玄武岩纤维混凝土力学性能试验研究

张玉庭 梅 宏 李世茂

（辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁 阜新 123000）

随着高层大跨结构的快速发展，对混凝土耐久性问题的关注日益增多，混凝土的研究也逐渐向轻、高强度等方向发展。研究表明，添加复合材料能有效解决混凝土的固有缺陷。玄武岩纤维质量轻、稳定、高强，加入混凝土中可提高混凝土抗冲击性能，降低脆性，改善混凝土的抗渗性、抗冻融循环能力和抗收缩能力。为此，通过室内试验，研究了纤维长度、掺量对玄武岩混凝土工作性能和力学性能的影响，为相关工程设计提供理论依据。

1 试验材料及试验方案设计

通过室内力学试验对玄武岩纤维混凝土的力学性能进行研究。

1.1 测试材料

1.1.1 水泥

水泥选用普通硅酸盐水泥，材料特性见表1。

表1 水泥特性

从表1可以看出，水泥初凝时间超过45min，终凝时间不超过600min，符合规范要求。

1.1.2 粗细骨料

骨料选用粒径小于26.5mm的石屑，细集料选用中砂级配的河砂，其物理性质见表2、表3。

表2 碎石粒度组成

表3 细骨料粒径组成

1.1.3 玄武岩纤维

研究结果表明，玄武岩纤维具有良好的稳定性和耐蚀性能。本试验选用重庆玄武岩实业公司生产的丝状玄武岩纤维，长度为12～24mm，单纤直径为15μm，其物理特性见表4。

表4 玄武岩纤维物理特性

1.2 测试计划

通过室内压缩强度和抗折强度试验，研究不同纤维长度和掺量对混凝土力学性能的影响。经9组试验，玄武岩纤维长度分别为10mm、12mm、14mm，其掺量分别为0.1%、0.2%、0.3%，详见表5。

表5 试验工况

2 玄武岩纤维混凝土工作性能

玄武岩纤维混凝土的工作性能是指混凝土在施工过程中能保证其质量均匀、结构致密的特点，又称为和易性，主要包括流动性、保水、黏合等，在实际工程中，多以流动性作为评价混凝土和易性的指标。试验结果表明，混凝土骨料的最大粒径为26.5mm（<40mm），因此，通过坍落度测定玄武岩纤维混凝土的流动性，评价其工作性能。

坍落度试验主要使用标准坍落度桶、截头圆锥形、捣棒、钢尺等工具，具体试验步骤：

（1）湿润坍落度桶内壁，并将其固定在不吸水的平板上。

（2）分层分次装填玄武岩纤维混凝土，并沿坍落度桶边缘向内均匀插捣，插捣完成后抹平混凝土表面。

（3）在5～10s时间内缓慢提起坍落度桶，并将测试时间控制在3min以内。

（4）记录坍落后混凝土最高点的高度，坍落度值为最高点高度与桶高的差值，扩展度为混凝土停止流动时测定的扩展直径。

在不同玄武岩纤维长度和掺量条件下，混凝土的坍落度和扩展度如图1、图2所示。

图1 玄武岩纤维混凝土坍落度

图2 玄武岩纤维混凝土扩展度

从图1、图2可以看出，在不同纤维长度条件下，随着玄武岩纤维含量的增加，混凝土的坍落度和扩展度均降低。在无玄武岩纤维条件下，混凝土坍落度为195mm、扩展度为455mm，流动性能良好；添加0.1%的玄武岩纤维后，混凝土坍落度、伸缩度均未明显降低，玄武岩纤维含量在0.2%以上时，坍落度和伸缩度下降幅度超过50%，流动性明显降低，玄武岩纤维含量下降，流动性下降不明显，这时玄武岩纤维混凝土流动性基本丧失。

3 玄武岩纤维混凝土力学性能

按照有关规定，制作100mm×100mm×100mm的试件，使用室内压力试验机对不同纤维长度和掺量条件下的混凝土进行轴向抗压试验，最大负压率为3000kN，试验步骤为：

（1）擦净养护试件，放置在压力机承压板上。

（2）将试件中心对准测试板中心，使测试结果均匀加载，直至试件破裂，记录最大载荷，精确到0.1MPa。

（3）整理记录数据，最终抗压强度值见公式（1）。

式中，fcu——混凝土立方体抗压强度，MPa；

F——最大破坏荷载，N；

A——试块受力面积，mm2。

在不同纤维长度和掺量条件下，混凝土的压缩强度见图3。

图3 玄武岩纤维混凝土压缩强度

通过分析可以看出，玄武岩纤维长度不变时，随着玄武岩纤维掺量的增加，混凝土的抗压强度逐渐增加：玄武岩纤维长度为10mm时，玄武岩纤维含量从0.1%上升到0.3%，玄武岩纤维混凝土的抗压强度从35.6MPa提高到40.8 MPa；玄武岩纤维长度为12cm时，玄武岩纤维含量从0.1%上升到0.3 %,玄武岩纤维混凝土的抗压强度从36.2MPa提高到40.4MPa。由于混凝土中加入了一定量的玄武岩纤维，混凝土骨料间产生了牵拉、摩擦，玄武岩纤维就像箍筋一样，同时承担外部压力，玄武岩纤维的掺量和长度也随之增加，其协同效应越来越明显。

4 结语

在混凝土中加入一定量的玄武岩纤维，可有效地提高混凝土的耐久性，本文通过室内坍落度、抗压强度测试，研究不同掺量、不同长度条件下混凝土的工作性能和力学性能，分析玄武岩纤维含量、长度对混凝土力学性能的影响，得出以下结论：

在不同纤维长度条件下，混凝土坍落度和扩展度随玄武岩纤维含量的增加而降低。当玄武岩纤维含量大于0.2%时，坍落度和扩展度下降50%以上；当玄武岩纤维含量大于0.3%时，混凝土流动性能基本消失。随着玄武岩纤维掺量的增加，混凝土的抗压强度也随之增加，玄武岩纤维的添加对混凝土中的增筋性有较大影响，玄武岩纤维的掺量和长度越大，加筋效果越明显。