吴晓斌

(厦门城市职业学院 福建厦门 361008)

玄武岩纤维长度对轻骨料混凝土力学性能影响研究

吴晓斌

(厦门城市职业学院 福建厦门 361008)

通过试验研究了两种玄武岩纤维体积含量(0.1%和0.2%)下4种玄武岩纤维长度(0、12mm、18mm和30mm)轻骨料混凝土的立方体抗压强度、劈拉强度和抗折强度，结果表明：随着纤维长度的增长，28d立方体抗压强度随之增加，但7d立方体抗压强度变化不大，并且纤维长度的增加可以有效地提高轻骨料混凝土的劈拉强度和抗折强度。

纤维长度；玄武岩纤维；轻骨料混凝土；力学性能

0 引言

随着建筑产业化的转型升级，绿色、环保、节能材料的研发已经成为研究人员关注的焦点。玄武岩纤维是一种以纯天然玄武岩矿石为原料生产而成的新型高技术无机纤维，与其他纤维增强混凝土的纤维相比具有耐腐蚀性强、化学稳定性好、抗拉强度高、耐高温等优点。

轻骨料混凝土与普通混凝土相比具有轻质高强、保温隔热、隔音效果好等优点。将一定体积掺量、一定长度的短切玄武岩纤维加入轻骨料混凝土可以增强其抗压、抗裂和抗渗性能。有研究表明，当纤维的长度达到临界长度时，即纤维与混凝土的粘结强度等于纤维本身的抗拉强度时，效果最佳。超过此长度，增强效果不但不明显，而且会增加纤维在混凝土中的分散难度[1]。笔者试图通过将适量不同长度的玄武岩纤维掺入轻骨料混凝土中进行力学性能试验，从而得到玄武岩纤维轻骨料混凝土中的临界纤维长度。

本文采用陶粒作为轻骨料制作成强度等级为LC30的轻骨料混凝土，根据已有研究成果[2]和试验分散难度选用纤维体积掺量为1%和2%，纤维长度为0、12mm、18mm和30mm的试件进行基本力学性能试验。

1 试验概况

1.1试验原材料

水泥： P.O42.5级普通硅酸盐水泥，其各项指标均达到国家标准。

细骨料：中砂，细度模数(2.9)，密度，2600kg/m3。

粗骨料：圆球形粘土陶粒，连续级配，粒径5mm～20mm，物理性能指标如表1所示。

短切玄武岩纤维：纤维长度为12mm、18mm和30mm 3种，其性能指标如表2所示。

水：普通自来水。

表1 陶粒各项物理力学性能

表2 玄武岩纤维物理力学性能指标

1.2配合比设计

试验采用的素轻骨料混凝土(玄武岩纤维体积率Vs为0%)的强度等级为LC30，并掺入不同体积率的短切玄武岩纤维。玄武岩纤维的体积掺量依照《纤维混凝土结构技术规程》(CECS38:2004)[3]和《水泥混凝土和砂浆用短切玄武岩纤维》(GB/T23265-2009)[4]的有关条文规定，并参考玄武岩纤维轻骨料混凝土相关的研究成果选定为0.1%和0.2%。

玄武岩纤维的掺量和长度会对轻骨料混凝土的坍落度产生影响[5]，如果通过增加用水量来调整坍落度会影响到轻骨料混凝土的强度。因此本试验通过保持水灰比不变对不同纤维体积掺量的轻骨料混凝土加入一定量的减水剂的方法来调整坍落度，从而保证玄武岩纤维轻骨料混凝土的和易性。经试配所确定的玄武岩纤维轻骨料混凝土的配合比如表3所示。

表3 玄武岩纤维轻骨料混凝土配合比

1.3试验方法

力学性能试验依照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)[6]的有关条文执行。立方体抗压强度和劈拉强度均选用100mm×100mm×100mm立方体试块，每组3块，共计28组。抗折强度选用100mm×100mm×400mm 的小梁试件，每组3块，共计14组。

