施國棟

(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.建筑健康監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)防技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601)

纖維混凝土由于具有增強(qiáng)增韌力學(xué)性能，并能較好地解決工程中構(gòu)件在凍融、腐蝕、鹽侵等極端環(huán)境下引起的耐久性問題，一直以來是復(fù)合材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題之一[1]。連續(xù)玄武巖纖維(Continuous Basalt Fiber，簡稱BF)是在 1 450～1 500 ℃條件下，將玄武巖礦石熔融，經(jīng)鉑銠合金拉絲漏板拉制，進(jìn)而形成的一種連續(xù)性纖維。隨著復(fù)合材料的發(fā)展，玄武巖纖維在全球范圍內(nèi)基本形成了俄羅斯、烏克蘭和中國三足鼎立的新格局[2]。進(jìn)入21世紀(jì)后，中國開始涉足玄武巖纖維生產(chǎn)及應(yīng)用研究。由于具有抗拉強(qiáng)度高、耐酸堿和耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，并與混凝土之間具有較好的相容性，玄武巖纖維常被用于改造和增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。與鋼纖維相比，玄武巖纖維更具有耐久性和耐腐蝕性特點(diǎn)，近年來，將玄武巖纖維代替鋼纖維作為混凝土結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料越來越受到研究人員重視[3-6]。由于不同類型的纖維，其力學(xué)性能存在一定的差異，因此，纖維材料不同增強(qiáng)的效果也存在較大區(qū)別，目前研究比較多的主要有鋼纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維和碳纖維等。不同纖維彈性模量、抗拉強(qiáng)度以及密度之間的對(duì)比如圖1所示。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維盡管密度小于鋼纖維，但其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼纖維，僅僅次于碳纖維。

