汪 炅

建德市建筑業(yè)管理處 浙江 建德 311699

1 研究背景

混凝土作為土木工程中廣泛使用的建筑材料，具有較好的力學(xué)性能，但是隨著工程技術(shù)應(yīng)用的不斷深入，其力學(xué)相關(guān)基本性能的不足也逐漸暴露出來。其中由于僅為抗壓強(qiáng)度十分之一的較低的抗拉強(qiáng)度特征，致使構(gòu)件受拉過程中易出現(xiàn)裂縫，直接降低了構(gòu)件的耐久性，減小了混凝土材料的應(yīng)用范圍。

以提高混凝土材料工程力學(xué)性能為目標(biāo)，破解混凝土材料使用的不足，多年來學(xué)者對(duì)混凝土材料的性能進(jìn)行相關(guān)改良并取得階段性成果，如加外加劑、調(diào)整配合比、改進(jìn)制作工藝和養(yǎng)護(hù)方法等。

由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和實(shí)際工程的需要，許多學(xué)者試著將其他材料（各類纖維、粉末等）摻入混凝土以提高其使用功能，其中一種就是纖維混凝土，即砂石、水泥等材料中混入無(wú)機(jī)或有機(jī)纖維形成復(fù)合材料，這種材料一方面利用混凝土的抗壓性能，另一方面利用纖維良好的抗拉性能，將各自材料性能都發(fā)揮了出來。

H.F.Porter首先考慮使用鋼纖維這類無(wú)機(jī)纖維混入混凝土中，以提高混凝土的抗拉能力，并提出一些相應(yīng)的處理方法[1-2]。后來，J.P.Romualdi等發(fā)表的《關(guān)于纖維混凝土增強(qiáng)理論的研究報(bào)告》促進(jìn)了這一行業(yè)的快速發(fā)展，聚酰胺纖維、聚丙烯、天然植物纖維等均被嘗試作為混凝土的摻合料[3-4]。

玄武巖纖維是在1 400～1 500 ℃高溫中，將玄武巖礦石熔融，然后通過拉絲漏板將熔融后的玄武巖礦石漿制成短切纖維[4]。玄武巖礦石為典型火山巖礦石，熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性均較好，具體性能如下：質(zhì)量輕、吸濕性低、耐腐蝕、導(dǎo)熱系數(shù)低、斷裂強(qiáng)度高、彈性模量高、伸長(zhǎng)率低。同時(shí)玄武巖纖維有著優(yōu)良的加工性能，也是典型的綠色環(huán)保材料。與建筑材料中常用的碳纖維材料相比，玄武巖纖維綜合性能與碳纖維綜合性能基本一致，而價(jià)格則便宜很多[5]。

基于此，本文以短切玄武巖纖維為研究對(duì)象[6]，研究玄武巖纖維體積摻量對(duì)混凝土抗壓性能和抗劈裂性能的影響。

2 纖維混凝土增強(qiáng)機(jī)理

纖維混凝土增強(qiáng)機(jī)理理論現(xiàn)階段主要包括兩大類理論，即復(fù)合材料理論和纖維間距理論，其分別源于復(fù)合材料混合法則和纖維基體黏結(jié)理論，從不同方面對(duì)纖維的增韌作用進(jìn)行解釋。

2.1 復(fù)合材料理論

復(fù)合材料理論是將多種材料混合而成的材料整體視為一個(gè)多相多界面的系統(tǒng)，而該系統(tǒng)的各方面性質(zhì)是各個(gè)相共同作用產(chǎn)生的結(jié)果。由材料力學(xué)混合定律出發(fā)，把纖維和混凝土視為一個(gè)整體，通過兩者相互作用，使得混凝土的強(qiáng)度和彈性模量都有所改善。對(duì)簡(jiǎn)單復(fù)合材料，可以假定基體材料為各向同性、纖維平行受力方向的纖維與基體之間無(wú)相對(duì)滑移，在彈性范疇內(nèi)，按疊加原理有：

式中：σfc、σf、σm——復(fù)合體的應(yīng)力、纖維的應(yīng)力、水泥基體的應(yīng)力；

Efc、Ef、Em——復(fù)合體的彈性模量、纖維的彈性模量、水泥基體的彈性模量；

ρf、ρm——纖維的體積率、水泥基體的體積率。

式（1）、（2）表明，在變形一致的情況下，纖維應(yīng)力與水泥基體應(yīng)力之比等于纖維彈性模量與水泥基體彈性模量之比，因此若要增強(qiáng)復(fù)合材料的總體強(qiáng)度與彈性模量，纖維的強(qiáng)度及彈性模量必須大于水泥基體的強(qiáng)度和彈性模量，同時(shí)可以看出，纖維單位含量越多，自身性能越好，則對(duì)復(fù)合體增強(qiáng)效果越顯著。

