李福海，高浩，唐慧琪，姜怡林，占玉林，沈東

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2. 溫州市七都大橋北汊橋建設(shè)有限公司，浙江 溫州 325099)

混凝土存在可塑性好、抗壓強(qiáng)度高等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)中。隨著各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式、環(huán)境的出現(xiàn)，對混凝土力學(xué)性能以及耐久性要求不斷提高，纖維增強(qiáng)混凝土(FRC)應(yīng)運(yùn)而生。FRC 因摻入不同種類的纖維使其各方面性能得到顯著提升。玄武巖纖維以天然玄武巖礦石為原料，破碎處理后經(jīng)1 450～1 500 ℃高溫熔融，通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成[1]，具有優(yōu)異的力學(xué)性能以及穩(wěn)定的化學(xué)性能，且其作為一種硅酸鹽纖維與水泥具有天然的相容性[2]。國內(nèi)外對玄武巖纖維混凝土(BFRC)做了大量的研究，IYER 等[3]研究表明當(dāng)纖維長度為36 mm，體積摻量為0.3%時效果最佳。AYUB 等[4]發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維可以有效改善混凝土界面過渡區(qū)(ITZ)，提高混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度，但對抗壓強(qiáng)度作用不大。PUNURAI 等[5]研究發(fā)現(xiàn)在地聚物混凝土中，玄武巖纖維替代粉煤灰可以促進(jìn)CSH 等水化產(chǎn)物發(fā)展、降低孔隙率，有效改善地聚物混凝土抗壓、抗彎強(qiáng)度和干縮。BRANSTON 等[6]發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維能夠降低混凝土塑性收縮帶來的危害，并限制裂縫的發(fā)展。WANG 等[7]認(rèn)為隨著纖維摻量的增大，混凝土的裂縫長度、寬度及數(shù)量減小，BFRC 早齡期抗干縮性能得到顯著提升，但工作性能會惡化。黃鏡渟等[8]研究表明，經(jīng)BFRP 加固后柱的承載力、延性和耗能能力顯著改善。龔飛[9]發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維可以減小混凝土硬化前的連通孔隙，提高混凝土抗氯離子滲透性能。此外，蘇麗等[10]研究表明相比聚丙烯纖維，玄武巖纖維對混凝土氯離子濃度降低作用更顯著，且適量的混雜纖維效果優(yōu)于單摻。綜上所述，目前關(guān)于玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土(BFRC)的研究大都集中于某一個具體的方面，混凝土強(qiáng)度大部分在C30～C50 范圍內(nèi)且纖維摻量范圍大都集中在0%～0.3%，缺乏對BFRC 在高強(qiáng)度、大摻量下綜合性能的探究。本文以C60混凝土為基準(zhǔn)，分析了玄武巖纖維摻量(0%～0.6%)對于混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、劈拉破壞模式、抗氯離子滲透性及自由收縮的影響，并建立了早齡期收縮模型。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

1) P?O52.5 虎山普通硅酸鹽水泥；2) 粒徑為5～25 mm的青田連續(xù)級配碎石；3)細(xì)度模數(shù)為2.6的青田河沙；4) 溫州凱程公司生產(chǎn)的KC-NF-1 高效減水劑；5) HEA 膨脹劑；6) 山東日照生產(chǎn)的S95 礦粉；7) 浙江金石公司生產(chǎn)的玄武巖纖維(見圖1)，物理性能如表1所示；8)成都當(dāng)?shù)刈詠硭?/p>

圖1 玄武巖纖維Fig.1 Basalt fiber

表1 玄武巖纖維物理力學(xué)性能Table 1 Physical and mechanical properties of basalt fiber

1.2 配合比設(shè)計

為探究玄武巖纖維對混凝土各項性能的影響，本試驗以C80 混凝土配合比為基礎(chǔ)(見表2)，通過改變玄武巖纖維體積摻量共設(shè)計5 組試驗，其中4組是在基準(zhǔn)混凝土的配合比下分別摻入體積分?jǐn)?shù)為0.15%，0.30%，0.45%和0.60%的玄武巖纖維。

表2 混凝土配合比Table 2 Concrete mix ratio

1.3 試驗方法

1) 基本力學(xué)性能試驗參考GB/T50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行?？箟簭?qiáng)度試驗和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗所用試件尺寸均為100 mm×100 mm×100 mm，每組配比均制作6個試件，共30個試件。

2) 早齡期收縮試驗參考GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，采用臥式收縮儀測量收縮，如圖2所示。試件尺寸為100 mm×100 mm×515 mm，每組配比制作3 個試件，共制作15 個試件。試件成型24 h 后，將其置于溫度30 ℃，相對濕度60%的環(huán)境開始測量收縮。