试件制作过程中玄武岩纤维的掺入方法按照《水泥混凝土和砂浆用短切玄武岩纤维》(GB/T23265-2009)[4]的规定：选用强制式混凝土搅拌机，全部材料和减水剂一次投入，拌合量控制在10L～45L,搅拌3min，出料后在铁板上继续人工翻料2～3次，然后进行试验。

2 试验结果及分析

2.1抗压强度试验结果分析

玄武岩纤维体积掺量为Vf=0.1%和Vf=0.2%时，纤维长度为0、12mm、18mm和30mm的7d龄期和28d龄期立方体抗压强度试验结果如表4所示。由表4的试验结果可以得到纤维长度与7d龄期和28d龄期立方体抗压强度的关系曲线，如图1所示。

表4 立方体抗压强度试验结果

由表4和图1分析可知：

(1)当玄武岩纤维体积掺量取0.1%和0.2%时，玄武岩纤维轻骨料混凝土的7d抗压强度随纤维长度的增长变化不大。当纤维长度为12mm时，立方体抗压强度比素轻骨料混凝土分别增加了0.6%和6.4%。当纤维长度为18mm时，抗压强度比素轻骨料混凝土分别增加了1.3%和7.7%。当纤维长度为30mm时，抗压强度比素轻骨料混凝土增加了0%和6.4%。 掺入0.1%的玄武岩纤维对轻骨料混凝土的早期抗压强度影响不大，掺入0.2%的玄武岩纤维会略提高轻骨料混凝土的抗压强度，但纤维长度的变化对早期抗压强度的影响不大。

图1 玄武岩纤维长度与立方体抗压强度的关系

(2)当玄武岩纤维体积掺量取0.1%和0.2%时，玄武岩纤维轻骨料混凝土的28d立方体抗压强度随纤维长度的增长而增大。当纤维长度为12mm时，抗压强度比素轻骨料混凝土分别提高了8%和11.3%。当纤维长度为18mm时，立方体抗压强度最大，比素轻骨料混凝土分别提高了11.6%和15.2%。当纤维长度为30mm时，抗压强度比素轻骨料混凝土提高了12.7%和18.2%。 掺入适量的玄武岩纤维会提高轻骨料混凝土的抗压强度，并且随着纤维长度的增长，抗压强度也随之增大，由于本试验中粗骨料陶粒的最大粒径为20mm，在荷载作用下能够充分发挥玄武岩纤维与水泥石界面的粘结强度。

(3)通过抗压强度试验观察，试件的破坏形态表现为：掺入适量玄武岩纤维的轻骨料混凝土试块在受荷后，随着荷载的增加试件底部边缘出现一些细微的裂缝，荷载继续增加，裂缝向斜上方扩展，裂缝的数目也增多且分布不规律，直至部分裂缝发展为较宽的裂缝而破坏。

2.2劈拉强度试验结果分析

当玄武岩纤维体积掺量Vf=0.1%和Vf=0.2%时，纤维长度为0、12mm、18mm和30mm的7d龄期和28d龄期的劈拉强度试验结果如表5所示。由表5的试验结果可以得到纤维长度与劈拉强度的关系曲线，如图2所示。

表5 劈拉强度试验结果

由表5和图2分析可知：

(1)当玄武岩纤维体积掺量取0.1%和0.2%时，玄武岩纤维轻骨料混凝土的龄期为7d和28d的劈拉强度都随纤维长度的增长而增大,且纤维长度为18mm和30mm时的增加效果比纤维长度为12mm时明显。

图2 玄武岩纤维长度与劈拉强度的关系

7d龄期的玄武岩纤维体积掺量为0.1%和0.2%轻骨料混凝土劈拉强度：当纤维长度为12mm时，比素轻骨料混凝土分别提高了2.7%和7.2%；当纤维长度为18mm时，比素轻骨料混凝土分别提高了3.4%和18.3%；当纤维长度为30mm时，比素轻骨料混凝土提高了8.0%和21.7%。

