玄武岩纤维(玄武岩)作为一种新型纤维材料,具有独特的力学性能、良好的稳定性以及较高的性价比,逐渐成为一种良好的混凝土增强材料,可以改善混凝土的脆性大、易开裂和耐腐蚀性能差等弊端,在建筑领域有着广阔的应用前景 ^[1,2,3,4]。

　　 Ramakrishnan ^[5]和Borhan ^[6]等对玄武岩纤维混凝土的工作性能和早期收缩性能进行研究,试验结果表明,玄武岩纤维能够减少混凝土由于自身反应造成的体积收缩,防止早期裂缝的产生;孙潇潇 ^[7]的研究表明,玄武岩纤维改善了混凝土的工作性能、抗弹性变形和抗裂性能;吴钊贤等 ^[8]研究表明,玄武岩纤维可以提高混凝土的弯拉强度,但对劈裂抗拉强度影响甚微;彭苗等 ^[9]研究表明,玄武岩纤维对混凝土的抗压强度、抗拉强度和抗折强度有很大提高。

　　 本文基于国内外学者研究 ^{[10,11,12,13,14]},采用直接拉伸试验得到玄武岩纤维混凝土的应力-应变全曲线及主要的力学性能参数,为进一步研究玄武岩纤维混凝土的变形、强度、断裂等提供参考。

　　 本试验设计轴向拉伸试件尺寸为150mm×150mm×550mm,共21个试件,分7组,每组3个,每组试件编号分别为B0,B1,B2,B3,B4,B5,B6,对应玄武岩纤维体积掺量为0%,0.1%,0.2%,0.3%,0.4%,0.5%,0.6%。

　　 依据《纤维混凝土应用技术规程》(JGJ/T 221—2010),选用某品牌的P·O 42.5 级硅酸盐水泥,砂子选用细度模数为2.5的绵阳河砂,砂率30%,石子选用绵阳当地普通碎石,粒径16～20mm,采用绵阳当地自来水,按照《水工混凝土施工规范》(SL 677—2014)浇筑混凝土,水灰比0.42,坍落度控制在30～50mm,具体配合比见表1;本试验所用玄武岩纤维混凝土配合比及玄武岩纤维相关参数分别见表1、表2,玄武岩纤维实物如图1所示。

　　 试验依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2016)和《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13∶2009),采用试件两端预埋螺纹丝杆(直径20mm,埋深125mm,外露长度为50mm左右),为防止预埋杆件附近产生应力集中,预埋件前端捆扎爪型钢丝,具体情况如图2所示。

　　 对于混凝土直接拉伸试验,试验加载时,主要的困难在于试件夹持的轴心对中问题。因此,试件端部预埋杆通过杆端关节轴承连接加载试验机,由于此轴承上部采用高强钢制成,且可自由转动,保证试件受力的轴心对中。

　　 试验量测方面,在试件两侧设计套箍,用于安装两个位移计,以测量变形值;在试件侧面粘贴两条截面100mm×3mm应变片,以监测试件表面开裂情况,核准试件初裂点。试件的应变取两相对侧面的应变计读数的平均值。具体情况如图3所示。

　　 混凝土试件制作、浇筑和养护符合《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2016)和《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13∶2009)中的有关规定,制作玄武岩纤维混凝土时采用强制式搅拌机搅拌。

　　 为避免纤维产生结团现象,采用二次搅拌法。先将细骨料和纤维干拌30s至混合均匀,再放入粗骨料、水泥、水,当材料全部投入完毕后,再搅拌280s。混凝土装入模具后,放到振动台上振动密实成型。24h后拆模,并立即搬入标准养护室养护。养护室的温度为(20±3)℃,相对湿度为90%以上,室内温湿度均匀。

　　 试验加载制度采用位移控制加载制度。试验加载步骤:1)安装试件,调整试件,并安装上端轴承;2)调整试验机上部夹头至较高位置,夹持上端;3)安装位移计,连接应变片和数据采集装置;4)缓慢均匀地进行预加载(<3kN),然后卸载至0;5)开始正式加载,加载方式采用位移控制,加载速率为0.04mm/min,当试件应变超过0.006(应力峰值对应应变的10倍以上)时停止加载。试验加载见图4。

　　 对于普通素混凝土试件组B0,在试验初期,随加载的持续,荷载随位移的增大稳步增加,试件变形值接近受拉极限变形时,荷载值的增幅并无明显变化。当试件中部出现肉眼可见的细裂缝时,随着“砰”的一声试件断为两段,并且开裂过程极快。断面平整、清晰,如图5所示。

　　 对于玄武岩纤维混凝土试件B1,B2,B3,B4,B5,B6,加载初期,荷载随位移的增加大致呈线性增长,当试件变形值接近极限变形值时,荷载的增长速率有所减缓;与普通素混凝土类似,同样当在试件中部量测区观测到肉眼可见裂缝时,试件即断为两段,断口比较清晰但不平整。