圖2 臥式收縮儀Fig.2 Horizontal contraction instrument

3) 電通量試驗按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。試件尺寸直徑100 mm，高度(50±2) mm，每組配比制作3個試件，共制作15個試件。

4)從BF-30組抗壓強(qiáng)度破壞試件中取樣，使用KYKY-EM3200 型掃描電子顯微鏡對其進(jìn)行微觀試驗分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

不同摻量玄武巖纖維混凝土28 d 齡期抗壓強(qiáng)度如圖3 所示。由圖3 可知，抗壓強(qiáng)度隨著玄武巖纖維摻量的增大呈現(xiàn)出先增長后降低的趨勢，纖維摻量范圍在0.15%～0.45%時，對混凝土抗壓強(qiáng)度變化較為敏感。當(dāng)纖維摻量達(dá)到0.3%時，抗壓強(qiáng)度最大88.093 MPa，相比基準(zhǔn)混凝土提高了5.2%，玄武巖纖維對混凝土抗壓強(qiáng)度提升效果不顯著。纖維摻量較小時，亂向分布的纖維和骨料之間相互搭接，能夠有效改善混凝土中空隙、微裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展[11]，降低混凝土內(nèi)部孔隙率，從而提高混凝土抗壓強(qiáng)度。此外，均勻分布于混凝土內(nèi)部的玄武巖纖維可以形成傳力纖維微筋網(wǎng)，這些纖維網(wǎng)格在混凝土試塊受到軸向壓力作用時發(fā)揮類似于箍筋的工作效應(yīng)，通過提供橫向約束力來提高混凝土抗壓強(qiáng)度[12]。隨著纖維摻量增加，形成的纖維網(wǎng)格越多，抗壓強(qiáng)度提升也逐漸明顯。當(dāng)玄武巖纖維摻量達(dá)到0.3%后，抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢，甚至低于基準(zhǔn)混凝土。纖維摻量過多，易在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，從而形成較多的薄弱面；同時有效的傳力纖維網(wǎng)格數(shù)量減少，不能形成具有整體性的空間傳力網(wǎng)架，導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度降低[13]。

圖3 玄武巖纖維混凝土抗壓強(qiáng)度Fig.3 Compressive strength of basalt fiber concrete

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

不同摻量玄武巖纖維混凝土28 d 齡期劈裂抗拉強(qiáng)度如圖4 所示。由圖4 可知，BF15，BF30，BF45和BF60劈裂抗拉強(qiáng)度相對于基準(zhǔn)混凝土依次提高3.5%，17.3%，14.5%及5.6%，且玄武巖纖維摻量在0.15%～0.3%時，對混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度提升效果顯著。纖維摻量為0.3%時，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值5.045 MPa。相比抗壓強(qiáng)度而言，玄武巖纖維對劈裂抗拉強(qiáng)度作用較大。玄武巖纖維自身彈性模量、抗拉強(qiáng)度較高，當(dāng)混凝土受荷載時，纖維能夠分擔(dān)很大一部分荷載。達(dá)到開裂荷載后，處于裂縫間的纖維起到橋聯(lián)作用，使試件繼續(xù)承擔(dān)荷載；同時處于裂縫間的纖維將荷載傳遞至裂縫兩端的基體材料上，重新使已開裂混凝土繼續(xù)發(fā)揮作用，從而提升混凝土的抗拉強(qiáng)度。此外，受到荷載作用時混凝土界面過渡區(qū)會產(chǎn)生大量應(yīng)力集中點形成微裂縫，玄武巖纖維能改善界面過渡區(qū)[4]，可以使應(yīng)力重分布，減小微裂縫尖端的應(yīng)力集中[14]，提高劈裂抗拉強(qiáng)度。當(dāng)纖維摻量大于0.3%時，劈裂抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢，當(dāng)纖維摻量從0.45%增加至0.6%時，強(qiáng)度迅速降低。此時纖維摻量過大，纖維不易均布且比表面積增大，膠凝材料不能很好地包裹纖維，影響混凝土基體與纖維之間的握裹力，影響二者之間的黏結(jié)力，從使混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度降低。

圖4 玄武巖纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度Fig.4 Splitting tensile strength of basalt fiber concrete

