玄武岩纤维混凝土的力学性能研究.pdf

中国厨卫建筑工程与装修玄武岩纤维混凝土的力学性能研究林彦男,梁雷，阮朋，陈佳琪，张根毓（西安交通工程学院，西安7 1 0 3 0 0）摘要：玄武岩纤维作为一种高质量、经济、环保的最新科技纤维，被视为碳纤维、玻璃纤维和聚丙烯纤维等技术纤维的理想替代产品。尽管针对玄武岩纤维混凝土（BFRC)的力学属性的研究在全球范围内数量众多，但研究结果并未达成统一的共识。文章在审视BFRC现行的研究情况后，系统性地实验分析了BFRC的力学属性，并尝试通过调整玄武岩纤维的添加量来研究纤维对混凝土立方抗压强度和轴向抗压强度的影响规律。关键词：玄武岩纤维；立方体抗压强度；轴心抗压强度中图分类号：TU37Study on the Mechanical Properties of Basalt Fiber ConcreteLIN Yannan,LIANG Lei,RUAN Peng,CHEN Jiaqi,ZHANG Genyu(Xian Transportation Engineering Institute,Xian 710300,China)Abstract:Basalt fiber,as a high-quality,economic and environmental protection of the latest technology fiber,is regar-ded as an ideal substitute for carbon fiber,glass fiber and polypropylene fiber.Although there are many researches on themechanical properties of basalt fiber reinforced concrete(BFRC)in the world,the research results have not reached a uni-fied consensus.After reviewing the current research situation of BFRC,this paper systematically analyzes the mechanicalproperties of BFRC,and tries to study the influence of basalt fiber on the cubic compressive strength and axial compres-sive strength of concrete by adjusting the amount of basalt fiber.Key words:basalt fiber;cube compressive strength;axial compressive strength1引言近年来,玄武岩纤维混凝土因其优秀的力学性能而受到了工程领域的广泛关注。玄武岩纤维加入混凝土中可以帮助改善其脆性特征,提高其力学性能。国内外相关学者对玄武岩纤维增强混凝土进行了大量研究。掺人合适数量的玄武岩纤维混凝土力学性能得到增强。在已有的研究中,学者们研究的玄武岩纤维掺量主要集中在0%0.3%之间。但掺量区间跨度较大，可能会对纤维最佳掺量的确定造成误差。为了精准得出纤维最优的掺量，了解了含玄武岩纤维的混凝土强度与纤维混人比例变化的关系，同时减少了未来实验的数量和干扰因素。该研究通过严格控制玄武岩纤维在混凝土中的体积加人比例,开展了不同纤维掺量的混凝土强度性能试验。2酉配合比设计2.1试验原材料选用4 2.5 级普通硅酸盐水泥，如图1（a）所示；选用机制基金项目：2 0 2 2 年西安交通工程学院大学生创新创业训练项目：玄武纤维混凝土的力学性能研究（XJY2022DC09）。作者简介：林彦男（2 0 0 1 一），本科,研究方向为土木工程。