文 可 周 珣

(1.武昌实验中学，湖北 武汉 430060； 2.武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070)

玄武岩—钢纤维混杂混凝土劈裂抗拉强度试验及机理研究

文 可1周 珣2*

(1.武昌实验中学，湖北 武汉 430060； 2.武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070)

采用浸胶玄武岩纤维和钢纤维混杂，通过试件的抗压和劈裂抗拉试验，得出纤维对混凝土力学性能的影响规律，并提出浸胶玄武岩纤维混凝土增强机理的假设。试验结果表明：低掺量的钢纤维和浸胶玄武岩纤维对混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度均有一定的增强作用，且两种纤维混杂之后拥有更好的增强增韧效果，但浸胶玄武岩纤维对混凝土的破坏形态方面没有明显的改善作用，该研究成果有一定的工程应用参考价值。

混杂纤维，钢纤维，浸胶玄武岩纤维，劈裂抗拉强度，机理分析

0 引言

混凝土是传统建筑和基础材料中应用最为广泛的一类人工石材，从社会发展以及技术进步的角度来看，它仍将是21世纪最主要的建筑材料。但是，不可回避的是，混凝土也是一种典型的脆性材料，其自重大、抗拉强度低的特性也限制了混凝土的应用范围。针对这一问题，国内外的学者采取了广泛的探索研究。目前改善混凝土抗拉强度低的有效方式之一是掺入高弹性模量的纤维。如钢纤维是已经被证明能够大幅度改善混凝土基体的韧性，提高混凝土的各方面强度[1]。但钢纤维价格较高，施工困难，且钢纤维的种类、形态、尺寸等对纤维混凝土各方面物理性能有很大影响。而低弹性模量的纤维虽对基体有一定的增韧作用，但往往会降低基体的强度。因此，在考虑工程经济的条件下，采用单一纤维很难达到既增强又增韧的效果[2]。

混杂纤维混凝土是纤维混凝土的一个新的发展方向，国内外混杂纤维混凝土的研究大多停留在纤维种类、最优掺量的层面，而对于其基本原理的研究很少[2-11]。本文基于混凝土材料的特性，在保证混凝土和易性的条件下，同时掺入浸胶玄武岩纤维和高弹性模量的钢纤维以形成玄武岩—钢纤维混杂增强混凝土，并基于复合材料理论，通过材料的抗压强度及劈裂强度，研究浸胶玄武岩纤维和钢纤维的增强机理及相互之间的混杂效应。

1 试验设计

本次试验中使用的原材料包括：华新P.O42.5普通硅酸盐水泥；Ⅱ 级粉煤灰；细度模数为2.6的中砂，堆积密度为1 450 kg/m3，粒径5 mm～25 mm连续级配碎石，WS—PC聚羧酸高效减水剂，浸胶玄武岩纤维束和贝卡尔特钢纤维。其中浸胶玄武岩纤维由短切玄武岩纤维经环氧树脂处理后得到。纤维混凝土的配合比参照CECS 38:2004纤维混凝土结构技术规程中有关规定进行设计。纤维的主要参数见表1,配合比见表2。

表1 纤维的主要物理力学性能

表2 C50混凝土配合比 kg/m3

制作纤维增强混凝土试件4组每组6个，其中每组3个做抗压试验，3个做劈裂试验，研究纤维混凝土的抗压强度和劈裂强度。试件的尺寸为边长150 mm的立方体试块。试验中的主要参数设置为：玄武岩纤维体积掺量0.5%、钢纤维体积掺量0.64%。同时，浇筑一组同强度的普通混凝土作为对比。

试件采用标准养护条件养护，强度测试采用电液伺服机及MCC8多功能试验机。抗压强度和劈裂抗拉强度的测试依照GB/T 50081—2002普通混凝土力学性能测试方法标准和CEC S13：89钢纤维混凝土试验方法进行测试。

2 试验结果及分析

试件抗压和劈裂抗拉强度的数据处理参照GB/T 50081—2002普通混凝土力学性能测试方法和CECS 13：89钢纤维混凝土试验方法进行处理,试验结果如表3所示。

表3 抗压及劈裂抗拉强度

2.1抗压性能

由图1可知：纤维混凝土的抗压强度相比普通混凝土都有不同程度的提高。浸胶玄武岩纤维、钢纤维、混杂纤维的提高率依次为5.6%,4.6%,6.5%。低掺量(浸胶玄武岩纤维为0.5%、钢纤维为0.64%)下纤维对混凝土抗压性能的提高作用有限，混杂纤维的抗压强度均高于两种单掺纤维，即混杂纤维拥有更好的增强效果。

