短切玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

謝金東　武亮　劉志洪　楊振東　顧艷霜

摘要：玄武巖纖維混凝土（basalt fiber reinforced concrete，BFRC）是一種新型建筑復(fù)合材料，相比普通混凝土具有抗拉強(qiáng)度高、耐久性能好等優(yōu)點(diǎn)。為探究玄武巖纖維摻量對混凝土基本力學(xué)性能的影響，分別對8種不同體積摻量的BFRC進(jìn)行了立方體抗壓和劈裂抗拉試驗(yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果，采用指數(shù)平滑預(yù)測模型對附加纖維摻量的混凝土強(qiáng)度性能進(jìn)行預(yù)測。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著纖維摻量的增加，混凝土抗壓、劈拉強(qiáng)度和拉壓比呈先增大后減小的趨勢，存在最大值;對于立方抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度而言，其峰值強(qiáng)度對應(yīng)的纖維摻量有所不同，玄武巖纖維的摻入對混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度影響較為明顯;通過采用指數(shù)平滑預(yù)測模型對纖維體積摻量大于0.4%的BFRC強(qiáng)度性能進(jìn)行預(yù)測發(fā)現(xiàn)，混凝土的抗壓、劈拉強(qiáng)度及拉壓比繼續(xù)呈現(xiàn)出下降趨勢?？梢姡m量摻入纖維提升了混凝土的強(qiáng)度性能，過多摻入纖維對混凝土的力學(xué)性能造成不利影響。

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維;纖維混凝土;力學(xué)性能試驗(yàn);強(qiáng)度預(yù)測

中圖分類號：TV41文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

近年來，由于纖維混凝土具有良好的力學(xué)性能而受到工程界的廣泛關(guān)注，纖維的加入能夠改善混凝土的脆性狀態(tài)，提高其力學(xué)性能[1]。其中，玄武巖纖維是一種典型的硅酸鹽纖維，其具有玻璃纖維、植物纖維和碳纖維所不具備的眾多特性，且有著和混凝土及砂漿相近的密度，是較為理想的混凝土增強(qiáng)增韌材料[2]。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者也對BFRC開展了大量研究[38]。吳江等[9]研究表明，玄武巖纖維長度變化對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響不明顯，但纖維體積摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度影響較大;陳鋒等[10]研究表明，相較纖維長度和直徑，玄武巖纖維摻量的變化對混凝土劈拉強(qiáng)度影響更顯著，陳亞迪等[11]研究表明，玄武巖纖維體積摻量為0.1%時，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度最大，素混凝土的劈拉破壞形態(tài)屬于典型的脆性破壞，而摻加玄武巖纖維后混凝土則表現(xiàn)為延性破壞，玄武巖纖維的摻入有效改善了混凝土的脆性狀態(tài);彭苗等[12]研究表明，摻入纖維后，混凝土抗壓強(qiáng)度提升較為明顯，且抗壓強(qiáng)度提升率隨著齡期的增加而增大;王輝等[13]研究表明，在纖維體積摻量為0.2%時，混凝土抗壓強(qiáng)度提高最為明顯，在此摻量條件下，抗壓強(qiáng)度的增幅程度隨纖維長度增加而提升。

綜上所述，對于BFRC而言，纖維的適量摻入對混凝土力學(xué)性能具有增強(qiáng)的效果。此外，在已有的研究中，學(xué)者們研究的玄武巖纖維體積摻量主要集中在0%～0.3%之間[1417]，但摻量區(qū)間跨度較大，可能會對纖維最佳摻量的確定造成誤差。為了準(zhǔn)確得到纖維的最優(yōu)摻量區(qū)間，確定BFRC強(qiáng)度隨纖維摻量的變化規(guī)律，并且減小后續(xù)研究的試驗(yàn)量和降低試驗(yàn)干擾因素，本文通過細(xì)化玄武巖纖維在混凝土中的體積摻量，開展不同纖維摻量的混凝土強(qiáng)度性能試驗(yàn)，并基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過Matlab軟件，采用指數(shù)平滑預(yù)測模型對體積摻量大于0.4%的混凝土強(qiáng)度性能進(jìn)行分析和預(yù)測，獲得了BFRC強(qiáng)度性能隨纖維摻量的變化規(guī)律，可為BFRC的進(jìn)一步運(yùn)用提供參考。