圖1 不同纖維材料的基本材料屬性

近年來，關(guān)于纖維混凝土復(fù)合材料力學(xué)性能及增強(qiáng)增韌機(jī)理的研究，研究人員圍繞纖維摻量、纖維尺寸和試驗(yàn)方法開展了大量的工作。潘慧敏[7]研究了玄武巖纖維含量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，并給出玄武巖纖維的最佳含量為2～5 kg/m3,研究結(jié)果表明玄武巖纖維混凝土抗壓強(qiáng)度提高了20%，抗沖擊性能提高了50%～180%；李文蕾[8]等研究了兩種規(guī)格的玄武巖纖維體積摻量對(duì)機(jī)場道面混凝土抗折、抗壓強(qiáng)度性能的影響規(guī)律，給出機(jī)場混凝土道面施工最佳玄武巖纖維體積摻量為0.1%；劉永勝[9]等對(duì)超細(xì)短切玄武巖纖維混凝土開展了不同加載速率下的壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明試件的極限荷載和極限變形隨著加載速率的提高而增大，體現(xiàn)了玄武巖纖維混凝土低應(yīng)變率下的應(yīng)變率效應(yīng)；彭苗[10]等對(duì)短切浸膠玄武巖纖維混凝土進(jìn)行了抗壓、劈裂和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明不同纖維摻量對(duì)BFRC力學(xué)性能存在一定的差異，纖維摻量為4 kg/m3時(shí)抗壓強(qiáng)度提高率為46.3%，摻量為4 kg/m3時(shí)劈裂和抗折強(qiáng)度提高率分別為27.3%和25%；陳欣[11]等對(duì)混凝土基體與纖維間的界面力學(xué)傳遞進(jìn)行了理論分析，分析了玄武巖纖維阻裂和增強(qiáng)增韌機(jī)理；占文[12]等研究了聚丙烯腈纖維、聚丙烯纖維和玄武巖纖維對(duì)混凝土抗?jié)B和抗裂性能的影響，結(jié)果表明纖維含量為0.9 kg/m3時(shí)，能提高混凝土的開裂性能；王海良[13]等研究了5種不同短切玄武巖纖維摻量對(duì)C50混凝土抗壓、抗折和抗拉強(qiáng)度的影響，研究結(jié)果表明玄武巖纖維摻量為2 kg/m3時(shí)對(duì)混凝土強(qiáng)度的提高效果最顯著；吳江[14]等對(duì)不同玄武巖纖維長度和摻量混凝土力學(xué)性能開展了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明玄武巖纖維長度對(duì)強(qiáng)度影響較小，玄武巖長度為18 mm和體積摻量為0.1%時(shí)，BFRC的抗折和抗裂能力增加最為明顯；王均[15]等對(duì)不同纖維長度、體積摻量和混凝土強(qiáng)度等級(jí)組合而成的玄武巖纖維混凝土開展了抗壓、劈裂抗拉和彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明纖維長度、體積摻量和混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)立方體試件的抗壓強(qiáng)度影響較小，并給出了不同纖維長度和摻量對(duì)混凝土抗壓和抗拉強(qiáng)度的影響系數(shù)；趙兵兵[16]等研究了玄武巖纖維和聚丙烯纖維混雜混凝土的抗凍性，研究結(jié)果表明混雜纖維對(duì)混凝土抗凍性能的改善優(yōu)于單摻量纖維；趙冬雪[17]等研究了聚丙烯纖維、鋼纖維和玄武巖纖維在不同摻入量與長度時(shí)，自密實(shí)混凝土流動(dòng)性、間隙通過性、抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度的變化情況，并給出了相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果；李克江[18]等研究了鋼纖維、聚丙烯纖維和玄武巖纖維及纖維摻量對(duì)三元混雜混凝土軸心抗壓強(qiáng)度、軸壓韌性及軸壓破壞形態(tài)的影響，研究結(jié)果表明，鋼纖維體積含量為2%，聚丙烯纖維體積摻量為0.1%，玄武巖纖維體積摻量為0.2%時(shí)，混雜纖維混凝土試件在破壞時(shí)的軸壓韌性較好；趙燕茹[19]等采用數(shù)字圖像相關(guān)方法實(shí)時(shí)觀測三點(diǎn)彎試驗(yàn)中切口混凝土梁全場變形，分析了混凝土梁斷裂破壞過程中水平位移和應(yīng)變的變化規(guī)律，建立了起裂韌度和失穩(wěn)韌度隨玄武巖纖維摻量和凍融次數(shù)的擬合模型；高真[20]等采用現(xiàn)場試驗(yàn)、電鏡掃描及數(shù)值模擬相結(jié)合的研究手段，對(duì)玄武巖纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響機(jī)制開展研究，研究結(jié)果表明玄武巖纖維的摻入能夠改善混凝土的抗壓性能，纖維長度為6mm時(shí)的效果最佳；張培輝[21]等通過試驗(yàn)對(duì)比了不同纖維體積摻量下玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能和破壞形態(tài)，并對(duì)比了5種不同纖維摻加方案，結(jié)果表明體積摻量為0.05%～0.2%時(shí)可以提高混凝土的劈裂強(qiáng)度，改善破壞后試樣的完整性；范煒[22]等采用有限元軟件建立了細(xì)觀層面上玄武巖纖維隨機(jī)分布力學(xué)模型，數(shù)值模擬結(jié)果表明，玄武巖纖維體現(xiàn)了明顯的阻裂效果，隨著纖維摻量的增大，纖維對(duì)混凝土應(yīng)力集中的分散效應(yīng)逐漸增強(qiáng)；程新[23]等研究了玄武巖纖維體積摻量與長徑比對(duì)泡沫混凝土收縮開裂的影響和體積摻量對(duì)泡沫混凝土的減縮抗裂機(jī)理，結(jié)果表明在相同玄武巖纖維體積摻量條件下，長徑比大的玄武巖纖維改善收縮和阻裂的效果更明顯；焦華喆[24]等采用DBV和JSCE標(biāo)準(zhǔn)對(duì)BFRS韌性進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明最優(yōu)玄武巖纖維含量為4.5 kg/m3；孫一民[25]等對(duì)不同纖維體積摻量下的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明隨著纖維摻量的增加，BFRC的抗壓和抗劈拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加、后變緩和再下降的變化趨勢。

綜上所述，對(duì)纖維增強(qiáng)混凝土的研究一直活躍在土木工程領(lǐng)域，說明玄武巖纖維混凝土在該領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用范圍。隨著研究的深入，研究人員對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土的研究方法也不斷改進(jìn)，從一開始的試驗(yàn)分析，逐漸發(fā)展到機(jī)理探索和數(shù)值仿真。但是，目前對(duì)于混雜類纖維增強(qiáng)混凝土方面的研究仍然較少。混雜纖維由于綜合吸收了不同纖維的優(yōu)勢，在增強(qiáng)增韌混凝土上更具應(yīng)用價(jià)值。研究從理論上分析了纖維增強(qiáng)增韌機(jī)理，并在微觀上分析了不同工藝對(duì)纖維增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的影響因素，然后對(duì)兩種不同制備工藝玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土開展準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)，并與常規(guī)鋼纖維混凝土力學(xué)性能進(jìn)行綜合對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明BFRC增強(qiáng)增韌效果在一定條件下優(yōu)于常規(guī)鋼纖維混凝土，研究結(jié)果對(duì)進(jìn)一步拓寬BFRC應(yīng)用領(lǐng)域具有一定的參考價(jià)值和重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 纖維增強(qiáng)增韌理論分析

