玄武岩纤维含量对混凝土强度及破坏规律影响研究*

丁传海

(中交一公局第三工程有限公司，北京 101102)

0 引言

国内外关于玄武岩纤维混凝土进行了相关研究，如卢睿[1]通过研究短切玄武岩纤维自密实混凝土的抗压、劈裂抗拉及弯拉强度，得到最佳掺量和最佳长径比作用下，短切玄武岩纤维混凝土的力学特性；叶邦土等[2]针对大掺量(矿物掺合料)高强度混凝土增加玄武岩纤维后开裂特性进行了研究，并提出高强混凝土掺入0.3%的玄武岩纤维后，其开裂指数降低为普通混凝土的93.3%；何松华[3]研究得出，玄武岩纤维掺量体积0.08%～03%对其抗压强度的影响不明显，但长度为18，12mm的玄武岩纤维使得其抗压强度有所下降，随着纤维掺量的增加，劈裂抗拉强度和拉压比均有所提高；吴钊贤等[4]研究得出，随着玄武岩纤维掺量的增加，试样混凝土的早期强度增加明显，其抗压强度也有所提高，但其坍落度值有所下降；赵星等[5]研究发现，随着掺加玄武岩纤维长径比的增加，泡沫混凝土的抗压、抗折强度逐渐增加；王学志等[6]研究得出，掺加纤维的混凝土可很大程度改善基体混凝土的弯曲性能，但混杂比例会造成基体混凝土的韧性降低；阮明和等[7]、张兰芳等[8]研究提出，玄武岩纤维掺量与混凝土的抗压强度增长呈正相关，与混凝土的脆性呈负相关；另外一些学者也得到，在轻骨料混凝土中掺入聚丙烯纤维，可很好地提高轻骨料混凝土的抗压强度、改善脆性[9-12]。

由分析可知，关于玄武岩纤维掺入混凝土后的力学性能进行了一系列研究，但关于纤维长度、掺量比例影响下混凝土的抗压强度、破坏特征及状态过渡等方面的研究较少，其最优掺量确认方法更是少之又少；而针对大跨结构混凝土工程中，玄武岩纤维掺入量影响较大，对其抗压、抗折及破坏特征与规律的研究意义重大。本文以济南地区某大跨综合管廊结构为背景，系统研究不同纤维长度、掺入量玄武岩纤维混凝土在受压、受弯状态下的最优掺量，并从破坏特征、断裂位移特征分析玄武岩纤维掺入对抗压、抗折性能的影响原因，其研究成果可为类似工程项目应用提供依据，具有广阔的应用和推广前景。

1 试验概况

为分析混凝土抗压、抗折等力学性能、变形破坏特征规律受玄武岩纤维的影响，制作的玄武岩纤维混凝土试样仅改变其中纤维长度和掺量而不改变基准混凝土配合比，其中纤维长度分别考虑6，12mm 2种，体积掺量考虑0，0.2%，0.4%，0.6% 4种，具体工况如表1所示。

表1 玄武岩纤维混凝土工况

1)单轴压缩试验 利用位移控制的电液伺服试验机进行加载，通过控制位移加载速率。需在试样的上下端涂抹凡士林以消除端部效应的影响。试验进行前选取符合GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》的3个试样算术平均值作为其抗压强度值。考虑本试验试件为非标准件，其抗压强度还须乘以尺寸换算系数0.95，最终结果精确到0.1MPa。

2)三点弯曲试验 采取5N/s的加载速率进行试验加载，待试样发生破坏后的力值回归到100N时为止；借助CCD相机采集、监测整个试验过程。

2 玄武岩纤维混凝土抗压强度及破坏特征规律分析

2.1 抗压强度分析

玄武岩纤维混凝土抗压强度规律如图1所示，由分析可知：①玄武岩纤维长度为6mm时，混凝土抗压强度随着玄武岩纤维掺量的增大，其抗压强度先增大后降低，最后保持稳定，抗压强度最大值为玄武岩纤维体积掺量在0.2%时，其值为不掺加玄武岩纤维混凝土的1.26倍，最小值为不掺加玄武岩纤维混凝土的1.18倍；②玄武岩纤维长度为12mm时，混凝土抗压强度随着玄武岩纤维掺量的增大，其抗压强度先增大后降低，抗压强度最大值为玄武岩纤维体积掺量在0.4%时，其值为不掺加玄武岩纤维混凝土的1.36倍；最小值为不掺加玄武岩纤维混凝土的1.28倍。这说明玄武岩纤维可有效提高混凝土抗压强度。