28d龄期的玄武岩纤维体积掺量为0.1%和0.2%轻骨料混凝土劈拉强度：当纤维长度为12mm时，劈拉强度比素轻骨料混凝土分别提高了6.9%和20.4%；当纤维长度为18mm时，劈拉强度比素轻骨料混凝土分别提高了19.1%和31.9%；当纤维长度为30mm时，劈拉强度比素轻骨料混凝土提高了24.5%和34.2%。

(2)当纤维长度为定值时，在轻骨料混凝土中掺入0.1%和0.2%的玄武岩纤维，玄武岩纤维体积掺量大的劈拉强度大。

以28d劈拉强度为例：纤维长度为12mm时，纤维体积含量为0.2%的劈拉强度比纤维含量为0.1%的提高了13.5%；纤维长度为18mm时，纤维含量为0.2%时的劈拉强度比纤维含量为0.1%的提高了12.8%；当纤维长度为30mm时，纤维含量为0.2%时的劈拉强度比纤维含量为0.1%的提高了9.7%。

(3)通过试验观察，在轻骨料混凝土中掺入适量的长度适宜的玄武岩纤维可以改善其脆性，抑制轻骨料混凝土裂缝的发展。在劈拉作用下，由于玄武岩纤维与轻骨料混凝土基体间的摩擦、粘结与拉拔作用，长度为18mm和30mm纤维能有效地连接粗骨料与粗骨料形成的水泥石基体，从而达到增强增韧的效果[7]。

2.3抗折强度试验结果分析

当玄武岩纤维体积掺量Vf=0.1%和Vf=0.2%时，纤维长度为0、12mm、18mm和30mm的7d龄期和28d龄期的抗折强度试验结果如表6所示。由表6的试验结果可以得出玄武岩纤维长度与抗折强度的关系曲线，如图3所示。

表6 抗折强度试验结果

由表6和图3可知：

(1)轻骨料混凝土中掺入0.1%和0.2%的玄武岩纤维可以有效地提高其抗折强度。随着纤维长度的增加，玄武岩纤维轻骨料混凝土7d和28d龄期的抗折强度值总体上均表现出逐渐上升的趋势，纤维长度超过18mm时上升的趋势更明显。

图3 玄武岩纤维长度与抗折强度的关系

7d龄期的玄武岩纤维体积掺量为0.1%和0.2%轻骨料混凝土抗折强度：当纤维长度为12mm时，抗折强度比素轻骨料混凝土分别增大了2.2%和15.1%；当纤维长度为18mm时，抗折强度比素轻骨料混凝土分别增大了16.2%和44.9%；当纤维长度为30mm时，抗折强度比素轻骨料混凝土增大了20.0%和54.0%。

28d龄期的玄武岩纤维体积掺量为0.1%和0.2%轻骨料混凝土抗折强度：当纤维长度为12mm时，抗折强度比素轻骨料混凝土分别增大了4.5%和8.2%；当纤维长度为18mm时，抗折强度比素轻骨料混凝土分别增大了18.9%和34.0%；当纤维长度为30mm时，抗折强度比素轻骨料混凝土增大了25.5%和44.0%。

(2)当纤维长度为定值时，在轻骨料混凝土中掺入0.1%和0.2%的玄武岩纤维，玄武岩纤维体积掺量大的抗折强度高。

以28d抗折强度为例：当玄武岩纤维长度为12mm时，纤维含量为0.2%时的抗折强度比纤维含量为0.1%的提高了4.7%；当纤维长度为18mm时，纤维含量为0.2%时的抗折强度比纤维含量为0.1%的提高了15.1%；当纤维长度为30mm时，纤维含量为0.2%时的抗折强度比纤维含量为0.1%的提高了18.5%。