　　 与普通素混凝土的破坏相比,玄武岩纤维混凝土断裂时声音较小,且断面之间有许多拉紧的玄武岩纤维相连。由于玄武岩纤维的弹性模量相较于钢纤维和碳纤维较低,并不能有效承担荷载,因此此时的受拉荷载接近于零。断裂后,若将试件继续向两端拉伸,可观测到试件断裂处的纤维被拉断,说明纤维与混凝土的粘结性良好,如图6所示。经观察,断裂位置均在试件中部,断面倾斜程度也不是很大,仅对于试件组B6而言,断面倾斜程度相比较而言稍微偏大,原因在于随着玄武岩纤维掺量的增加,纤维容易抱团,从而导致试件存在一定的缺陷区。但对于最终的试验结果,影响很小。

　　 通过玄武岩纤维混凝土直接拉伸试验,绘制得到玄武岩纤维混凝土受拉状态下应力-应变全曲线如图7所示,直接拉伸试验结果如表3所示。

　　 通过表3可以看出,在相同的纤维长度、同种纤维下,玄武岩纤维的掺量对混凝土的抗拉强度的影响是很大的,随着纤维体积掺量的增加,抗拉强度先增大后减小。

　　 当玄武岩纤维体积掺量为0.4%时,混凝土的抗拉性能改善程度最为明显。抗拉强度比普通素混凝土提高4.21%,抗拉弹性模量提高4.37%,极限拉应变提高23.51%,最大裂缝宽度提高37.61%。但是,在纤维体积掺量0.5%,0.6%时,抗拉强度瞬间下降,出现这种情况的具体原因在于纤维在混凝土的分散性变差,导致混凝土内部薄弱区产生。综上,玄武岩纤维的掺入可以明显提高混凝土的抗拉强度、极限拉应变、裂缝宽度,证明玄武岩纤维混凝土具有良好的增韧阻裂性能,可以明显改善混凝土的抗裂性能。

　　 根据试验结果,借鉴对于纤维增强混凝土及砂浆性能的研究,本文仅对纤维体积掺量为0%～0.4%范围内,进行线性回归和曲线拟合,得到玄武岩纤维体积掺量与抗拉强度、极限拉应变、裂缝宽度、特征长度之间的关系式。

　　 依据试验结果,绘制抗拉强度、极限拉应变与玄武岩纤维体积掺量之间的关系曲线,并进行线性回归得到拟合曲线,见图8、图9。

　　 抗拉强度与纤维体积掺量的关系:

　　 $f{}_{\text{t}}=2.15V{}_{\text{f}}+3.52\left(R{}^2=0.9575\right)(1)$

　　 式中:V_f为玄武岩纤维体积掺量,%;f_t为玄武岩纤维混凝土的抗拉强度,MPa;R²为方差。

　　 极限拉应变与纤维体积掺量的关系:

　　 $\epsilon {}_{\text{t}}=114.79V{}_{\text{f}}+182.76(R{}^2=0.9719)(2)$

　　 式中ε_t为极限拉应变,με。

　　 对于抗拉弹性模量与玄武岩纤维体积掺量的关系,经过拟合回归,发现相关系数R²=0.673 9,故未列出相关的回归公式,至于两者具体关系,有待于进一步深入研究。

　　 玄武岩纤维混凝土在拉伸过程中,总变形量δ可以表示为:

　　 $\delta =\delta {}_{\text{e}}+\delta {}_0+\omega (3)$

　　 式中:ω为裂缝扩展宽度,mm;δ_e,δ₀分别为变形曲线上的断裂区以外的弾性变形及剩余变形,mm。且有:

　　 $\begin{array}{l}\delta {}_{\text{e}}=\frac{\sigma {}_{\text{p}}}{E{}_{\text{t}}}l(4)\\ \delta {}_0=\delta {}_{\text{p}}-\delta {}_{\text{e}}(5)\end{array}$

　　 式中:σ_p为峰值应力,MPa;E_t为抗拉弹性模量,GPa;l为上下套箍之间的距离,mm;δ_p为峰值应力对应的变形量,mm。

　　 裂缝的扩展宽度ω与l之间是无关的,在峰值应力以前无宏观裂缝出现。由式(3)可得:

　　 $\omega =\delta -\delta {}_{\text{e}}-\delta {}_0(6)$

　　 再根据式(6)求得相对应力-裂缝宽度试验曲线及新公式拟合曲线,如图10所示。

　　 借鉴一些学者 ^{[10,13,15,16,17,18]}推导的经验公式如下:

　　 $\sigma =f{}_{\text{t}}\left[1-\phi \exp \left(-\frac{\left|\lambda \right|}{\frac{\omega }{\omega {}_{\text{f}}}}\right){}^n\right](7)$

