 玄武岩纤维混凝土破坏机理

3.1 抗压破坏机理

玄武岩纤维较为细小，抗拉强度较高，掺入混凝土中弥补了混凝土中的空隙，增强了其黏结性，且在混凝土中均匀分布的玄武岩纤维会形成网络构造系统，在试件中起到“筋骨”的作用，使混凝土各材料之间联系更为紧密，从而提高混凝土整体结构性能。

当进行单轴压缩试验时，在初始阶段，玄武岩纤维混凝土并不会出现明显的横向变形，此刻玄武岩纤维网络系统不会完全发挥作用；当持续加载过程中，试件在纵向发生变形的同时，其横向也会持续膨胀变形，并产生许多微小裂缝，这些微小裂缝随着加载而不断扩大，试件最终发生破坏。在受压破坏过程中，混凝土试件内的玄武岩纤维在一定程度上抵抗试件横向的膨胀变形，玄武岩纤维抗拉强度较高，当试件发生横向的膨胀变形时，玄武岩纤维的抗拉能力起到了约束试件横向变形的作用，在一定程度上限制微小裂缝的发展，从而使混凝土试件的抗压强度提高。

如图3所示，掺入不同掺量的玄武岩纤维，对混凝土抗压强度、应变均有所提升，但玄武岩纤维的掺量并非越多越好。由图3还可以看出，随着玄武岩纤维体积率的增加，混凝土试件的抗压强度的提高程度呈现出先增加后下降的趋势。玄武岩纤维体积率从0.05%到0.10%过程，玄武岩纤维混凝土的抗压强度不断增加；玄武岩纤维在体积率为0.10%时，其抗压强度取得最高值，此时玄武岩纤维对混凝土抗压强度的提高达到了31.96%；之后，玄武岩纤维体积率在0.20%时，试件的抗压强度出现轻微的下降；当试件中的玄武岩纤维体积率从0.20%到0.40%时，其抗压强度不断减小，且减小速率不断增大；最后，体积率从0.40%到0.50%抗拉强度基本保持不变。

由图3还可以看出，随着玄武岩纤维体积率的增加，混凝土试件极限状态下的应变也呈现出先增加后下降的趋势，体积率从0.05%到0.20%时，玄武岩纤维混凝土极限状态下的应变不断增加，在体积率为0.20%时达到 了试件极限状态下应变的最大值，这时试件极限状态下的应变较普通混凝土增加了36.47%；当玄武岩纤维体积率从0.20%到0.40%，试件极限状态下的应变不断减小；当玄武岩纤维体积率0.40%到0.50%，应变基本保持不变，这时试件极限状态下的应变较普通混凝土仅增加了14%左右。在制作试件时，玄武岩纤维在混凝土中可能存在分布不均匀的问题，容易结团，最终导致混凝土内部孔隙率增大，并且随着玄武岩纤维掺量的增多，结团现象愈发明显。故加载力时裂缝就会沿空隙发展，使试件更容易被破坏，从而导致抗压强度回降。

3.2 抗拉破坏机理

分析得出，玄武岩纤维比较细小，且抗拉强度较高，掺入混凝土中，增强了其黏结性，而且均匀分布的玄武岩纤维，在混凝土中会形成类似于网络系统的构造，在材料中起到“筋骨”的作用，使混凝土各材料之间联系的更为紧密，从而提高混凝土试件的整体结构性能，限制微小裂缝的发展。在进行试件的劈裂抗拉时，玄武岩纤维也会承受一部分拉应力，直到被拉断，玄武岩纤维较强的抗拉强度使得试件的劈裂抗拉强度也不断增加，并且玄武岩纤维掺量越多，阻裂效果就越明显，承受拉应力的玄武岩纤维不断变多，使混凝土的劈裂抗拉强度不断提高。

4 结论

为了获得试件单轴抗压强度和劈裂抗拉强度随玄武岩纤维体积掺量的变化规律，以不同玄武岩纤维体积掺量的玄武岩纤维混凝土为研究对象，对其力学性能、破坏形态进行试验研究，得出以下结论：

1)试件密度随混凝土中玄武岩纤维掺量的增加而减小。

2)随着玄武岩纤维掺量的增加，玄武岩纤维混凝土试件的抗压强度呈现出先增加后降低的趋势，其中，在0.10%纤维掺量体积率时其抗压强度取得最大值，玄武岩纤维混凝土较普通混凝土抗压强度提高达31.96%。在试件的制作时，玄武岩纤维在混凝土中分布不均匀，易结团，导致混凝土内部孔隙率增大，且随着玄武岩纤维掺量的增多，结团现象愈发明显，故加载力时裂缝就会沿微孔隙发展，试件更易破坏，抗压强度下降。

3)随着玄武岩纤维掺量的增加，混凝土试件随着玄武岩纤维掺量的增加其抗拉强度均有所提高，其最大提升了31.36%。玄武岩纤维比较细小，且抗拉强度较高，玄武岩纤维的加入，在进行试件的劈裂抗拉时，玄武岩纤维较强的抗拉强度使得试件的劈裂抗拉强度也不断增加。