1原材料與試驗(yàn)方法

1.1原材料及配合比

試驗(yàn)采用紅獅牌（P.O 42.5）普通硅酸鹽水泥，其性能指標(biāo)如表1所示;粉煤灰為卓圣F類I級粉煤灰;粗骨料及細(xì)骨料均取自某施工現(xiàn)場的石灰?guī)r，砂率為40%，其中，粗骨料粒徑范圍為5～20 mm，表觀密度為2 770 kg/m。玄武巖纖維采用用海寧安捷材料公司生產(chǎn)的長度為12 mm的標(biāo)準(zhǔn)纖維，其力學(xué)性能指標(biāo)如表2所示。設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級為C30，配合比如表3所示。

1.2試驗(yàn)方案及方法

為研究玄武巖纖維摻量對混凝土力學(xué)性能的影響，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)玄武巖纖維體積摻量分別為0、0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%、0.4%，其中，纖維體積摻量為0的作為試驗(yàn)對照組，以立方體試件的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度作為力學(xué)性能試驗(yàn)的評價指標(biāo)。為避免纖維出現(xiàn)成團(tuán)現(xiàn)象，在試件澆筑過程中，纖維摻入方法采用干拌法[18]，先將除水外的細(xì)骨料、粗骨料、水泥和粉煤灰倒入攪拌機(jī)，在攪拌干料的同時將纖維均勻摻入其中，攪拌60 s至均勻后，再加入水繼續(xù)攪拌90 s，最后卸料注模成型。試件采用自然養(yǎng)護(hù)，如圖1所示，設(shè)計(jì)養(yǎng)護(hù)齡期為60 d。試驗(yàn)方法嚴(yán)格遵循《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[19]，為確保試驗(yàn)準(zhǔn)確度，每組纖維摻量條件澆筑4塊試件，取其平均值作為該組試件的強(qiáng)度指標(biāo)，試塊總數(shù)為64塊。

通過力學(xué)試驗(yàn)得到抗壓、劈拉強(qiáng)度及拉壓比結(jié)果后，采用指數(shù)平滑法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測。指數(shù)平滑法的原理是在加權(quán)移動平均法的基礎(chǔ)上對不同階段的樣本值賦予不同的權(quán)數(shù)，其基本公式為：

在本次預(yù)測模型中，i值的變化對應(yīng)纖維體積摻量的改變，xi表示纖維摻量為i時的實(shí)測強(qiáng)度值，s表示纖維摻量為i時的平滑強(qiáng)度值。以抗壓、劈拉強(qiáng)度實(shí)測值為樣本點(diǎn)，采用指數(shù)平滑模型進(jìn)行預(yù)測，分別得到纖維體積摻量為0.45%、0.5%、0.55%時的抗壓、劈拉強(qiáng)度及拉壓比預(yù)測結(jié)果，模型的樣本值均來源于力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果。

2力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1力學(xué)性能試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

通過力學(xué)性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在抗壓試驗(yàn)中不摻纖維的混凝土試件表面有部分碎塊脫落，而摻入纖維的混凝土試件表面破壞形態(tài)較為完整，在劈拉破壞時兩者無明顯區(qū)別。不摻纖維的混凝土抗壓和劈拉破壞形態(tài)分別如圖2中（a）和（b）所示，摻入纖維的混凝土抗壓和劈拉破壞形態(tài)分別如圖2中（c）和（d）所示，抗壓、劈拉強(qiáng)度和拉壓比結(jié)果如表4所示。

2.2抗壓強(qiáng)度

不同纖維摻量下的立方體試件抗壓強(qiáng)度變化趨勢如圖3所示。

分析抗壓強(qiáng)度結(jié)果和圖3中的抗壓強(qiáng)度變化趨勢可知，隨著纖維摻量的增加，BFRC的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在纖維摻量為0.15%時其抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，摻量為0.15%和0.2%時的BFRC抗壓強(qiáng)度較為接近。其中，纖維摻量為0.15%較對照組而言，其抗壓強(qiáng)度增長了21.27%。當(dāng)纖維體積摻量為0.4%時，其抗壓強(qiáng)度與對照組接近。在抗壓試驗(yàn)過程中可發(fā)現(xiàn)，對照組混凝土試件破壞時其表面有部分碎塊脫落，整體較為松散;而摻入玄武巖纖維的混凝土試件在破壞時表皮有較多裂紋，無明顯碎塊脫落，試件保持了較好的完整性。上述現(xiàn)象表明，適量玄武巖纖維的摻入提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度，使混凝土保持了一定的延性狀態(tài)。對于混凝土抗壓性能而言，玄武巖纖維的最佳摻量為0.15%。