由图2可知：相比于普通混凝土破坏后裂缝大、剥落现象严重，纤维混凝土抗压破坏后，纤维都能够表现出良好的整体性，表面没有严重的剥落现象。其中浸胶玄武岩纤维相对于钢纤维和混杂纤维对混凝土的约束作用相对较差。混杂纤维则表现出很明显的优势，破坏面只能看到裂缝。

2.2劈裂抗拉性能

由图3可知：纤维混凝土的劈裂抗拉强度相比普通混凝土的都有不同层次的提高。浸胶玄武岩纤维、钢纤维、混杂纤维的提高率依次为13.0%,8.7%,16.2%。本试验采用的是带弯钩(集束状)钢纤维，作为分散相均匀分布于水泥基体中时，纤维的形态决定了其更易于承受拉力(拉压比明显提高)，当混凝土开裂后，钢纤维能够起到“桥接”裂缝两端的作用，可以有效抑制和延缓裂缝发展，起到增强混凝土力学强度的作用，试块破坏面呈不规则状，可以看见钢纤维从基体中拔出，其破坏形态表现出一定的塑性破坏形态(见图4)；浸胶玄武岩纤维则受到自身长径比等因素的限制，对混凝土劈裂抗拉强度的贡献不大，从破坏断面看，破坏界面相对平滑，可以看见浸胶玄武岩纤维从水泥基体中拔出，即浸胶玄武岩纤维混凝土依然是脆性破坏，其破坏形态相较于普通混凝土并没有发生实质性的转变。

相对于单掺纤维混凝土，混杂纤维表现出更加优异的性能(见图4)，混杂纤维破坏截面呈弯曲不平滑状，且破坏面上分布着大量纤维，能够对混凝土起到很好的约束作用，破坏后的试块具有一定的整体性。说明混杂纤维能够一定程度上改善混凝土的破坏形态，表现出一定的塑性破坏；同时混杂纤维混凝土的拉压比相对于普通混凝土也得到了很大程度的改善，有利于其实际应用。试验结果表明，混杂纤维能够大大提高混凝土的抗拉强度，即混杂纤维能够达到既增强又改善混凝土破坏形态的作用。

3 机理分析

一般水泥混凝土，水泥在水化硬化过程中由于水化反应、环境温度变化等因素会导致混凝土内部水分消耗和温度变化，从而引起混凝土体积的一系列收缩变形。混凝土材料开裂往往是由于在约束作用下混凝土自身体积变形产生的应力大于材料本身的抗拉强度而导致的。在混凝土之中加入纤维后，纤维均匀的分布于混凝土之中，与水泥基体粘结良好的纤维能与水泥基体形成一个整体并承担“加劲肋”的角色，从而可以有效的抑制和延缓裂缝的发展、阻止集料的沉降，进而提高混凝土的抗裂性能[12]。

3.1浸胶玄武岩纤维

1)浸胶玄武岩纤维是由一束短切纱玄武岩纤维经环氧树脂处理之后得到的。虽然环氧树脂与水泥基体之间的粘结力较大，但受到纤维本身的长径比的限制，其有效长度不足以承受或只能承受部分因为混凝土开裂而急速增加的荷载。在裂缝开展之后，浸胶玄武岩纤维与水泥基体界面之间的粘结力很快达到极限，裂缝迅速开展，纤维迅速拔出，混凝土即发生脆性破坏。

2)玄武岩纤维经环氧树脂处理之后，内部会形成较大的空隙，因而在纤维内部会聚集大量的水分，当浸胶玄武岩纤维作为分散相均匀分布于水泥基相中时，除了承担“加劲肋”的角色，抑制和延缓裂缝的扩展之外，还能够在其周围形成一个“微型水循环”体系，众多浸胶玄武岩纤维的“微型水循环体系”构成混凝土的“水循环”系统，进而能够有效的减少因混凝土材料自身的收缩变形(干燥收缩、塑性收缩、自收缩、化学收缩等)而引起的应力。在未加纤维的区域A部分(如图5a)所示)的水泥浆体由于水化等消耗水分，产生自身收缩变形，若加入浸胶玄武岩纤维之后(见图5b))，由于纤维中携带大量水分，能够给A区域提供水分，减少材料自身收缩，从而达到增加混凝土抗裂性能的目的(见图5c))。即与钢纤维混凝土中钢纤维主要是利用混凝土开裂后的“桥接”作用来提高混凝土的抗裂性能,不同的是，浸胶玄武岩纤维主要通过改善混凝土自身固有的抗裂性质来提高混凝土的力学性能。

