玄武岩混合纤维混凝土弯曲韧性特征研究

李海光，孙文智，邱庆莉，王润建

(1.金华市公路管理局，浙江 金华 321013;2.浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310058；3.交通运输部公路科学研究所，北京 100088)



玄武岩混合纤维混凝土弯曲韧性特征研究

李海光1，孙文智1，邱庆莉2，王润建3

(1.金华市公路管理局，浙江 金华 321013;2.浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310058；3.交通运输部公路科学研究所，北京 100088)

通过方板弯曲能量韧性试验和三分点梁弯曲韧性试验，研究了玄武岩纤维和钢纤维混合对混凝土韧性特征的影响。对混合纤维混凝土进行抗压、抗折强度试验，对比玄武岩纤维混凝土强度，研究两种纤维对混凝土强度的影响。借鉴欧洲EFNARC韧度等级划分和美国规范ASTM C1018韧性指数等标准，在弯曲韧性试验中获得变形能量值和韧性指数，评价玄武岩混合纤维混凝土的弯曲韧性特征。试验结果表明，混合纤维混凝土方板能量值达500 J以上，韧性能量等级达到B级，3根试验梁韧性指数比接近100，韧度值均达到优秀，两个韧性试验均表现出混合纤维混凝土的良好韧性特征；玄武岩纤维混凝土抗压、抗折强度较素混凝土增长比例达11%以上，与钢纤维混合作用时，混凝土强度增加更为明显，强度增长比例达16%～20%。

隧道工程；弯曲韧性；韧性试验；纤维混凝土；强度；玄武岩纤维；钢纤维

0 引言

玄武岩纤维(Basalt fiber，简称BF)以天然玄武岩矿石为原料，经1 450～1 500 ℃熔窑熔融后拉丝制成连续纤维，是21世纪新型的环保型纤维。与其他纤维相比，玄武岩纤维具有突出的力学性能，化学性能稳定，生产原料来源广泛，具有较好的性价比。作为一种典型的硅酸盐纤维，玄武岩纤维与混凝土混合时容易分散，与混凝土具有天然的相容性，在混凝土工程中的应用和研究越来越受到关注。

Morova对玄武岩纤维沥青混凝土进行马歇尔稳定性试验，研究了玄武岩纤维在热拌沥青混凝土路面中应用的可行性[1]。Asprone通过准静态弯拉试验得出玄武岩纤维在砂浆中有桥梁作用，与素砂浆相比表现出更强的韧性和高应变速率敏感性[2]。Kabay试验结果表明玄武岩纤维即使在低掺量下也能提高混凝土的韧性强度、抗裂性能及抗磨蚀性能[3]。Najafi研究认为玄武岩纤维能明显增强混凝土冲击韧性，与碳纤维混合时表现出更强的韧性特征，冲击能量值最大达到219 kJ/m2，是建筑结构中非常有前景的复合材料[4]。玄武岩纤维对混凝土或砂浆的强度、耐久性、增韧和冲击变形等性能的影响，在国内也得到了广泛的研究[5-9]。

混凝土材料本身固有抗拉强度低、韧性差、易开裂且裂后裂缝宽度难以控制等突出缺点，使得混凝土结构存在许多安全隐患。提高混凝土韧性，有效限制早期收缩裂缝，使混凝土材料具备高耗能能力，无疑成为未来混凝土的发展方向[10]。

弯曲韧性是衡量纤维混凝土耗能能力的重要指标，目前许多国家已经推出了纤维混凝土韧性标准试验方法和评价标准，如美国ASTM C1018规范的弯曲韧性指数、欧洲喷射混凝土标准EFNARC的韧度等级划分、日本JSCE SF4方法的等效抗弯强度及国内纤维混凝土试验方法标准等，这些指标都是针对钢纤维混凝土在弯曲荷载下韧性性能提出的[11-12]，能够很好地描述纤维混凝土的韧性水平。

与普通混凝土相比，钢纤维混凝土强度高，抗渗性和抗冲击性能好，已广泛运用在混凝土结构中[13]。但是钢纤维混凝土造价高、回弹大，高掺量钢纤维喷射混凝土施工难度大。本文以某公路隧道修复加固工程为背景，在试验段钢纤维喷射混凝土衬砌中掺入玄武岩纤维形成混合纤维衬砌，参考国内外韧性特征评价标准，探究玄武岩混合纤维对混凝土韧性特征的影响。研究结果将改善钢纤维混凝土的不足，为提高混凝土韧性特征，推广玄武岩混合纤维在混凝土结构中，特别是隧道衬砌喷射混凝土结构中的应用提供参考。