混凝土是典型的脆性材料，其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，但在實(shí)際應(yīng)用中，難免存在一定的拉應(yīng)力作用。已有研究表明將纖維材料摻入到混凝土中，可以阻止混凝土內(nèi)部微小裂紋擴(kuò)展和抑制損傷的積累。關(guān)于纖維增強(qiáng)增韌理論的分析，具有代表性的有基于復(fù)合材料力學(xué)的混合定律、基于斷裂力學(xué)的纖維間距理論和基于界面應(yīng)力傳遞的剪滯理論。

1.1 纖維混合定律

混合定律將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的各項(xiàng)性能等效于基體性能和纖維性能的加權(quán)和，并且假定纖維均勻平行分布、纖維與混凝土基體均為各項(xiàng)同性、纖維與基體間不存在相對(duì)滑動(dòng)，混合定律簡化模型如圖2所示。

由圖2所取簡化計(jì)算模型，則有：

Pc=Pf+Pm,

(1)

式中,Pc、Pf和Pm分別為作用在復(fù)合材料、纖維和基體上的荷載。

將其轉(zhuǎn)化為應(yīng)力表示，則有：

σc=σfVf+σmVm,

(2)

式中,Vf和Vm分別為纖維體積比和基體體積比。

由于該模型假定材料處于線彈性范圍，所以有：

Ec=EfVf+EmVm。

(3)

纖維在混凝土中的分布實(shí)際上是不連續(xù)的亂向分布，因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中，需要綜合考慮纖維的取向、長度以及與基體界面的粘結(jié)等因素對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料強(qiáng)度的影響。

1.2 纖維間距理論

纖維間距理論認(rèn)為纖維復(fù)合材料的增強(qiáng)效果與纖維間距有關(guān)，并認(rèn)為材料破壞機(jī)理是其內(nèi)部微裂紋和微孔洞等初始缺陷在外荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力集中所導(dǎo)致。纖維間距理論纖維約束模型如圖3所示。根據(jù)該模型得到纖維材料強(qiáng)度的半經(jīng)驗(yàn)抗拉強(qiáng)度公式如下：

(4)

式中,σct為纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度；k為與纖維粘結(jié)性能有關(guān)的參數(shù)；s為纖維平均間距；sc為纖維產(chǎn)生增強(qiáng)的最大間距；σmt為基體的抗拉強(qiáng)度。

圖2 纖維復(fù)合材料力學(xué)模型 圖3 纖維間距理論模型

纖維間距理論忽略了纖維自身的復(fù)合增強(qiáng)效應(yīng)和纖維長度對(duì)增強(qiáng)效果的影響，因此，在實(shí)際應(yīng)用中仍需結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)給出定量分析結(jié)果。

1.3 剪滯理論

剪滯理論認(rèn)為纖維與基體間存在界面層，當(dāng)外荷載作用于纖維復(fù)合材料時(shí)，荷載先作用于基體，荷載通過纖維-基體界面進(jìn)行應(yīng)力傳遞，使得荷載由纖維和基體共同承載，進(jìn)而起到增韌增強(qiáng)作用。

剪滯模型示意圖如圖4所示。圖4中rf表示纖維半徑；R表示基體半徑。由平衡方程則有：

(5)

式中，σf為纖維軸向應(yīng)力；τi為界面上的剪應(yīng)力。

在式(5)基礎(chǔ)上，根據(jù)胡克定律以及纖維與基體間的邊界連續(xù)條件，可以得到纖維的正應(yīng)力與剪應(yīng)力如下：

(6)

(7)