图1 玄武岩纤维混凝土抗压强度规律

2.2 抗压强度破坏特征规律研究

单轴抗压试验破坏块体粒径分布规律如图2所示，由分析可知：

图2 单轴抗压试验破坏块体粒径分布

1)纤维长度为6mm的玄武岩纤维混凝土试块，单轴压缩破坏后玄武岩纤维混凝土破坏块体粒径分布出现2个峰值，其中一个峰值对应的粒径为2.5～5mm，另一个峰值对应的粒径为<1.25mm。掺量为0的玄武岩纤维混凝土破坏试块2.5～5mm粒径峰值占比为80%，而<1.25mm粒径峰值相对较小，仅为12%；随着玄武岩纤维掺量的增大，破坏块体粒径2.5～5mm占比先降低(0.2%)后增大(0.4%～0.6%)；抗压强度最优体积掺量(0.2%)峰值位置发生变化，为破坏试块粒径峰值>16mm(最大粒径)，其值为55%，其他基本保持均匀分布。

2)纤维长度为12mm的玄武岩纤维混凝土试块，受单轴压缩破坏后玄武岩纤维混凝土破坏块体粒径分布出现2～3个峰值，峰值分布差异性相对较大。掺量为0的玄武岩纤维混凝土峰值为2.5～5mm，掺量为0.2%的玄武岩纤维混凝土破坏试块粒径峰值>16mm，掺量为0.4%～6%的混凝土破坏试块粒径峰值为5～7mm。

整体而言，玄武岩纤维掺量为0.2%，混凝土试块破坏块体粒径主要集中在>16mm；最优掺量玄武岩纤维混凝土破坏块体主粒径分布均呈现集中分布，其他呈波状分布，进一步验证玄武岩纤维混凝土整体依然表现为脆性破坏；但玄武岩纤维掺入后使得局部受到一定约束，故由脆性破坏向延性破坏转变，造成部分破坏块体粒径呈波状分布。

3 玄武岩纤维混凝土抗折强度及破坏规律

3.1 抗折强度分析

分析表2中玄武岩纤维混凝土抗折特性可知：①玄武岩纤维掺量增大时，混凝土的起裂荷载、起裂韧度变化相对较小，进一步说明变形较小时，玄武岩纤维所起作用不明显；②玄武岩纤维混凝土失稳荷载变化相对较大，且失稳断裂韧度变化较大，说明在变形较大时，玄武岩纤维所起作用明显。

表2 玄武岩纤维混凝土抗折性能参数

3.2 破坏特征规律研究

根据玄武岩纤维混凝土抗折强度试验结果汇总得到表3，由分析可知：

表3 抗折试验位移云图

1)掺量为0的玄武岩纤维混凝土位移云图中，在预制裂纹两侧均出现明显位移差异，且在预制裂纹单侧存在2个位移差异区域。

2)对于掺入玄武岩纤维长度为6，12mm的玄武岩纤维混凝土，其预制裂纹两侧均出现明显位移差异，且预制裂纹单侧均存在3个位移差异区域。

3)对比不同掺量玄武岩纤维混凝土的断裂破坏位移云图可知：①对于掺入玄武岩纤维长度6mm的玄武岩纤维混凝土，掺入玄武岩纤维致使其预制裂纹单侧差异区域由2个位移差异区域变为3个，且差异区域随着玄武岩纤维掺量增大，由底部逐渐向顶部移动；掺量为0.6%试样位移差异区域由水平转变为垂向；②对于掺入玄武岩纤维长度12mm的玄武岩纤维混凝土，预制裂纹单侧差异区域也是由2个位移差异区域变为3个，且随着玄武岩纤维掺量增大，位移云图差异区域的差异性越来越小。

4)掺入玄武岩纤维混凝土与普通混凝土的位移云图差异性小，说明其破坏本质由脆性破坏向延性破坏转变，最优掺量混凝土位移云图差异性分布更加均匀，使得应力集中现象更加不明显，从而使混凝土有较高强度。

4 结语

1)玄武岩纤维混凝土较普通混凝土的抗压和抗折强度均有提高，其次玄武岩纤维混凝土的抗压和抗折强度对应的最优掺量范围在0.2%～0.4%，且纤维长度和受力状态均对其最优掺量有影响。

2)玄武岩纤维掺入混凝土后改变了局部应力与应变集中状态，增强了局部抵抗应力与应变的能力，致使其抗压强度和抗折强度均有提高。

3)掺入玄武岩纤维的混凝土呈脆性破坏特征，但局部伴有延性破坏。

4)由三点弯曲试验可知，掺入玄武岩纤维后的混凝土预制裂缝两侧位移差值均降低，单侧位移差异区域分布也呈缓慢阶梯变化；而未掺入玄武岩纤维混凝土则是单侧位移差异区域急剧变化。