10|中国厨卫砂,细度模数为2.8 3,表观密度为2 5 6 0 kg/m,如图1(b)所示;选用碎石,粒径为5 2 0 mm，表观密度为2 7 0 0 kg/m,如图1(c)所示；普通自来水;1 2 mm短切玄武岩纤维,如图1(d)所示;聚羧酸减水剂,如图1(e)所示。2.2试验配合比文章研究的玄武岩纤维混凝土,其纤维的体积掺量范围在0 0.1 5%,因此选用了外掺法进行配合比的设计。混凝土设计的等级为C30,设定的落度值为1 6 0 mm,水灰比则为0.46,砂的比例为3 5%,具体的混凝土标准配合比见表1。表1 混凝土的基准配合比石子/砂子/水泥/编号(kg/m)(kg/ma)(kg/m)(kg/m)纤维/(%)掺量/%）F11 265F21 265F31265F41 265F51 2653试验方法该试验旨在探究玄武岩纤维的掺杂比例对混凝土力学水玄武岩减水剂68543568543568543568543568543520020020020020000.050.10.150.21.31.31.31.31.3建筑工程与装修中国厨卫属性的作用,设计了不同的玄武岩纤维掺入比例，包括0%、要一部分水泥糊液进行包围，这就减少了可流动的水泥糊0.05%、0.1%、0.1 5%、0.2%。其中，不含纤维的混凝土作为液量,进一步降低了混凝土的落程度。实验控制组，选择立方体样本的抗压强度作为力学性能的表2 混凝土的落度衡量标准。为避免纤维出现成团现象，在试件浇筑过程中，纤维掺入方法采用干拌法。先将除水外的细骨料、粗骨料、水泥倒人搅拌机，在搅拌干料的同时将纤维均勾掺人其中，并在6 0 s内均匀搅拌,然后再添加水和减水剂,再用9 0 s时间搅拌均匀,最后将其卸下并注模成型。样本经过自然养护,养护时间设定为2 8 d。为了提高试验的精确性，每个掺杂比例下都准备了4 个样本，并用其平均值做为该组样本的强度标准，试块总数为2 0 块。编号F1坍落度/mm1601551511391285玄武岩纤维增强混凝土的抗压强度立方体抗压强度试验采用1 5 0 mm150mm150mm标准试件，测2 8 d抗压强度，试验采用压力试验机进行，试验过程如图3 所示,结果如图4、表3 所示。F2F3F4F5(a)硅酸盐水泥(b)机制砂(c)碎石图3 立方体抗压强度试验(d)短切玄武岩纤维图1 试验原材料4玄武岩纤维增强混凝土的流动性在混凝土中加人纤维会影响混凝土的流动性，为了研究纤维混凝土落度与纤维掺量之间的关系，文章进行了落度实验的研究，得到落度结果见表2,落度变化规律如图2 所示。1651601551501451401351301250.00图2 落度变化规律由表2、图2 可知,添加玄武岩纤维的方式可以降低混凝土的落程度，同时也能增强混凝土的黏合性。从一方面来看,纤维的分散有助于提供某种程度的支持,且通过扩大表面接触,成功地增加了骨料之间的摩擦因数,有效地控制了骨料的流动性。另一个角度来看，由于纤维的存在,需(e)聚羧酸减水剂0.050.10玄武岩纤维掺量%36.536.035.535.034.534.0图4 混凝土立方体抗压强度变化规律试验结果表明，当纤维的添人量逐渐提升时，玄武岩纤维混凝土的抗压能力一开始会增强，随后则会下降,且在0.15%的纤维添人量下，其抗压能力达到顶点。此外，当添人量为0.1 5%和0.2%时，玄武岩纤维混凝土的抗压能力表现出的差距并不明显。表3 立方体抗压强度试验结果0.150.200.00编号立方体抗压强度/MPa这是因为少量玄武岩纤维掺人混凝土时可与混凝土其他组分混合均匀,玄武岩纤维可以随机分布到整个试件中，与混凝土基质有较好的结合。混凝土的不同方向具有不同的特性,这使得在承受轴心压缩荷载的压力时,其内部的压力能够在各个部分间互相传递，从而共同分担压力。而且，2024 年1 3 期1 10.05玄武岩纤维掺量%F1F2F3F4F534.234.935.736.536.20.100.150.20参考文献中国厨卫建筑工程与装修高弹性模量和抗拉强度强的玄武岩纤维能起到桥接作用，有效地阻止混凝土内部裂纹的扩散，这有助于增强混凝土的抗压强度。