由剪滯理論得到的纖維拉應(yīng)力與剪應(yīng)力分布如圖5所示。剪滯理論認(rèn)為纖維與基體之間不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，但在實(shí)際試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，纖維端部高剪應(yīng)力區(qū)存在相對(duì)滑動(dòng)現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)纖維被拔出現(xiàn)象。由此可以看出，關(guān)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度問題，其理論模型仍處于定性分析階段。由于實(shí)際纖維增強(qiáng)材料的復(fù)雜性，定量描述其強(qiáng)度特征及其破壞規(guī)律，需要進(jìn)一步的試驗(yàn)結(jié)果作理論分析的支撐?；诖耍谝延欣碚摲治龅幕A(chǔ)上，設(shè)計(jì)了纖維增強(qiáng)混凝土壓縮試驗(yàn)，通過試驗(yàn)進(jìn)一步探索其增強(qiáng)增韌機(jī)理。

圖4 剪滯模型 圖5 纖維剪應(yīng)力與拉應(yīng)力分布

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 纖維增強(qiáng)混凝土試件制備

研究所涉及的實(shí)驗(yàn)材料有：水泥、中粗砂、花崗巖骨料、減水劑、玄武巖纖維和鋼纖維。兩種不同纖維材料力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示，綜合分析已有BFRC的研究成果，實(shí)驗(yàn)中所采用的兩種纖維長度均約為18 mm，其中鋼纖維幾何形狀為端鉤形。纖維含量分別為0.4%、0.8%、1.5%、2.0%、2.5%和3%，制備方法分別采用一次摻加和分層摻加。

表1 兩種纖維材料力學(xué)性能

兩種纖維增強(qiáng)混凝土試件根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》( GB/T 50081-2002) 進(jìn)行制備，初始混凝土配合比如表2所示。試件制備如圖6所示，在攪拌機(jī)中先加入砂子和骨料攪拌均勻，靜置180 s后，加入減水劑、水泥和玄武巖纖維。其中玄武巖纖維不同的制備工藝，采用不同的摻入方式，有一次摻加和分層摻加。

表2 初始混凝土中不同材料含量(單位：g/cm3)

圖6 試件制備過程示意圖

所需原材料均加入后進(jìn)行攪拌，靜置180 s后將纖維混凝土砂漿注入標(biāo)準(zhǔn)模具。為進(jìn)一步減少試件的孔隙率，將磨具放到振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)密實(shí)成型，并需靜置24 h后進(jìn)行拆模，拆模后將試件放入恒溫養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)室的溫度為20±2 ℃，將試件放在試件放置架上，霧化加濕，相對(duì)濕度保持在95%以上，如圖7所示。

圖7 試件養(yǎng)護(hù)

圖8 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)原理

2.2 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)在DSN600試驗(yàn)機(jī)上完成，試件放置在試驗(yàn)機(jī)下方承壓盤上，試件的中心軸與試驗(yàn)機(jī)的中心保持對(duì)中。采用位移控制方法勻速加載，為確保試件接近準(zhǔn)靜態(tài)壓縮狀態(tài)，加載時(shí)其加載速度為0.001 mm/s，并以此作為參考值，與較大加載速率下的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，試件加載原理如圖8所示。試驗(yàn)中，壓頭向下以一定的加載速度運(yùn)動(dòng)對(duì)試件進(jìn)行加載，并由負(fù)荷傳感器記錄荷載大小及其位移變化值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 制備工藝對(duì)BFRC增強(qiáng)增韌性能分析

研究所采用的BFRC制備方法分別為一次摻加和分層摻加，不同制備工藝得到的BFRC試樣斷口微觀組織結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。從圖9中可以看出,一次摻加玄武巖纖維制備的BFRC試件，其內(nèi)部纖維容易產(chǎn)生聚集，在聚集區(qū)附近，存在一定的空隙與空洞現(xiàn)象，玄武巖纖維與混凝土之間的膠結(jié)較為松散；分層法摻加玄武巖纖維避免了纖維聚集現(xiàn)象，纖維分散較為均勻，纖維表面與混凝土之間膠結(jié)緊致，空隙與空洞少。根據(jù)纖維間距理論得到的半經(jīng)驗(yàn)抗拉強(qiáng)度式(4)可知，纖維復(fù)合材料增韌增強(qiáng)性能主要取決于組成復(fù)合材料的結(jié)合程度及其間距分布均勻性，由此可以判斷，分層法得到的BFRC，其增韌增強(qiáng)作用效果更優(yōu)。

