孫小軍， 鮑忠城， 陳陽利， 顧興宇

（1.南京市政工程建設(shè)處，江蘇 南京 210029；2.南京市建筑安裝工程質(zhì)量監(jiān)督站，江蘇 南京 210007；3.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210096）

玄武巖纖維增強水泥膠砂韌性性能研究

孫小軍1， 鮑忠城2， 陳陽利3， 顧興宇3

（1.南京市政工程建設(shè)處，江蘇 南京 210029；2.南京市建筑安裝工程質(zhì)量監(jiān)督站，江蘇 南京 210007；3.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210096）

文章采用準(zhǔn)靜態(tài)試驗研究了玄武巖纖維水泥膠砂F－δ曲線，發(fā)現(xiàn)曲線并沒有明顯的初裂點，且應(yīng)力軟化階段非常短，常用的國內(nèi)外混凝土韌性評價標(biāo)準(zhǔn)不適用于低摻量玄武巖水泥膠砂的韌性評價；借鑒挪威NBP No.7標(biāo)準(zhǔn)，取水泥膠砂加載試驗中峰值荷載前后各0.10mm對應(yīng)的強度來進行韌性評價，發(fā)現(xiàn)隨著玄武巖纖維摻量的增加，水泥膠砂開裂前后0.10mm撓度處的強度不斷增加，說明纖維水泥膠砂具備了一定的開裂后繼續(xù)承載的能力；通過動態(tài)疲勞試驗研究了4種應(yīng)力水平下的玄武巖纖維水泥膠砂的疲勞壽命，并在Weibull概率分布條件下擬合了lgS－lgN曲線，試驗表明，一定體積摻量的玄武巖纖維可大幅提高水泥膠砂的疲勞性能，但纖維摻量過高會導(dǎo)致疲勞壽命變異較大；以疲勞方程為依據(jù)，計算了纖維水泥膠砂的強度強化系數(shù)CI，此系數(shù)可一定程度上反映材料的韌性。

玄武巖纖維；水泥膠砂；韌性；準(zhǔn)靜態(tài)試驗；疲勞試驗

0 引 言

在普通混凝土中摻加纖維既保留了混凝土原有的高抗壓性的特點，又能大大增加其抗裂性能、韌性及抗?jié)B性，使之更符合新型建筑材料的要求［1］。在水泥混凝土中摻加纖維的最初目的是提高混凝土的強度，但深入的研究發(fā)現(xiàn)纖維的主要作用不是增“強”而是增“韌”，大量試驗證明，纖維可以提高水泥混凝土材料的變形性能和能量吸收能力，即韌性［2－4］。

近年來，纖維增強混凝土在建筑領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用，通過在混凝土中摻加鋼纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維、尼龍纖維等可有效提高混凝土的強度及抗裂性能［5］。玄武巖纖維是一種新型材料，具有天然的與水泥混凝土的相容性、抗拉強度高、耐腐蝕、耐高溫、抗裂性能好以及性價比高等優(yōu)點，是其他材料的良好替代品［6］。由于玄武巖纖維是一種新型的纖維材料，目前國內(nèi)對于玄武巖纖維增強水泥混凝土的力學(xué)性能研究尚處于起步階段。本文通過準(zhǔn)靜態(tài)與動態(tài)2種加載模式的小梁彎曲試驗研究了玄武巖纖維增強水泥膠砂復(fù)合材料的韌性性能。

1 原材料與水泥膠砂配比

試驗使用的玄武巖纖維來自浙江東陽石金玄武巖纖維公司，其直徑為12μm，長度為18mm，密度為2.7g／cm3，抗拉強度4 150～4 800MPa，彈性模量為93～110GPa，斷裂延伸率為3.1%。