而玄武岩纤维掺量较高时易降低混凝土的和易性和流动性，导致混凝土孔隙增加致密性差，从而降低了混凝土的抗压强度。玄武岩纤维主要是通过物理和机械作用来改善纤维混凝土的内部结构，提高混凝土的性能，并没有真正改变混凝土本身不同材料的力学性能,因此玄武岩纤维混凝土的抗渗性、抗冻性、干收缩能力等得到了提高。在玄武岩纤维混凝土中,纤维对基体的主要影响有三个：纤维限制混凝土中裂缝的产生和扩展，纤维对基体的抗拉强度，抗剪强度和弯曲强度的改善和提高，以及玄武岩纤维混凝土的韧性。与普通混凝土相比,纤维混凝土具有较高的抗压强度、缝隙强度、弯曲应力、延展性等特点，在耐久性方面也具有良好的性能。当玄武岩纤维混凝土硬化收缩和游离水分挥发收缩时，玄武岩纤维可以很好地抑制混凝土中早期干缩微裂纹和离析裂缝的产生和发展。防止微裂纹的进一步扩大,提高混凝土的抗裂性和密封性。玄武岩纤维混凝土中的纤维可以与混凝土基体一起承受外部荷载。在早期应力阶段，大部分外力由混凝土基体承担。加大荷载导致混凝土基质开裂后，玄武岩纤维在裂缝的两端架桥，主要承受外荷载，使混凝土不会立即断裂，从而增加了混凝土的韧性。然而，当玄武岩纤维含量超过临界体积含量并随着外荷载的增加，混凝土和纤维复合材料将承受更高的荷载并产生更大的变形，直到玄武岩纤维被外力拉出或拉出混凝土基体。因此，玄武岩纤维混凝土中的纤维可以起到混凝土硬化和收缩的作用，防止裂缝出现。通过影响混凝土的微观结构来改变混凝土在荷载作用下的应力伸长率,以提高纤维混凝土的抗压和弯曲抗拉强度，并提高混凝土的耐久性。6结语该试验以C30混凝土为基准配合比，通过改变玄武岩纤维的掺量对混凝土力学性能影响进行研究,研究结果如下。（1)添加玄武岩纤维混凝土的落度降低,且会增强混凝土的粘结性。在实际工程中需特别关注玄武岩纤维混凝土的流动性，当混凝土的落度达到施工要求时才能施工。当施工时遇到玄武岩纤维裸露在混凝土表面时，需要剪掉裸露在外面的部分，不能将玄武岩纤维直接拔出。（2)当纤维的含量上升，玄武岩纤维混凝土的抗压强度表现出逐渐增加然后减少的趋势。该次试验中，玄武岩纤维掺量在0.1 5%时,混凝土的强度达到最高。（3)玄武岩纤维比碳纤维的性价比更高，且取材方便，具有良好的物理力学性能。在结构的抗震加固和混凝土结构加固中，玄武岩纤维可以作为一种新型纤维加固材料，在混凝土结构加固工程中可以替代碳纤维。1谢金东,武亮,刘志洪,等.短切玄武岩纤维混凝土力学性能试验研究 J.贵州大学学报（自然科学版）,2 0 2 2,3 9（4）：105-109,117.2张玉庭,梅宏，李世茂.玄武岩纤维混凝土力学性能试验研究 J.散装水泥,2 0 2 1(6)：1 5 0-1 5 2.3余志坚.粗骨料粒径对玄武岩纤维混凝土力学强度的影响研究 D.西安：西安理工大学,2 0 2 1.4 余彦锋.玄武岩纤维混凝土力学性能及抗渗性研究 J.科学技术创新,2 0 2 1(2 5)：1 3 5-1 3 8.5王森林,矿物掺合料和玄武岩纤维混凝土力学和碳化性能研究 D.郑州：中原工学院,2 0 2 1.6 Sohail MG,Alnahhal W,Taha A,etal.Sustainable alternative ag-gregates:Characterization and influence on mechanical behaviorof basalt fiber reinforced concrete J.Construction and BuildingMaterials,2020,255:119365.7李德超,赵晨曦.玄武岩纤维混凝土基本力学性能研究 J.公路,2 0 2 0,6 5(6):2 3 7-2 4 1,8赵歆.基于细观力学下玄武岩纤维混凝土力学性能及损伤机理研究 D.乌鲁木齐：新疆大学,2 0 2 0.9周浩，贾彬,黄辉，等.玄武岩纤维混凝土抗压和抗折力学性能试验研究 J.工业建筑,2 0 1 9,4 9(8）：1 4 7-1 5 2.10薛明凯.玄武岩与聚丙烯双掺纤维混凝土力学性能研究D.淮南：安徽理工大学,2 0 1 8.12|中国厨卫