圖9 不同制備工藝BFRC試樣斷口SEM示意圖

通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)得到兩種不同制備工藝的試件破壞模式，分層摻加BFRC破壞形態(tài)如圖10所示,一次摻加BFRC破壞形態(tài)如圖11所示。試驗(yàn)結(jié)果表明分層摻加混凝土強(qiáng)度增強(qiáng)效果明顯，一次摻加的強(qiáng)度增強(qiáng)效果較差。一次摻加工藝對(duì)垂直于添加面的抗壓強(qiáng)度提高較為明顯，由于漿液不能有效地粘結(jié)玄武巖纖維與混凝土的交界面，此種工藝的弱點(diǎn)是降低了交界面有效應(yīng)力，但可以提高垂直于交界面的沖擊韌性。分層摻加工藝可以有效地把玄武巖纖維均勻地拌合到混凝土中，對(duì)提高整體的沖擊韌性效果明顯。

圖10 分層摻加BFRC破壞形態(tài) 圖11 一次摻加BFRC破壞形態(tài)

3.2 纖維增韌增強(qiáng)分析

通過準(zhǔn)靜態(tài)加載實(shí)驗(yàn)得到不同玄武巖纖維含量BFRC試件的抗壓強(qiáng)度，如圖12所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，玄武巖纖維含量低于0.4%時(shí)，對(duì)混凝土增韌效果不明顯；含量為0.8%時(shí)，對(duì)混凝土的韌性增強(qiáng)有了較大提高；當(dāng)含量達(dá)到1.5%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)降低現(xiàn)象，但韌性有了很大提高，只產(chǎn)生了部分破壞，BFRC整體性較好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：由于玄武巖纖維的吸水性較強(qiáng)，導(dǎo)致混凝土中的含水量降低，對(duì)BFRC的和易性具有一定的影響，不利于混凝土強(qiáng)度的提高；玄武巖纖維含量在0.2%～1.5%區(qū)間內(nèi)，玄武巖纖維對(duì)BFRC抗壓強(qiáng)度的影響較小。

玄武巖纖維對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響如圖13所示。由圖13可知，玄武巖纖維含量較高時(shí)得到的BFRC抗壓強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)玄武巖纖維含量低于1%時(shí)，隨著玄武巖纖維含量的增加，BFRC的強(qiáng)度降低；當(dāng)玄武巖纖維含量在1%～2%時(shí)，隨著玄武巖纖維含量的增加,BFRC的強(qiáng)度不斷得到提高；當(dāng)含量超過2%后，隨玄武巖纖維的含量增加，BFRC的強(qiáng)度提高相對(duì)比較緩慢。

圖12 玄武巖纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響圖13 玄武巖纖維對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響

為進(jìn)一步分析纖維增強(qiáng)增韌力學(xué)特性，對(duì)SFRC試件也開展了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)。不同鋼纖維含量SFRC試件的抗壓強(qiáng)度對(duì)比曲線如圖14所示。從圖14中可以看出，鋼纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度的增強(qiáng)效果較明顯，當(dāng)含量低于1.5%時(shí)，鋼纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)呈線性增加；當(dāng)含量高于1.5%時(shí)，鋼纖維的增強(qiáng)效果明顯減弱。

圖14 鋼纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

鋼纖維混凝土破壞形態(tài)如圖15所示。從圖15中可以看出，由于鋼纖維的加入，明顯提高了混凝土的抗剪性能，裂紋呈豎線狀態(tài)。

圖15 鋼纖維混凝土破壞形態(tài)

鋼纖維對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響如圖16所示。由圖16可知，由于砂漿相對(duì)混凝土的和易性較好，試驗(yàn)表明鋼纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)呈線性增加，此次試驗(yàn)鋼纖維的含量最大為2%。

圖16 鋼纖維對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響

SFRC破壞形態(tài)如圖17所示。由圖17可知，鋼纖維混凝土破壞形態(tài)呈豎狀裂紋，SFRC破壞形態(tài)未發(fā)生崩碎現(xiàn)象，說明鋼纖維混凝土的韌性有很大提高。

圖17 SFRC破壞形態(tài)

3.3 混雜纖維對(duì)砂漿強(qiáng)度的增強(qiáng)效果

實(shí)驗(yàn)中所采用的混雜纖維為固定玄武巖纖維的含量，通過改變鋼纖維的含量從而找到最佳的鋼纖維含量，實(shí)驗(yàn)測出不同鋼纖維含量的混雜纖維砂漿強(qiáng)度如圖18所示。實(shí)驗(yàn)表明：摻入玄武巖纖維降低了砂漿的和易性，提高了砂漿的早期強(qiáng)度，對(duì)后期強(qiáng)度影響不大，鋼纖維增強(qiáng)了纖維增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度與韌性。