混凝土內(nèi)部骨料與砂漿接觸面存在大量孔隙和氫氧化鈣，形成界面薄弱區(qū)，成為混凝土受力破壞的關(guān)鍵部位。圖5為28 d齡期不同纖維摻量混凝土劈裂抗拉破壞形態(tài)，纖維摻量不同，混凝土破壞后裂縫數(shù)量、裂縫寬度以及斷裂界面骨料被拉斷的比例均不相同。未摻玄武巖纖維時，混凝土呈現(xiàn)明顯的脆性破壞，僅出現(xiàn)一條寬度較大主裂縫，斷裂界面的粗骨料基本處于完整狀態(tài)，大部分骨料在混凝土界面薄弱區(qū)拉脫，粗骨料自身強(qiáng)度未得到充分利用。纖維摻量為0.3%時，纖維在混凝土內(nèi)部亂向分布，能夠分散混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力方向[15]，荷載通過玄武巖纖維在混凝土間往復(fù)傳遞，改變裂縫延伸路徑，故混凝土破壞后出現(xiàn)多條曲折的細(xì)微裂縫，顯著體現(xiàn)了玄武巖纖維的橋聯(lián)效應(yīng)。此外，玄武巖纖維提高了骨料與砂漿間吸附黏結(jié)力，強(qiáng)化了薄弱層[13]，大部分骨料被拉斷，構(gòu)件依然能夠保持一定的整體性。

圖5 劈裂抗拉破壞形態(tài)Fig.5 Splitting tensile failure form

2.3 抗氯離子滲透性

由試驗數(shù)據(jù)可得不同摻量玄武巖纖維混凝土電通量如圖6所示?；炷量孤入x子滲透性能評價表如表3 所示。由圖6 可知不同玄武巖纖維摻量混凝土電通量變化范圍在1 180～1 457 C，其抗氯離子侵蝕性能較好。隨著纖維摻量的增多，混凝土電通量逐漸降低，當(dāng)纖維摻量從0%到0.6%時，電通量降低了277 C?？芍S著纖維摻量的增大，混凝土抗氯離子侵蝕性有所提升。

表3 混凝土抗氯離子侵蝕性能評定Table 3 Evaluation of the anti-chloride ion corrosion performance of concrete

圖6 玄武巖纖維混凝土電通量Fig.6 Basalt fiber concrete electric flux

影響混凝土電通量的主要因素是孔徑以及連通孔隙率，孔徑越小、連通孔隙率越低電通量則越低?；炷劣不埃鋷r纖維在混凝土內(nèi)部亂向分布起到“承托”作用，能夠有效減少骨料的下沉以及漿體的上浮，即能夠降低混凝土的塑性收縮[6]，使混凝土內(nèi)部孔隙率降低。且玄武巖纖維復(fù)雜的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增大了混凝土內(nèi)部水、離子等物質(zhì)滲透路徑的曲折性。研究表明玄武巖纖維的摻入能夠使混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)得到細(xì)化，形成了大量穩(wěn)定封閉的微小孔隙，平均孔徑下降，連通孔隙率因阻隔而降低[17?19]。故而玄武巖纖維能夠提升混凝土抗氯離子滲透性。

2.4 早齡期自由收縮

2.4.1 早齡期收縮機(jī)理分析

不同纖維體積摻量混凝土的收縮如圖7 所示。由圖7可知，玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土試樣的收縮率均小于基準(zhǔn)混凝土，且在一定的纖維摻量范圍內(nèi)，混凝土的收縮率隨著纖維摻量的增加而逐漸減小，0.6%纖維摻量的32 d收縮率下降了22.6%，表明玄武巖纖維對混凝土收縮有明顯的抑制作用。

圖7 玄武巖纖維混凝土收縮率Fig.7 Basalt fiber concrete shrinkage rate

玄武巖纖維主要從力學(xué)和濕度這兩方面來影響混凝土的收縮，從力學(xué)方面來看，玄武巖纖維的彈性模量大且組成與混凝土相似，與混凝土相容性較好。纖維-水泥界面之間的摩擦力限制了水泥因收縮滑過纖維時的運(yùn)動，故在產(chǎn)生收縮應(yīng)力時，纖維能夠很好地分擔(dān)一部分應(yīng)力，從而減少收縮變形[20-21]。從濕度方面來看，覆蓋在混凝土表面的纖維可對水分的遷移起到阻礙作用，且混凝土內(nèi)部纖維增大了水分散失通道的曲折性[22]，從而減少毛細(xì)管中因水分遷移所產(chǎn)生的負(fù)壓導(dǎo)致的干燥收縮。玄武巖纖維吸水性較大，能夠增大混凝土保水性和黏聚性，具備內(nèi)養(yǎng)護(hù)功能，進(jìn)而使混凝土的抗干縮性能提升[7]。此外，當(dāng)玄武巖纖維橋接收縮裂縫時，部分水泥石開裂時的能量將會因為拉伸纖維所消耗掉，從而起到抑制收縮的作用[23]。并且文獻(xiàn)[22, 24]表明玄武巖纖維還可以抵消部分由溫度應(yīng)力引起的收縮。