1 试验方法

1.1 试验材料

试验试件取自隧道试验段初期支护喷射混凝土，强度设计为C30，切割而成。胶凝材料采用P.O42.5R水泥(符合GB175 2007的规定)，粗骨料采用5～10 mm碎石，最大粒径不超过10 mm，粒径连续，级配合理；细骨料采用河砂，细度模数大于2.5；拌和水采用饮用水，添加剂有JZ-C减水剂，液体TY-3速凝剂。钢纤维采用YSF0530钢纤维，直径0.55 mm，长度30 mm；玄武岩纤维采用GBF501YE1短切玄武岩纤维，长度30 mm，直径18 μm。试验配合比按C30喷射混凝土设计，见表1。

表1 C30喷射混凝土配合比

1.2 试件成型和养护

隧道试验段初衬喷射时，将试验模板在隧道中支撑稳定。混凝土拌和时，首先投入砂、石、钢纤维和部分水，初拌30 s；再加入玄武岩纤维搅拌30 s；最后加入水泥、剩余水、减水剂搅拌60 s，液体速凝剂在喷射机喷嘴处掺入。喷射设备采用ZSP湿喷机，喷射时受喷面与水平成135°夹角，喷枪垂直模板，与喷射面距离保持在1 m左右。

自然养护14 d后进行切割加工，共3块边长为100 mm、长400 mm的梁式试件(编号BFB-1，BFB-2，BFB-3)，和3块边长600 mm、厚100 mm的方板试件(编号BFP-1，BFP-2，BFP-3)，加工后继续在相同环境下养护，龄期达到90 d时取出擦干进行试验。

1.3 试验加载程序1.3.1 方板弯曲韧性试验

参考欧洲喷射混凝土规程(EFNARC)的试验方法，对玄武岩混合纤维喷射混凝土方板中心加荷，记录荷载和板的中心挠度曲线，计算25 mm挠度值下承载板变形的能量来评定纤维混凝土的韧性，评价标准[14]见表2。

本文平板法弯曲韧性试验采用250 kN的普通液压试验机，试验机上下压板与刚性组件及压力传感器之间均加钢垫板。方板试件的支座为型钢制作的正方形钢框，内边长500 mm，有足够的刚度确保加载过程中不产生附加变形。钢制加载垫块，截面为正方形，边长100 mm，对方板试件中心进行加载，加载详图见图1。全程采用位移控制加载速率，恒为1.5 mm/min，试验进行至方板中心处挠度为25 mm为止。

表2 板变形能力要求和韧性分级

图1 方板弯曲韧性试验装置Fig.1 Bending toughness test device for square plate

1.3.2 三分梁弯曲韧性试验

采用Instron25 t力学试验机进行三分梁弯曲韧性试验，试验方法参考美国ASTM C1018规范试验标准，对跨度为300 mm的梁三分点位置进行加载，记录梁中点的荷载-挠度曲线。在荷载-挠度曲线中，设初裂荷载对应挠度为δcr，计算δcr，3δcr，5.5δcr，15.5δcr倍数挠度下荷载-挠度曲线的面积Ωcr，Ω3cr,Ω5.5cr,Ω15.5cr，求出弯曲韧性指数[15]I10,I30,R30/10，其中I10=Ω5.5cr/Ωcr,I30=Ω15.5cr，R30/10=I30/I10，按该规范韧度综合指标的评价标准(表3)对试验结果进行评价。

表3 湿喷钢纤维混凝土弯曲韧度指数建议参考值

加载试验时初裂前的加载速度取0.05～0.08 MPa/s，初裂后加载速率按位移控制，恒定为0.1 mm/min，加载详图见图2，荷载精度0.1 kN，位移精度0.01 mm。

图2 三分梁弯曲韧性试验装置Fig.2 Three-point beam bending toughness test device

2 方板弯曲韧性试验结果及分析

随着荷载逐渐增大，平板先在板底跨中位置出现细微裂缝，当荷载达到最大值后，板跨中点挠度进一步增大，明显表现出一定的延性特征，3块方板BFP试件的荷载-挠度曲线，见图3。