圖18 混雜纖維對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響

實(shí)驗(yàn)得到三種不同纖維含量增強(qiáng)混凝土試件的抗壓強(qiáng)度如圖19所示。從圖19中可以看出，玄武巖纖維含量為2%時(shí)，BFRC的抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)幅度較小，相同纖維含量下SFRC的抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)幅度大于BFRC；玄武巖纖維含量為1.5%和鋼纖維含量為2%的混雜纖維增強(qiáng)混凝土，其抗壓強(qiáng)度增加幅度最大。

為進(jìn)一步探索BFRC與SFRC的增強(qiáng)增韌力學(xué)性能，采用不同加載速率進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)。加載速率為0.01 mm/s時(shí)，兩種不同纖維增強(qiáng)混凝土試件的抗壓強(qiáng)度對(duì)比如圖20所示。從圖20中可以看出，當(dāng)加載速率提高10倍時(shí)，BFRC強(qiáng)度提高幅度為15%，SFRC強(qiáng)度提高幅度為7.85%。

圖19 兩種纖維及混雜纖維對(duì)砂漿強(qiáng)度影響的對(duì)比圖20 快速加載條件下兩種纖維對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響

綜上分析，纖維增強(qiáng)混凝土存在不同的增強(qiáng)增韌機(jī)制，其中作用范圍較大的(如骨料)為一級(jí)增韌機(jī)制，骨料與混凝土之間的橋接作用范圍為二級(jí)增韌機(jī)制，混凝土中的砂粒為三級(jí)增韌機(jī)制。由于混凝土制作過程中難免出現(xiàn)空洞與初始缺陷，纖維的摻入是對(duì)已有增韌機(jī)制的補(bǔ)充。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，纖維增強(qiáng)混凝土屬于典型的增韌相匹配問題，不同配合比混凝土與不同纖維材料、纖維幾何特征、纖維體積摻量均存在一個(gè)最佳增韌相匹配，在綜合分析已有研究成果基礎(chǔ)上開展了部分增韌相匹配試驗(yàn)。在普通混凝土中摻入鋼纖維可有效提高混凝土的抗折強(qiáng)度，但是對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度提高有限。盡管纖維的強(qiáng)度和韌性大于素混凝土，但是，增韌相匹配不合理會(huì)導(dǎo)致不同相之間力學(xué)性能的突變。根據(jù)最小作用原理反而會(huì)影響纖維性能的發(fā)揮，導(dǎo)致SFRC強(qiáng)度的局部衰減，進(jìn)而影響SFRC整體力學(xué)性能。如在鋼纖維含量混凝土中，雖然提高基體混凝土的性能至關(guān)重要，但是，纖維的摻量對(duì)混凝土抗壓和抗折強(qiáng)度也存在較大影響，研究表明鋼纖維體積摻量每提高1%，抗壓強(qiáng)度提高8%左右，抗折強(qiáng)度提高35%左右。

4 結(jié)論

試件破壞結(jié)果表明纖維增強(qiáng)混凝土復(fù)合材料破壞以基體破壞為主，剪滯理論認(rèn)為纖維與基體之間不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，更適合用于描述實(shí)際試驗(yàn)中的破壞模式。玄武巖纖維含量小于1.5%時(shí)，BFRC抗壓強(qiáng)度隨著纖維含量的升高而降低；當(dāng)玄武巖纖維含量大于2%時(shí)，BFRC抗壓強(qiáng)度隨著纖維含量的升高而增強(qiáng)。準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)中，玄武巖纖維對(duì)提高BFRC抗壓強(qiáng)度作用較小，玄武巖纖維含量過大時(shí)，其抗壓強(qiáng)度存在降低現(xiàn)象。玄武巖纖維含量為1.5%和鋼纖維含量為2%的混雜纖維增強(qiáng)混凝土，其抗壓強(qiáng)度增加幅度最大。當(dāng)加載速率提高10倍時(shí)，BFRC強(qiáng)度提高幅度為15%，SFRC強(qiáng)度提高幅度為7.85%，BFRC抗壓強(qiáng)度的提高幅度約為SFRC抗壓強(qiáng)度的兩倍。