相對于其他纖維，如聚丙烯纖維，玄武巖纖維密度與混凝土更接近，更利于在混凝土中分散；玄武巖纖維具有更高的抗拉強度和彈性模量，加筋效果更佳。

按照文獻(xiàn)［7］規(guī)定，采用南京青龍牌P.O42.5R普通硅酸鹽水泥，細(xì)集料采用ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，制備纖維增強水泥膠砂，其中水泥、標(biāo)準(zhǔn)砂和水的質(zhì)量濃度分別為706、1 059、353g／L，玄武巖纖維的質(zhì)量濃度與體積分?jǐn)?shù)見表1所列。

表1 水泥膠砂中纖維質(zhì)量濃度與體積分?jǐn)?shù)

試件成型后，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護28d，分別采用準(zhǔn)靜態(tài)與動態(tài)加載方式開展玄武巖纖維增強水泥膠砂的韌性性能研究。

2 水泥膠砂準(zhǔn)靜態(tài)試驗

試驗參照美國 ASTM C1018［8］和日本JSCE SF4［9］標(biāo)準(zhǔn)，采用 UTM－25試驗機進行三分點加載，膠砂試件跨徑120mm，每組3根水泥膠砂試件，等速位移閉環(huán)控制，跨中位移速率為0.02～0.05mm／min，膠砂試件跨中撓度采用位移傳感器（LVDT）測量，試驗加載裝置示意如圖1所示。

圖1 水泥膠砂彎曲韌性試驗加載示意圖

2.1 荷載－撓度曲線

通過對不同纖維摻量水泥膠砂的室內(nèi)3點加載試驗，得到了各組試件的荷載－撓度（F－δ）曲線圖，如圖2所示。

圖2 玄武巖纖維增強水泥膠砂荷載撓度曲線

從圖2可以看出，各組水泥膠砂荷載－撓度曲線均具有相近的特征，表現(xiàn)為斷裂前加載荷載與撓度近似呈線性關(guān)系，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定的撓度時，水泥膠砂出現(xiàn)開裂，發(fā)生破壞。其中，素水泥膠砂表現(xiàn)為脆性開裂；摻入纖維后，纖維增強水泥膠砂在開裂前荷載撓度曲線有不顯著的應(yīng)力軟化趨勢（非線性），開裂后殘余荷載隨纖維摻量增加有顯著增加，說明玄武巖纖維對提高水泥膠砂的韌性有一定作用。

從圖2也可以看出，只有纖維體積摻量達(dá)到一定數(shù)值（0.9%）時，纖維增強水泥膠砂才有一定的開裂殘余強度，且該強度隨著撓度增加迅速降低。

2.2 靜載韌性評價

由試驗可知，玄武巖纖維水泥膠砂F－δ曲線并沒有明顯的初裂點，不能用美國ASTM C1018標(biāo)準(zhǔn)及國內(nèi)CECS法來進行韌性評價；玄武巖纖維水泥膠砂只有纖維摻量達(dá)到0.9%后才出現(xiàn)連續(xù)的荷載下降階段，才能適用日本JSCE SF4標(biāo)準(zhǔn)，對低玄武巖纖維摻量的纖維水泥膠砂則無法評價。這里借鑒挪威 NBP No.7標(biāo)準(zhǔn)［10］，取水泥膠砂加載試驗中峰值荷載前后各0.1mm對應(yīng)強度來進行韌性評價，評價結(jié)果見表2所列。

表2 水泥膠砂對應(yīng)撓度的強度 MPa

從表2可以看出：隨著玄武巖纖維摻量的增加，玄武巖纖維增強水泥膠砂裂前撓度0.1mm處的強度值有所增大，說明纖維水泥膠砂的承載能力比素水泥膠砂高，但纖維摻量對提高纖維水泥膠砂的開裂前強度沒有明顯作用；玄武巖纖維增強水泥膠砂裂后撓度0.1mm處的剩余強度隨纖維摻量的增加不斷增大，說明水泥膠砂獲得一定的延性，開裂后具有一定的繼續(xù)抵抗變形的能力，即具有一定的韌性。該方法可以反映出玄武巖纖維對低纖維摻量的水泥膠砂的瞬態(tài)的增韌效果，若要更完整、全面地探究玄武巖纖維對水泥膠砂的增韌效能，需要進一步對其動態(tài)的疲勞試驗性能進行研究。