表4 為不同纖維摻量混凝土在5 d 和32 d 的收縮率。由表4 可知，5 d 時BF60，BF45，BF30，BF15 收縮值相比基準(zhǔn)混凝土依次減少59.7%，54.2%，51.5% 和45.8%，32 d 時BF60，BF45，BF30，BF15 收縮值相比基準(zhǔn)混凝土分別減少22.6%，16.7%，11.7%和6.7%。32 d齡期時纖維對混凝土抗收縮的改善程度明顯弱于5 d 時的改善程度。通過觀察圖7的收縮率變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)，其隨著齡期的增長先快速增加，后趨于平緩，25 d之后時，基準(zhǔn)樣收縮值已基本不變，而摻纖維混凝土的收縮值仍呈現(xiàn)不同程度的增長，最終導(dǎo)致32 d玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土的抗收縮作用減弱。分析原因主要是，早齡期混凝土的水化速率快，而此時混凝土的強(qiáng)度低，不足以抑制因水化反應(yīng)引起的體積變形而產(chǎn)生較大的收縮，而得益于玄武巖纖維良好的力學(xué)性能，纖維可以承受大部分因體積變形產(chǎn)生的收縮應(yīng)力，因此在早齡期時纖維混凝土的抗收縮性能相比于基準(zhǔn)混凝土大幅度提高。到達(dá)養(yǎng)護(hù)后期，水化反應(yīng)在基準(zhǔn)混凝土中已基本完成，混凝土內(nèi)部的濕度與環(huán)境的濕度也已達(dá)到相對平衡，其收縮基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[22]。而對于摻入玄武巖纖維的混凝土來說，后期時其收縮持續(xù)增長的原因是玄武巖纖維易吸水，具有“蓄水池”的作用[22,25]，被纖維吸附的自由水向膠凝材料發(fā)生遷移，在混凝土內(nèi)部濕度與環(huán)境濕度達(dá)到相對平衡過程中，因水分喪失而繼續(xù)發(fā)生干燥收縮，從而引起相對緩慢的收縮增長。此外，文獻(xiàn)[24]表明養(yǎng)護(hù)后期，纖維和漿體之間的界面老化，二者間的黏結(jié)強(qiáng)度有所減低，故后期纖維混凝土收縮有所增長。

表4 不同纖維摻量混凝土5 d及32 d收縮率Table 4 5 d and 32 d shrinkage rate of concrete with different fiber content

2.4.2 早齡期收縮模型

1) “經(jīng)典建研模型”考慮到本試驗的試驗材料、環(huán)境參數(shù)和試驗結(jié)果等，本文選取“經(jīng)典建研模型”[26]為基礎(chǔ)模型用來預(yù)測基準(zhǔn)混凝土的收縮變化?！敖?jīng)典建研模型”的計算式如下所示：

式中：ε0(t)為混凝土收縮基本方程(根據(jù)室內(nèi)試驗資料回歸分析得出)；β1為相對濕度影響系數(shù)；β2為構(gòu)件尺寸影響系數(shù)；β3為養(yǎng)護(hù)方法影響系數(shù)；β4為粉煤灰摻量影響系數(shù)；β5為混凝土強(qiáng)度等級影響系數(shù)。

其中，β1和β4可通過文獻(xiàn)[26]查表確定其數(shù)值均為1.0；β2則通過計算出的體積與面積之比，結(jié)合文獻(xiàn)[26]所確定的取值范圍取值為0.5；由于本試驗中試件沒有經(jīng)過養(yǎng)護(hù)處理，因此收縮值相比養(yǎng)護(hù)處理后的試件會有所增大，故β3放大處理，取為1.2。文獻(xiàn)[26]中對β5取值時規(guī)定其混凝土強(qiáng)度等級為C20 至C40，而本試驗中混凝土強(qiáng)度等級為C60，對于C20 至C60 強(qiáng)度等級的混凝土，其收縮值隨著混凝土強(qiáng)度的增大而減小，所以對文獻(xiàn)[26]中的β5取值進(jìn)行放縮處理，取0.9。最終ε0(t)確定其方程形式為：

然后根據(jù)先前確定的β1～β5的取值和基準(zhǔn)混凝土的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得a=6.50，b=1.13，相關(guān)系數(shù)R2=0.985，基準(zhǔn)混凝土收縮值的“建研模型”的表達(dá)式可以寫成：