图3 方板试件中心荷载-挠度曲线Fig.3 load-deflection curves of midpoint of square plates

用数值积分法求出板中心点处挠度为25 mm时，板所吸收的能量值，见图4，试验结果数值见表6。

图4 方板试件中心能量-挠度曲线Fig.4 Energy-deflection curves of midpoint of square plates

由表4中数据可知，3块混合纤维混凝土板的能量值W均达到500 J以上，甚至接近于700 J，按欧洲喷射混凝土规程(EFNARC)韧性划分标准(表2)，玄武岩纤维(BF)掺量为5 kg/m3、钢纤维掺量为30 kg/m3下的混合纤维混凝土韧性能量等级达到B级，有较好的韧性特征。

3 三分梁弯曲韧性试验结果分析

如图5所示，将直尺与试验梁荷载-挠度曲线的线性部分重叠放置确定初裂点，混合纤维混凝土梁达开裂点后，梁荷载-挠度曲线开始明显脱离初始弹性段，由于混合纤维的桥联作用，裂缝宽度较长时间维持在较细的水平(约0.2 mm)，表现出明显的延性特征。

图5 梁荷载-挠度曲线Fig.5 Load-deflection curves of beams

3根试验梁的初始裂缝均在试件中点位置，发生最终破坏时初始裂缝位置处形成一条主要的集中裂缝，见图6。

图6 梁试件的跨中开裂Fig.6 Midspan cracks of beams

按美国规范ASTM C1018对弯曲韧度指数I的定义，由各梁实测的荷载-挠度曲线计算初裂强度fcru=Fcra/bh2和各给定挠度值的韧度指数I，其中Fcra为初裂荷载。

3根试验梁BFB的韧性指数结果，见表5。

表5 试验梁弯曲韧性计算结果

若试验的材料为理想的弹塑性体，韧度综合指标R30/10的值为100。对一种实际材料而言，这个值代表了该材料在规定挠度范围内(5.5Fcra～15.5Fcra)所承受的平均荷载与其初裂荷载的比值，该值越接近100，越具有弹塑性特征。如表5所示，本试验中的3块混合纤维梁R30/10值均比较接近100，表明该梁表现出良好的韧性特征。

参考美国ASTM C1018规定的韧度等级划分(表3)，3根试验梁的韧度值均达到优秀，说明混合纤维梁(BF掺量5 kg/m3、钢纤维掺量30 kg/m3)也同样具有很好的韧性特征。

4 玄武岩纤维对强度的影响

方板及三分梁弯曲韧性试验结果均表明BF掺量5 kg/m3、钢纤维掺量30 kg/m3的混合纤维喷射混凝土具有良好甚至优秀的韧性特征，因此该混合纤维掺量有利于衬砌喷射混凝土的延性破坏。为了进一步研究钢纤维混凝土中掺入玄武岩纤维是否会对强度有削弱或者增强的效果，在同一配合比(表3)仅纤维掺量不同的前提下，设计了室内强度试验，包括立方体抗压强度和抗折强度试验，试验方法参照《普通混凝土力学性能试验标准》(GB/T 50081—2002)[16]进行。

成型试件室内标养完成后，达28 d龄期后取出在数显压力试验机YES—2000上进行抗压强度试验，在JES—300型试验机中进行抗折试验，试验结果见表6。

在表6中，以素混凝土强度为基数，BF混凝土及混合纤维混凝土的立方体抗压、抗折强度增长比例均达到1.11以上，混合纤维混凝土比玄武岩纤维混凝土的强度增长还要大5%以上。只掺玄武岩纤维的混凝土与混合纤维混凝土提高素混凝土的强度达11%以上，混合纤维混凝土甚至可以提高20%左右。这说明玄武岩纤维有助于混凝土强度的提高，与钢纤维混合更能表现出其增强效果。

表6 强度试验结果

注：抗压试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm；抗折强度试件尺寸为400 mm×100 mm×100 mm，已考虑了尺寸换算系数。

在素混凝土中掺加玄武岩纤维后，混凝土内形成一定的网状结构，协同骨料受力，当应力自基体传递给纤维时，纤维因变形而消耗能量，提高了混凝土韧性的同时提高了混凝土的强度。玄武岩纤维与钢纤维混合后，相互黏结，使三维乱向分布更加复杂多样，增强两种纤维对骨料的咬合，使强度进一步提高。