本文主要研究短切玄武巖纖維復(fù)合材料，需要考慮短切纖維產(chǎn)生的不連續(xù)性影響，進(jìn)一步可以得到下式：

式中：lf——纖維長(zhǎng)度；

df——纖維直徑；

ηl——有效黏結(jié)長(zhǎng)度系數(shù)。

假定纖維在混凝土中隨機(jī)分布排列，即可能是一維定向分布或二維亂向分布。但對(duì)試驗(yàn)中采用短切纖維制作的復(fù)合混凝土來說，由于其短小，故可以認(rèn)為纖維處于三維亂向分布。增強(qiáng)效果明顯，則表明纖維方向與受力方向一致；增強(qiáng)效果薄弱，則說明兩者方向垂直。為了方便，可以用纖維方向有效系數(shù)表示纖維分布方向與增強(qiáng)效果之間的關(guān)系。

2.2 纖維間距理論

纖維間距理論是基于線彈性斷裂力學(xué)，假定混凝土內(nèi)部存在大量缺陷，在外力作用下，這些微缺陷進(jìn)一步生長(zhǎng)延展形成分散裂紋，而若干分散裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展貫通為一個(gè)宏觀裂紋，從而導(dǎo)致混凝土最終破壞。在這個(gè)過程中，由于抗拉能力較強(qiáng)的纖維加入，可以有效提高復(fù)合體對(duì)各級(jí)別裂紋擴(kuò)展的抵抗能力，從而達(dá)到增強(qiáng)作用。該理論不足之處就是，假設(shè)纖維分布均勻，若分布不均勻，纖維間距理論即失去意義。所以，在實(shí)際中，纖維分布是否均勻，是這類混凝土力學(xué)性質(zhì)優(yōu)劣的關(guān)鍵所在。

3 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

選用P.O 42.5水泥，其28 d抗壓強(qiáng)度為48.3 MPa，28 d抗折強(qiáng)度為8.2 MPa。采用細(xì)度模數(shù)為2.5～ 2.6的中砂為細(xì)骨料，其表觀密度為1 996 kg/m3。采用粒徑5～27 mm連續(xù)性級(jí)配的碎石為粗骨料，其表觀密度為2 737 kg/m3。采用減水率為40%的西卡聚羧酸系高效減水劑。短切玄武巖纖維長(zhǎng)度在30 mm左右，單絲直徑約15μm，密度2.7 g/cm3，彈性模量為95～120 MPa，抗拉強(qiáng)度為3 300～4 500 MPa，斷裂延伸率為2.5%～30.0%。

本試驗(yàn)采用的相關(guān)配合如表1所示。立方體抗壓試驗(yàn)和立方體劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)相關(guān)試樣尺寸、制備方法及實(shí)驗(yàn)參數(shù)，均參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》?？箟涸囼?yàn)、劈裂試驗(yàn)均采用100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，每組3個(gè)試樣，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。其中，劈拉強(qiáng)度尺寸折算系數(shù)對(duì)于普通混凝土取為0.85，對(duì)于纖維混凝土取為0.8。最大值和最小值分別與中間值之差至少有一個(gè)不大于中間值的15%，則取中間值作為該組試件的抗壓強(qiáng)度值；如果兩者與中間值之差均大于中間值的15%，則判斷該組試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效。

表1 不同組試件制備材料用量

4 試驗(yàn)步驟

1）擦凈待測(cè)試件后檢查外觀并測(cè)量尺寸，精確到l mm。試件承壓面的不平整度要求誤差不大于0.5 mm/ 100 mm，相鄰兩面的不垂直度應(yīng)小于等于1°。

2）將試件放置于載物臺(tái)上，軸心對(duì)準(zhǔn)壓板中心，檢查無(wú)誤后開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，當(dāng)壓板接近試件上表面時(shí)，調(diào)整支座位置，以保證不產(chǎn)生彎矩，達(dá)到受力均勻目的。

3）加載速度要保持連續(xù)、均勻，立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)加荷速度取12～18 kN/s之間，立方體劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)加荷速度取0.05～0.07 kN/s之間。

4）記錄顯示器中的荷載極值，精確至0.1 MPa。混凝土立方體試件的抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