2）修正后的“經(jīng)典建研模型”考慮到玄武巖纖維對混凝土收縮的影響，通過引入β參數(shù)在式(3)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，修正后的經(jīng)典建研模型如下式所示：

式中：εfs(t)為摻入纖維后混凝土的收縮值；β為纖維影響混凝土收縮的相關(guān)系數(shù)；εs(t)為不摻纖維時混凝土的收縮值。

結(jié)合上述收縮機(jī)理，玄武巖纖維表現(xiàn)出前期抑制收縮能力較強(qiáng)而后期抑制收縮能力較弱的特點，并且隨著纖維摻量增大混凝土收縮逐漸降，因此采用隨時間變化的對數(shù)函數(shù)形式來體現(xiàn)纖維對混凝土收縮的影響。β系數(shù)函數(shù)表達(dá)式如下式所示：

式中：c,d,f為常量；Vf為纖維體積摻量；ts為開始測收縮時的齡期，取為1。

通過玄武巖纖維混凝土收縮試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得c=2.08，d=?81.13，c=1.63，相關(guān)系數(shù)R2=0.990。故修正后的建研模型為：

不同纖維摻量混凝土收縮測試值與修正經(jīng)典建研模型的計算值對比見圖8，計算精度較高。

圖8 玄武巖纖維混凝土收縮試驗值與計算值對比Fig.8 Comparison of basalt fiber concrete shrinkage test value and calculated value

2.5 微觀結(jié)構(gòu)分析

因纖維摻量為0.3%時，綜合性能表現(xiàn)最佳，故選取BF-30 組抗壓強(qiáng)度破碎試塊進(jìn)行SEM 電鏡掃描(見圖9)。玄武巖纖維自身成分主要是硅酸鹽，與水泥成分非常接近，二者相容性較好[21]。玄武巖纖維表面具有大量羥基，能夠汲取周圍水分形成大量氫鍵，氫鍵的存在使纖維和混凝土牢固結(jié)合，隨著水化進(jìn)行纖維表面會聚集大量水化產(chǎn)物[27]。由圖9(a)可知，玄武巖纖維單絲呈現(xiàn)細(xì)長圓柱體狀，纖維表面附著有水化硅酸鈣凝膠狀物質(zhì)，且纖維與基體之間沒有明顯的界面過渡區(qū)，二者之間黏結(jié)性較好。

混凝土內(nèi)部會產(chǎn)生細(xì)微裂縫，導(dǎo)致其力學(xué)性能下降。由圖9(b)可知，玄武巖纖維在基體中分散均勻，未出現(xiàn)明顯結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。部分纖維貫穿裂縫，消耗裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展產(chǎn)生的能量，從而提高了混凝土宏觀力學(xué)性能；與此同時，纖維抑制裂縫開展和連通，減少了有害裂縫和空隙的形成，阻止了外界有害物質(zhì)的滲入，有效提高混凝土耐久性[28]。觀察圖9(b)，玄武巖纖維出現(xiàn)拔出與拉斷2種破壞模式，纖維拉斷后斷面呈現(xiàn)出片狀撕裂形態(tài)，且留下了纖維拔出的痕跡。即玄武巖纖維在外部荷載作用下承擔(dān)了部分應(yīng)力：1) 纖維自身強(qiáng)度；2)纖維與混凝土界面間黏結(jié)力。

圖9 電鏡掃描Fig.9 Scanning electron microscope

3 結(jié)論

1) 玄武巖纖維對于混凝土抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度均有一定的提升作用。隨著纖維摻量的增加，抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先上升后降低的趨勢，同時在纖維摻量為0.3%時提升最大，分別提升5.2%和17.3%。

2) 玄武巖纖維能夠有效改善混凝土的界面薄弱區(qū)，同時纖維體具有橋聯(lián)作用，使混凝土在劈裂抗拉過程中體現(xiàn)一定的塑性破壞形式，裂縫寬度和數(shù)量均減小，且骨料被拉斷的比例得到提高。

3) 玄武巖纖維能夠降低混凝土的電通量，玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土電通量在1 180～1 457 C 范圍內(nèi)，相比普通混凝土其抗氯離子滲透性較好。

4) 玄武巖纖維對混凝土收縮有顯著的抑制作用，隨著纖維摻量增大收縮逐漸降低。5 d 齡期時BF-60 組相比基準(zhǔn)混凝土收縮率降低59.7%，而32 d 齡期時則降低22.6%，可見玄武巖纖維對收縮早期抑制效果優(yōu)于后期。