3.2混杂纤维的混杂效应

浸胶玄武岩纤维和钢纤维混杂，由于两者形状不同、长径比不同、弹性模量不同等，能够在不同结构层次和性能上充分发挥各自的尺寸优势及增强效应，达到抑制纤维生成、扩展的阻裂效应。浸胶玄武岩纤维主要用于提高材料本身固有抗拉性质，减少混凝土自身收缩；而钢纤维主要用于混凝土开裂后抑制旧裂缝的发展和新裂缝的生成，从而增强混凝土的抗拉强度。由表3可知，浸胶玄武岩纤维和钢纤维对混凝土抗压和劈裂抗拉强度存在“正混杂效应”。即两种纤维能够在混凝土内部相互搭接，形成类似“骨架”的模型，能够有效改善混凝土的受力方式及力学强度。

混杂纤维充分利用钢纤维和浸胶玄武岩纤维对混凝土不同大小、不同层次的增强增韧作用，即利用浸胶玄武岩纤维对材料固有抗裂性能的增强作用和钢纤维对材料开裂之后的“桥接”增强作用，进而达到对普通混凝土性能的优化。

4 结语

1)在低掺量的条件下，钢纤维、浸胶玄武岩纤维及混杂纤维对混凝土的抗压性能有增强效果，提高率分别为4.6%,5.6%和6.5%。

2)钢纤维、浸胶玄武岩纤维及混杂纤维对混凝土的抗拉性能有很好的增强效果，提高率分别为13.0%,8.7%,16.2%。其中钢纤维和混杂纤维混凝土试件均表现出明显的塑性破坏，而浸胶玄武岩纤维为脆性破坏。

3)纤维的掺入能够有效的改善混凝土各方面受力的不均匀性。掺加纤维之后，混凝土的拉压比有一定程度的提高。

4)混杂纤维能够充分利用两种纤维材料对混凝土不同大小、不同层次的作用达到既增强又改善破坏形态的效果。且其增强效果均优于单掺钢纤维和浸胶玄武岩纤维。

[1] 韩 嵘，王冠月，曲福来,等.钢纤维混凝土轴心抗拉强度与劈裂抗拉强度试验研究[J].全国纤维混凝土学术会议，2004(3):49-50.

[2] 朱海堂，高丹盈，王占桥.混杂纤维高强混凝土断裂性能试验研究[J].建筑结构学报,2010(1):41-46.

[3] 王红喜，陈友治，丁庆军,等.混杂纤维对高性能混凝土力学性能与抗渗性能的影响[J].混凝土,2003(11):33-35.

[4] 赵 晶，蔡新华，焦贺军.混杂纤维对混凝土早期开裂性能的影响[J].哈尔滨工业大学学报,2007(2):232-234.

[5] 杨成蛟，黄承逵，车 轶,等.混杂纤维混凝土的力学性能及抗渗性能[J].建筑材料学报,2008(1):89-93.

[6] 焦楚杰，詹镇峰，彭春元,等.混杂纤维混凝土抗压试验研究[J].广州大学学报(自然科学版),2007(4):70-73.

[7] 尹机会，丁一宁，Niederegger C,等.混杂纤维混凝土劈拉性能试验研究[J].混凝土,2007(3):11-13.

[8] 夏冬桃，徐礼华，池 寅,等.混杂纤维增强高性能混凝土强度的试验[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2007(1):77-81.

[9] 赵顺波，张吉红，李凤兰.离心成型钢纤维混凝土劈裂抗拉强度试验研究[J].应用基础与工程科学学报,2009(6):867-873.

[10] Maalej M,Quek S T,Zhang J.Behavior of hybrid-fiber engineered cementitious composites subjected to dynamic tensile loading and projectile impact[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2005,17(2):143-152.

[11] Hsie M,Tu C,Song P S.Mechanical properties of polypropylene hybrid fiber-reinforced concrete[J].Materials Science and Engineering A,2008,494(1-2):153-157.

[12] 胡曙光.先进水泥基复合材料[M].北京:科学出版社,2009.

Experimentalstudyonsplittingtensilestrengthofbasalt-steelfibermixedconcreteanditsmechanism

WenKe1ZhouXun2*

(1.WuchangExperimentalHighSchool,Wuhan430060,China; 2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

In this paper, the influence of fiber on the mechanical properties of concrete is obtained by compressing the braided basalt fiber and the steel fiber. The hypothesis of the strengthening mechanism of the impregnated basalt fiber reinforced concrete is put forward. The results show that the low-volume steel fiber and dipped basalt fiber have a certain enhancement effect on the compressive strength and splitting tensile strength of concrete, and the two fibers have better enhanced toughening effect after mixing. There is no obvious improvement in the damage morphology of concrete. Article research results have a certain value for engineering applications.

hybrid fiber, steel fiber, dipped basalt fiber, splitting tensile strength, mechanism analysis

1009-6825(2017)32-0096-03

2017-09-09

文 可(2000- )，男，在读高中生

周珣(1993- )，男，在读硕士

TU502

A