5 结论

本文对玄武岩纤维及钢纤维混合混凝土的弯曲韧性特征开展了系统的试验研究，主要结论如下：

(1) 玄武岩纤维掺量为5 kg/m3，钢纤维掺量为30 kg/m3的混合纤维喷射混凝土方板韧性试验表明，方板中心挠度达到25 mm时吸收的能量值达到欧洲喷混凝土韧性等级标准的B级，表明该板韧性良好。

(2) 同配合比下，三分梁韧性试验由荷载-挠度曲线，计算得到弯曲韧性系数I，按美国规范，该喷混凝土韧性特征优秀，具有很好的韧性特征，能使混凝土产生延性破坏。

(3) 混凝土受力时，玄武岩纤维形成网状结构，协同钢纤维受力变形增加耗能，使混凝土表现出明显的韧性特征，有利于混凝土结构的延性破坏。

(4)玄武岩纤维在混凝土中形成网状结构，协同骨料受力，能增强素混凝土立方体抗压、抗折强度，增长比例达11%以上；玄武岩纤维同时黏结乱向的钢纤维，进一步增强混凝土的立方体抗压、抗折强度，增长比例达16%～20%。

[1] MOROVA N. Investigation of Usability of Basalt Fibers in Hot Mix Asphalt Concrete[J]. Construction and Building Materials，2013, 47(10): 175-180.

[2] ASPRONE D, CADONI E, IUCOLANO F, et al. Analysis of the Strain-rate Behavior of a Basalt Fiber Reinforced Natural Hydraulic Mortar[J]. Cement & Concrete Composites, 2014, 53(10): 52-58.

[3] KABAY N. Abrasion Resistance and Fracture Energy of Concretes with Basalt Fiber[J]. Construction and Building Materials, 2014, 50(1): 95-101.

[4] NAJAFI M, KHALILI S M R, ESLAMI-FARSANI R. Hybridization Effect of Basalt and Carbon Fibers on Impact and Flexural Properties of Phenolic Composites[J]. Iranian Polymer Journal, 2014, 23(10): 767-773.

[5] 李为民，许金余. 玄武岩纤维对混凝土的增强和增韧效应[J]. 硅酸盐学报，2008，36(4): 476-481.

LI Wei-min, XU Jin-yu. Strengthening and Toughening in Basalt Fiber-reinforced Concrete [J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2008,36(4): 476-481.

[6] 叶邦土，孙伟，蒋金洋，等. 玄武岩纤维增强粉煤灰水泥浆体的耐久性及缺陷分析[J]. 硅酸盐学报，2012，40(8): 1127-1132.

YE Bang-tu, SUN Wei, JIANG Jin-yang, et al. Long-term Performances and Defects of Basalt Fiber Reinforced Cement Paste with Fly Ash[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2012,40(8): 1127-1132.

[7] 王钧，马跃，张野，等. 短切玄武岩纤维混凝土力学性能试验与分析[J]. 工程力学， 2014，31(增1): 99-102.WANG Jun, MA Yue, ZHANG Ye, et al. Experimental Research and Analysis on Mechanical Properties of Chopped Basalt Fiber Reinforced Concrete[J]. Engineering Mechanics, 2014,31(S1): 99-102.

[8] 史国刚，李海涛，顾兴宇. 柔性玄武岩纤维水泥混凝土配比优化设计[J]. 公路交通科技，2012，29(5): 24-29.

SHI Guo-gang, LI Hai-tao, GU Xing-yu. Mix Proportion Optimal Design for Flexible Basalt Fiber Reinforced Cement Concrete[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2012,29(5): 24-29.

[9] 江祥林，易汉斌，曾国良. 基于缩尺模型的玄武岩纤维布加固桥梁抗弯性能试验[J]. 公路交通科技，2011，28(7): 106-112.

JIANG Xiang-lin, YI Han-bin, ZENG Guo-liang. Experimen on Flexural Behavior of Bridge Structure Strengthened with BFRP Sheet Based on Scale Model[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2011,28(7): 106-112.