(3)通过观察试验过程中试件的破坏形态发现：未掺玄武岩纤维的轻骨料混凝土试件在加载过程中表现出“一裂就坏”的脆性破坏特征。掺入0.1%和0.2%玄武岩纤维的轻骨料混凝土，随着纤维长度和纤维掺量的增大试件受拉区出现微裂缝的条数增多，主裂缝产生后纤维长度为12mm的试件的裂缝发展速度比裂缝长度为18mm和30mm的要快。这是因为小梁试件在三分点位置集中荷载的作用下，掺入的玄武岩纤维为轻骨料混凝土提供了有效的抗拉作用，玄武岩纤维轻骨料混凝土小梁受拉区开裂时，小梁试件中和轴上移，横跨裂缝的玄武岩纤维逐渐承担起主要的拉应力。随着纤维长度的增加，特别是当纤维长度大于等于粗骨料粒径的时候，玄武岩纤维与轻骨料混凝土水泥石基体的摩擦和拉拔作用进一步加强，从而提高了受拉区的极限拉应变，进而提高了玄武岩纤维轻骨料混凝土的抗裂性和抗折强度[8]。

3 结论

(1)掺入0.1%和0.2%的的玄武岩纤维时，纤维长度对轻骨料混凝土的早期立方体抗压强度影响不大。

(2)掺入0.1%和0.2%的的玄武岩纤维时，纤维长度对轻骨料混凝土的28d抗压强度有影响，随纤维长度的增长，立方体抗压强度也随之提高。

(3)当玄武岩纤维体积掺量是0.1%和0.2%时，玄武岩纤维轻骨料混凝土的7d和28d龄期的劈拉强度都随纤维长度的增长而增大。轻骨料混凝土中掺入0.2%的玄武岩纤维比掺量为0.1%的更能有效抑制裂缝的发展，提高其延性。

(4)在轻骨料混凝土中掺入0.1%和0.2%的玄武岩纤维可以有效地提高其抗折强度，随着玄武岩纤维长度的增加，抗折强度值总体上呈现逐步上升的趋势，特别是当纤维长度大于等于粗骨料粒径的时候，玄武岩纤维轻骨料混凝土的抗裂性更好。

在实际工程中应根据不同使用部位和使用要求，选择不同长度和掺量的玄武岩纤维。根据试验结果分析，玄武岩纤维的长度大于等于轻骨料混凝土中粗骨料最大粒径时，基本力学性能较好。

[1] 王晓初,刘洪涛.碳纤维长度对CFRC力学性能影响试验研究[J].混凝土,2013(3):60-63.

[2] 吴晓斌.玄武岩纤维轻骨料混凝土力学性能试验研究[J].工业建筑,2016(8):119-122.

[3] CECS38:2004 纤维混凝土结构技术规程[S].北京:中国计划出版社,2004.

[4] GB/T23265-2009水泥混凝土和砂浆用短切玄武岩纤维[S].北京：中国标准出版社，2009.

[5] 陈潇洋,李红云,邹春霞.玄武岩纤维轻骨料混凝土力学性能的试验研究[J].中国科技论文,2017,12(1):76-79.

[6] GB/T50081-2002 普通混凝土力学性能试验方法标准[S].北京：中国标准出版社，2002.

[7] 董进秋,杜艳廷,闻宝联,等.玄武岩纤维混凝土力学性能与增韧机理研究[J].工业建筑,2011,41(S1):638-641.

[8] 张兰芳,尹玉龙,刘晶伟,等.玄武岩纤维增强混凝土力学性能的研究[J].硅酸盐通报,2014,33(11):34-37.

Experimentalstudyoninfluenceoffiberlengthonmechanicalpropertiesofbasaltfiberlightweightaggregateconcrete

WUXiaobin

(Xiamen City University,Xiamen 361008)

Through the test of two kinds of basalt fiber volume content (0.1% and 0.2%) under four kinds of basalt fiber length (0, 12mm, 18mm and 30mm) compressive strength of lightweight aggregate concrete, the splitting tensile strength and flexural strength, The results show that with the increase of fiber length, 28d cube compressive strength increased, but the 7d cube compressive strength changes little; and the increase of the length of the fiber can effectively improve the tensile strength and flexural strength of lightweight aggregate concrete.

Fiber length; Basalt fiber; Lightweight aggregate concrete; Mechanical performance

TU502

A

1004-6135(2017)11-0083-04

福建省教育厅2017年度中青年教师教育科研项目 (JAT171052)。

吴晓斌 (1978.4- )，男，讲师，国家一级注册结构工程师。

E-mail:xiaobin@xmcu.cn

2017-08-30