式中：fcu——混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度，MPa；

F——試件破壞荷載，N；

A——試件承壓面積，mm2。

混凝土立方體試件的劈拉強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

式中：fts——混凝土立方體試件劈拉強(qiáng)度，MPa。

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

由立方體抗壓強(qiáng)度測(cè)試值（表2）可知，混凝土7 d抗壓強(qiáng)度隨玄武巖纖維的增加呈現(xiàn)不變到逐漸降低的特征，這主要是由于玄武巖纖維加入后，在纖維與水泥形成的界面處產(chǎn)生一個(gè)薄弱面，而隨著纖維摻量的增加，這類薄弱面不斷增加，因此立方體抗壓強(qiáng)度自然就會(huì)不斷下降。而混凝土28 d抗壓強(qiáng)度隨玄武巖纖維摻量的增加呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，這個(gè)先增加的原因是少量摻入的玄武巖纖維起到了一定的連接作用，在一定程度上減少了混凝土自身的收縮變形，而同時(shí)增加的薄弱面相對(duì)28 d強(qiáng)度提高要少很多，從而在整體上表現(xiàn)為強(qiáng)度增加。

表2 立方體抗壓強(qiáng)度測(cè)試值

由立方體劈拉強(qiáng)度測(cè)試值（表3）可知，基準(zhǔn)混凝土的7 d立方體劈拉強(qiáng)度是28 d立方體劈拉強(qiáng)度的76.9%，隨著短切玄武巖纖維不斷摻入，7 d與28 d齡期的立方體劈拉強(qiáng)度差值開始減小，7 d強(qiáng)度均到達(dá)28 d強(qiáng)度的85%以上。根據(jù)前面數(shù)據(jù)，一方面摻入的纖維延緩了混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)，一方面摻入纖維對(duì)立方體劈拉強(qiáng)度而言并無(wú)太大的影響。

表3 立方體劈拉強(qiáng)度測(cè)試值

隨著玄武巖纖維摻量的增加，短切玄武巖纖維混凝土的立方體劈拉強(qiáng)度有一定程度的提高：以普通混凝土為研究基礎(chǔ)，當(dāng)短切玄武巖纖維摻量為0.35%時(shí)，劈拉強(qiáng)度提高約23.1%。在加荷初期，纖維混凝土混合體剛度較大，變形相對(duì)較小，混凝土自身變形較小，因此混凝土承擔(dān)大部分拉應(yīng)力，而玄武巖纖維所承擔(dān)的小部分拉應(yīng)力也比較小。隨著荷載的增加，混合體總變形開始增大，總應(yīng)變也不斷增加，此時(shí)，混凝土基體部分隨著變形增加承擔(dān)的拉應(yīng)力也在增加，但是玄武巖纖維在這個(gè)過程中由于變形得更為充分，因而承載的拉應(yīng)力增加很快，超過混凝土。顯然，短切玄武巖纖維的加入減緩了混凝土基體由于張拉作用導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的速度，隨著外力的不斷施加，內(nèi)部出現(xiàn)細(xì)小微裂紋，此時(shí)玄武巖纖維開始承擔(dān)部分拉應(yīng)力，促使應(yīng)力進(jìn)行重分布，這種拉接力使得裂紋處材料并未完全退出承載，進(jìn)而繼續(xù)承擔(dān)一部分荷載，這樣使得裂紋擴(kuò)展得到了較好的約束。

6 工程應(yīng)用

湖南省寧道（寧遠(yuǎn)縣—道縣）高速公路總路程約91 km，屬于廈成高速湖南省段的重要組成部分。全線以黏性土和碎石土為主，局部分段為裸露基巖。基于前文相關(guān)研究，考慮到經(jīng)濟(jì)性，選用0.15%玄武巖纖維混凝土進(jìn)行部分路段施工，后期對(duì)比觀測(cè)摻入纖維和未摻入纖維混凝土的特征：摻入纖維段混凝土路面開裂情況明顯優(yōu)于未摻入纖維路段，摻入段僅有3處最長(zhǎng)長(zhǎng)度為6 m、最大寬度為1 mm的裂縫，裂縫在距離板切縫為3 m、1 m處，而未摻入段有8處最長(zhǎng)長(zhǎng)度為11m、最大寬度為2 mm的裂縫，且裂縫在距離板切縫約為0.5 m、1 m處。上述路面特征表明，玄武巖纖維混凝土對(duì)實(shí)際工程中減少裂縫的產(chǎn)生具有極其重要的意義。

7 結(jié)語(yǔ)

本文從理論和實(shí)際應(yīng)用2個(gè)角度對(duì)玄武巖纖維混凝土進(jìn)行了相關(guān)研究，得到如下結(jié)論：

1）從立方體抗壓強(qiáng)度角度分析，當(dāng)短切玄武巖纖維摻量達(dá)到體積百分比的0.10%～0.15%時(shí)，短切玄武巖纖維混凝土的7 d和28 d的立方體抗壓強(qiáng)度較沒有摻加纖維的混凝土均有一定幅度的提高。

2）摻入短切玄武巖纖維的混凝土立方體劈拉強(qiáng)度均有一定程度的提高。

3）在實(shí)際玄武巖纖維混凝土路面工程中，短切玄武巖纖維的應(yīng)用能夠明顯減少路面裂縫的產(chǎn)生。