3 水泥膠砂彎曲疲勞試驗

3.1 疲勞試驗與結(jié)果

在玄武巖纖維增強水泥膠砂彎曲試驗的基礎(chǔ)上，選擇4個應(yīng)力水平，即 0.65、0.75、0.80和0.85，研究纖維增強水泥膠砂的疲勞性能，試驗方法與前述彎曲試驗相近。鑒于水泥基材料的彎曲疲勞試驗具有一定離散性，每個應(yīng)力水平實際加載3～5根試件，應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)方法對疲勞試驗結(jié)果進行處理，使之在一定的可信度下具有一定規(guī)律性。本文采用 Weibull法［11］對試驗數(shù)據(jù)進行處理，得到具有90%和50%保證率的疲勞壽命見表3所列，其中，S為應(yīng)力水平，p′為失效概率。

表3 不同應(yīng)力水平與失效概率p′條件下的水泥膠砂疲勞壽命

試驗結(jié)果表明，在相同應(yīng)力水平下，玄武巖纖維能顯著提高水泥膠砂的疲勞壽命，當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)為0.1%時，各應(yīng)力水平下的平均疲勞壽命可達(dá)素水泥膠砂的1.5倍以上（50%保證率）；隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，疲勞壽命進一步增長，但纖維體積分?jǐn)?shù)較高時，疲勞壽命體現(xiàn)出較大的變異性，說明纖維在水泥膠砂中的分布、走向?qū)λ嗄z砂的結(jié)構(gòu)性能開始產(chǎn)生影響。

3.2 水泥膠砂疲勞壽命擬合分析

經(jīng)驗表明，用雙對數(shù)方程描述低應(yīng)力下混凝土的彎曲疲勞具有更好的線性相關(guān)性［12－13］，且雙對數(shù)疲勞方程能較好地滿足邊界條件，故本文采用雙對數(shù)方程對水泥膠砂的疲勞壽命進行擬合：

其中，S為應(yīng)力水平；a、b為回歸參數(shù)，由試驗條件、加載方式及材料特性等因素決定；N為疲勞破壞次數(shù)。

對表3中不同水泥膠砂的各應(yīng)力水平下的疲勞壽命次數(shù)按雙對數(shù)方程進行線性擬合，結(jié)果見表4所列，如圖3所示。

表4 不同失效概率p′條件下水泥膠砂疲勞方程

圖3 50%置信度條件下的水泥膠砂疲勞擬合曲線

3.3 疲勞韌性評價

相同應(yīng)力水平下，玄武巖纖維增強水泥膠砂的疲勞壽命遠(yuǎn)高于素水泥膠砂，說明玄武巖纖維增強水泥基復(fù)合材料具有顯著區(qū)別于素水泥膠砂的韌性特征，這是靜載試驗所不能體現(xiàn)的。本文考慮采用動載作用下的強度強化系數(shù)CI（Intensifying Coefficient）評價準(zhǔn)脆性材料的韌性特征。

對于混凝土材料，彎曲疲勞試驗參數(shù)應(yīng)力比S是指試件疲勞加載最大荷載應(yīng)力與靜態(tài)極限強度之比，則考慮動態(tài)強度強化系數(shù)的實際應(yīng)力比Sr為：

其中，Sr為實際應(yīng)力比；σf，max為最大疲勞應(yīng)力；σd為動態(tài)強度；σs為靜態(tài)強度。

將雙對數(shù)形式的疲勞方程中應(yīng)力比S替換成CISr，形式變?yōu)椋?/p>

由此可見，采用實際應(yīng)力比Sr的雙對數(shù)方程不會改變lgS－lgN擬合直線的斜率，只改變了直線與坐標(biāo)軸的截距，因此對其疲勞韌性的增減規(guī)律不會發(fā)生影響。