　　 式中:ω_f为最大裂缝宽度,mm;f_t为抗拉强度,MPa。

　　 运用曲线拟合回归方法,得到新的表达式如下:

　　 $\begin{array}{l}\sigma {}_{\text{r}}=\alpha -(\alpha -\beta )\exp \left[-\left(k\omega {}_{\text{r}}\right){}^n\right](R{}^2=0.9784)(8)\\ \sigma {}_{\text{r}}=\frac{\sigma }{f{}_{\text{t}}}(9)\end{array}$

　　 式中:σ_r为相对拉应变值;α,β,k,n均与纤维的种类、长径比、密度等物理参数和力学参数相关,α=0.041 8,β=1.308 2,k=11.786 4,n=0.493 2。

　　 式(8)中,R²=0.978 4,拟合良好。

　　 $\omega {}_{\text{t}}=\frac{\omega }{\omega {}_{\text{f}}}(10)$

　　 式中ω_t为相对裂缝宽度,mm。

　　 加载过程中,当试件的拉应力为零时,记录裂缝宽度,即最大裂缝宽度,根据表3试验结果,绘制玄武岩纤维体积率与最大裂缝宽度关系之间的关系曲线,并进行线性拟合,如图11所示。

　　 玄武岩纤维体积率与最大裂缝宽度的关系式:

　　 $\omega {}_{\text{f}}=0.212V{}_{\text{f}}+0.224(R{}^2=0.9594)(11)$

　　 混凝土的断裂能是用于表征混凝土断裂及裂缝扩展过程中消耗能量大小重要参数,能够充分地反映混凝土在断裂损伤过程中消耗的能量。断裂能越大,说明混凝土在断裂过程中消耗的能量越大。相比较于普通素混凝土,玄武岩纤维混凝土的断裂能较大,主要原因在于玄武岩纤维被拉断时,需要消耗能量,这也表明玄武岩纤维的阻裂效果是比较显著的。

　　 断裂能具体指的是单位面积裂缝所消耗的能量,表现在曲线上是荷载-裂缝宽度曲线下的面积与试件横截面积的比值,也就是应力-裂缝宽度曲线下的面积。

　　 $G{}_{\text{f}}={\displaystyle \underset{0}{\overset{\omega {}_{\text{f}}}{\int }}\sigma }\left(\omega \right)\text{d}\omega (12)$

　　 断裂能的试验结果见表3,通过线性拟合回归绘于图12中。

　　 可见,随着玄武岩纤维体积掺量的增加,混凝土的断裂能也在增加。具体纤维体积掺量与断裂能之间的关系如下:

　　 $G{}_{\text{f}}=201.85V{}_{\text{f}}+159.82(R{}^2=0.9549)(13)$

　　 式中G_f为玄武岩纤维混凝土断裂能,N/m。

　　 目前,对于混凝土脆性断裂性能的表征方法 ^{[15,16,17,18]}有很多,在这里运用Hillerborg提出的特征长度L_ch的方法玄武岩纤维混凝土的脆性断裂性能进行研究。且:

　　 $L{}_{\text{c}\text{h}}=\frac{E{}_{\text{t}}G{}_{\text{f}}}{f{}_{\text{t}}^2}(14)$

　　 式中:L_ch为特征长度,mm;E_t为抗拉弹性模量,GPa;G_f为断裂能,N/m;f_t为抗拉强度,MPa。

　　 具体各个试件的特征长度的具体情况,见于上述表3。对于混凝土的特征长度越小,说明混凝土材性越脆。根据试验结果可以发现,当玄武岩纤维的体积掺量由0.1%增加到0.4%时,纤维混凝土的特征长度由15.11%增加到22.63%。也就是说,随着玄武岩纤维体积掺量的增加,混凝土的特征长度也在增加,即合理地掺入玄武岩纤维可以使混凝土的脆性降低,韧性增加。

　　 本文通过玄武岩纤维混凝土与普通素混凝土的受拉性能试验,对比分析得到以下结论:

　　 (1)玄武岩纤维的掺入可以改善混凝土的破坏特性和韧性特征,且玄武岩纤维与混凝土基体之间粘结性能良好。

　　 (2)基于本试验所采用的混凝土配合比、骨料级配、纤维参数、施工水平以及试验方法等,得到玄武岩纤维混凝土的直接拉伸应力-应变全曲线,并通过试验曲线以及试验数据对纤维混凝土的抗拉强度、弹性模量、断裂能、裂缝宽度进行分析,得到玄武岩纤维的最佳体积掺量为0.4%。

　　 (3)运用回归拟合的方法,对试验数据进行处理,得到与玄武岩体积掺量相关的抗拉强度、弹性模量、断裂能、最大裂缝宽度的关系表达式,以及运用Hillerborg提出的特征长度的公式对玄武岩纤维混凝土的韧性进行评价,与普通素混凝土相比,玄武岩纤维的掺入可以改善混凝土韧性性能和抗裂性能。