[10]李贺东，徐世烺. 超高韧性水泥基复合材料弯曲性能及韧性评价方法[J]. 土木工程学报，2010，43(3): 32-39.

LI He-dong, XU Shi-lang. Research on Flexural Properties and Flexural Toughness Evaluation Method of Ultra High Toughness Cementitious Composites[J]. China Civil Engineering Journal, 2010,43(3): 32-39.

[11]岳学军，黄晓明，李文龙，等. 测力延度试验以及韧性比评价指标的研究[J]. 公路交通科技，2007，24(2): 33-36.

YUE Xue-jun, HUANG Xiao-ming, LI Wen-long, et al. Research of Force-ductility Test and Toughness Ratio Index[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2007,24(2): 33-36.

[12]李雪连，陈宇亮，周志刚，等. 正交异性钢桥面水泥基铺装过渡层的研究[J]. 公路交通科技，2010，27(4): 16-21.

LI Xue-lian, CHEN Yu-liang, ZHOU Zhi-gang, et al. Cement-based Transition Layer for Orthotropic Steel Bridge Deck[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2010,27(4): 16-21.

[13]仰建岗，刘伟，王秉纲. 钢纤维混凝土弯曲疲劳性能研究[J]. 公路交通科技，2002，19(2): 35-37.

YANG Jian-gang, LIU Wei, WANG Bing-gang. Research on Bending Fatigue Performance for Steel Fiber Reinforced Concrete[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2002,19(2): 35-37.

[14]陈世鸣，刘欣. 冷拔型钢纤维混凝土板韧性试验研究[J]. 土木工程学报，2002，35(1): 21-24.

CHEN Shi-ming，LIU Xin. Experimental Study on Toughness of Cold-drawn Steel-fiber Reinforced Concrete Plate[J]. China Civil Engineer Journal, 2002,35(1): 21-24.

[15]丁一宁，董香军，王岳华. 钢纤维混凝土弯曲韧性测试方法与评价标准[J]. 建筑材料学报，2005，8(6): 660-664.

DING Yi-ning, DONG Xiang-jun, WANG Yue-hua. Testing Methods and Evaluating Standards of Flexural Toughness for Steel Fiber Reinforced Concrete[J]. Journal of Building Materials, 2005,8(6): 660-664.

[16]GB/T 50081，普通混凝土力学性能试验方法标准[S].

GB/T 50081, Standard for Test Method of Mechanical Properties on Ordinary Concrete [S].

Study on Flexural Toughness Property of Basalt Fiber Concrete Mixed with Steel Fiber

LI Hai-guang1,SUN Wen-zhi1,QIU Qing-li2,WANG Run-jian3

(1. Jinhua Highway Administration Bureau，Jinhua Zhejiang 321013, China; 2. School of Civil Engineering and Architecture,Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310058, China; 3. Research Institute of Highway, Ministry of Transport,Beijing 100088, China)

By square plate bending energy toughness test and three-point beam bending toughness test, the effect of basalt fiber and steel fiber on concrete toughness is studied. The compressive and the flexural bending strength tests of the mixed fiber concrete are carried out, and the strengths of basalt fiber concrete are compared, therefore the effect of basalt fiber and steel fiber on concrete strength is studied. Referencing the toughness grades division in Europe EFNARC and the toughness indexes in ASTM C1080, the deformability energy and toughness index are obtained in flexural toughness test to evaluate the flexural toughness properties of basalt fiber concrete mixed with steel fiber. The test result indicates that (1) the energy of mixed fiber-reinforced concrete plates reaches more than 500 J, and the toughness property reaches level B; (2) the toughness indexes of 3 tested beams are close to 100, indicating the excellent flexural toughness features, and the results of the 2 toughness tests show the good property of flexural toughness of mixed fiber concrete; (3) the compressive and flexural strengths of basalt fiber concrete increase by more than 11% compared with plain concrete; (4) mixed with steel fiber, the strength increment of basalt fiber mixed reinforced concrete is obvious, and flexural strength increase by 16%-20%.

tunneling engineering; flexural toughness; toughness test; fiber reinforced concrete;strength; basalt fiber；steel fiber

2015-01-20

浙江省交通运输厅科研计划项目(2010H61)

李海光(1978-)，男，浙江永康人，高级工程师.(zjyk-lhg@163.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.09.013

TU528.572

A

1002-0268(2016)09-0078-06