以素水泥膠砂的韌度值CI＝1，結(jié)合不同置信度的纖維水泥膠砂的疲勞方程，計算得到不同玄武巖纖維摻量、不同疲勞應(yīng)力水平的CI值，見表5、表6所列。

表5 置信度90%時的CI值

表6 置信度50%時的CI值

從表5和表6可以看出，玄武巖纖維水泥膠砂的CI值均大于1，說明摻入纖維可提高水泥膠砂的韌性，且高應(yīng)力比條件下，纖維的增韌效果更顯著；在置信度較低情況下，CI值隨著纖維摻量的增加不斷增加，而置信度較高時，CI值隨著纖維摻量的增加有波動現(xiàn)象，說明試驗的離散性開始增大。

4 結(jié) 論

（1）在水泥膠砂中摻加玄武巖纖維對提高水泥膠砂的開裂強度沒有顯著效果，但可一定程度上提高水泥膠砂的韌性。

（2）靜態(tài)加載試驗表明，隨著玄武巖纖維摻量的增加，水泥膠砂開裂前后0.1mm撓度處的強度不斷增加，說明纖維水泥膠砂具備了一定的開裂后繼續(xù)承載的能力。

（3）動態(tài)加載試驗表明，一定體積摻量的玄武巖纖維可大幅提高水泥膠砂的疲勞性能，但纖維摻量過高會導(dǎo)致疲勞壽命變異較大。以Weibull概率分布統(tǒng)計得出了描述纖維水泥膠砂疲勞性能的雙對數(shù)方程。

（4）以疲勞方程為依據(jù)，計算了纖維水泥膠砂的強度強化系數(shù)CI，結(jié)果說明摻入纖維可提高水泥膠砂的韌性，通過試驗也證明了該系數(shù)可以一定程度上反映材料的韌性。

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Research on the toughness of basalt fiber reinforced cement mortar

SUN Xiao－jun1， BAO Zhong－cheng2， CHEN Yang－li3， GU Xing－yu3
（1.Nanjing Municipal Engineering Construction Division，Nanjing 210029，China；2.Nanjing Construction and Installation Engineering Quality Supervision Station，Nanjing 210007，China；3.School of Transportation，Southeast University，Nanjing 210096，China）

TheF－δcurves of basalt fiber reinforced cement mortar were researched by quasi－static tests，no obvious first crack point was found，and the period of stress softening was very short，so the commonly used evaluation methods of concrete toughness home and abroad were improper for low－volume basalt fiber reinforced cement mortar.Taking the specification BP No.7of Norway for reference and choosing the flexural strength before and after the crack point with 0.10mm deflection as the toughness index，it was found that the flexural strength before and after the crack point with 0.10mm deflection increased as the volume fraction of basalt fiber increased，which indicated that basalt fiber reinforced cement mortar still possessed certain bearing capacity after cracking.The fatigue life of basalt fiber reinforced cement mortar under four grades of stress level was researched by dynamic fatigue experiment.And the lgS－lgNcurves were fitted by using Weibull probability distribution.The results showed that certain volume fraction of basalt fiber could signally improve the fatigue performance of cement mortar.However，too large volume fraction of basalt fiber might lead to large variation of fatigue life.According to fatigue equation，the intensifying coefficient of cement mortarCIwas calculated，which could fairly reflect the toughness of material.

basalt fiber；cement mortar；toughness；quasi－static test；fatigue experiment

U416.216.02

A

1003－5060（2014）06－0700－05

10.3969／j.issn.1003－5060.2014.06.013

2013－04－28；

2014－03－10

國家自然科學(xué)基金資助項目（51108082）

孫小軍（1974－），男，江蘇泰州人，南京市政工程建設(shè)處高級工程師.

（責(zé)任編輯 張淑艷）