2.3劈裂抗拉強(qiáng)度

不同纖維摻量下的立方體試件劈拉強(qiáng)度變化趨勢如圖4所示。

由劈拉強(qiáng)度結(jié)果和圖4中的劈拉強(qiáng)度變化趨勢可知，隨著纖維摻量的增加，劈拉強(qiáng)度變化規(guī)律與抗壓強(qiáng)度相似，都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。劈拉強(qiáng)度在纖維摻量為0.2%時達(dá)到最大，相比于對照組其劈拉強(qiáng)度增長了57.89%，在纖維摻量超過0.25%后劈拉強(qiáng)度降幅較為顯著，劈拉強(qiáng)度變化趨勢及峰值強(qiáng)度所對應(yīng)的纖維摻量結(jié)果與葉學(xué)華等[20]研究結(jié)果基本一致。

由表4可知，纖維摻量為0.25%的拉壓比約為不摻纖維的1.35倍，因此，適量加入纖維后的混凝土較對照組混凝土拉壓比增加明顯。由于玄武巖纖維的加入使混凝土呈現(xiàn)出三維亂象體系，使得纖維能與骨料和砂漿一起承擔(dān)荷載，加之玄武巖纖維具備高彈模的特點(diǎn)，在裂縫擴(kuò)展至纖維所處位置時，纖維的拔出功和斷裂功為混凝土承擔(dān)了耗能，改善了混凝土的抗拉性能，同時增加了混凝土的韌性。對于混凝土劈裂抗拉性能而言，玄武巖纖維的最佳摻量為0.2%。

3BFRC強(qiáng)度預(yù)測分析

根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果分析，纖維摻量是影響混凝土強(qiáng)度性能的主要因素，在摻量超過一定值后，混凝土的抗壓和劈拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)出降低的趨勢，且隨纖維摻量的增加強(qiáng)度降幅較為明顯。因此，可采用平滑指數(shù)法賦予下降段強(qiáng)度較大的權(quán)重，從而預(yù)測出混凝土強(qiáng)度性能隨纖維摻量的變化趨勢。

3.1抗壓、劈拉強(qiáng)度預(yù)測

試驗(yàn)結(jié)果表明，立方體抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度分別在纖維摻量為0.15%和0.2%時達(dá)到最大，在達(dá)到最大值后抗壓和劈拉強(qiáng)度均隨纖維摻量的增加逐漸降低。以抗壓和劈拉試驗(yàn)值為試驗(yàn)樣本點(diǎn)數(shù)值，通過采用指數(shù)平滑法對纖維摻量為0.45%、0.50%、0.55%的抗壓、劈拉強(qiáng)度及拉壓比進(jìn)行了預(yù)測，預(yù)測結(jié)果如表5所示，抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度的實(shí)測值與預(yù)測值分別如圖5和圖6所示。

從預(yù)測結(jié)果可知，混凝土抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度在纖維摻量為0.4%后繼續(xù)保持降低趨勢，在纖維摻量為0.45%后的抗壓強(qiáng)度預(yù)測值已低于對照組強(qiáng)度，預(yù)測結(jié)果表明纖維摻量的繼續(xù)增加會導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度性能降低。在實(shí)際制拌混凝土試件過程中可發(fā)現(xiàn)，摻入0.4%的纖維后，肉眼可明顯觀察到在混凝土拌合物中加入的纖維，且拌合物在注模振搗后流動性明顯降低，表明摻入過多纖維已對混凝土性能造成不利影響。從試驗(yàn)結(jié)果趨勢和制拌時的試驗(yàn)現(xiàn)象可知，混凝土強(qiáng)度繼續(xù)保持降低的預(yù)測結(jié)果較為可靠。

3.2拉壓比預(yù)測

在靜態(tài)力學(xué)試驗(yàn)中，混凝土劈拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值簡稱為拉壓比，拉壓比是反映混凝土韌性的一個重要指標(biāo)[21]。從試驗(yàn)結(jié)果可知，BFRC的拉壓比同抗壓、劈拉強(qiáng)度一樣都隨纖維摻量的增加先增大后減小，且都呈現(xiàn)出了相同的變化趨勢。采用與抗壓、劈拉強(qiáng)度相同的預(yù)測方法，以表4中的拉壓比實(shí)測值為樣本點(diǎn)，對混凝土的拉壓比進(jìn)行了預(yù)測，得到拉壓比預(yù)測值，并將表5的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度的預(yù)測值換算為拉壓比對比值，拉壓比實(shí)測值、預(yù)測值和對比值結(jié)果如圖7所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可知，纖維摻量在0.25%時混凝土拉壓比最高，通過預(yù)測結(jié)果可知，在纖維摻量為0.4%后，隨著纖維摻量的增加，混凝土拉壓比預(yù)測值仍呈現(xiàn)降低趨勢。將拉壓比預(yù)測值與拉壓比對比值比較后可發(fā)現(xiàn)，兩者數(shù)值無明顯偏差，且變化趨勢基本相同，可見采用試驗(yàn)值作為指數(shù)平滑預(yù)測模型的樣本值，所得到的抗壓、劈拉強(qiáng)度和拉壓比預(yù)測結(jié)果是比較準(zhǔn)確可靠的。

4結(jié)論

1）適量摻入玄武巖纖維對混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度均有提升，其中，劈拉強(qiáng)度提升效果明顯。

2）通過試驗(yàn)結(jié)果表明，立方體抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和拉壓比均隨纖維摻量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，三者強(qiáng)度變化規(guī)律大致相同，但每組峰值強(qiáng)度所對應(yīng)的纖維摻量有所區(qū)別，抗壓、劈拉強(qiáng)度和拉壓比峰值強(qiáng)度所對應(yīng)的纖維摻量分別為0.15%、0.2%、0.25%。

3）基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用指數(shù)平滑法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度發(fā)展預(yù)測，并分析拉壓比的預(yù)測值與對比值，預(yù)測結(jié)果表明，隨著纖維摻量的增加，抗壓、劈拉強(qiáng)度和拉壓比仍呈現(xiàn)出持續(xù)降低的趨勢，過多摻入纖維對混凝土的力學(xué)性能造成不利影響。

4）通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)和預(yù)測結(jié)果，可得到玄武巖纖維的最佳摻量區(qū)間為0.15%～0.2%。參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：于慧梅）

Experimental Research on Mechanical Properties

of Chopped Basalt Fiber Reinforced Concrete

XIE Jindong， WU Liang LIU Zhihong， YANG Zhendong， GU Yanshuang

（Faculty of Electric Power Engineering，Kunming University of Science and Technology， Kunming， 650500， China）Abstract： Basalt fiber reinforced concrete （BFRC） is a new type of building composite material has the advantages of high tensile strength and good durability compared with ordinary concrete. In order to explore the influence of basalt fiber content on the basic mechanical properties of concrete， cube compression and splitting tensile tests were carried out on eight kinds of BFRC with different volume content.Then based on the test results， the exponential smoothing prediction model was used to predict the strength properties of concrete with additional fiber content. The test results show that with the increase of fiber content， the compressive strength， splitting tensile strength and tension compression ratio of concrete increase first and then decrease， and there is a maximum value; for the cubic compressive strength and splitting tensile strength， the fiber content corresponding to the peak strength is different， and the addition of basalt fiber has an obvious effect on the splitting tensile strength of concrete; by using exponential smoothing prediction model to predict the strength performance of BFRC with fiber volume content greater than 0.4%， it is found that the compressive strength， splitting tensile strength and tension compression ratio of concrete continue to show a downward trend. It can be seen that an appropriate amount of fiber improves the strength performance of concrete， white too much fiber has an adverse impact on the mechanical properties of concrete.

Key words： basalt fiber; fiber reinforced concrete; mechanical property test; strength prediction