玄武岩纤维对混凝土的增强和增韧效应_李为民

第36卷第4期 2008年4月

硅 酸 盐 学 报

2008年

Vol. 36，No. 4 April，2008

硅 酸 盐 学 报

JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY

玄武岩纤维对混凝土的增强和增韧效应

李为民，许金余1,2 (1. 空军工程大学工程学院机场建筑工程系，西安 710038；2. 西北工业大学力学与土木建筑学院，西安 710072)

摘 要：采用φ100 mm分离式Hopkinson压杆试验装置，研究了玄武岩纤维混凝土在冲击荷载作用下的动态力学性能，并将其与相同纤维掺量的碳纤维混凝土的冲击力学性能进行对比分析。结果表明：冲击荷载作用下，玄武岩纤维混凝土与碳纤维混凝土的强度与比能量吸收随平均应变率的增加而近似线性增长，体现了显著的应变率相关性；均匀分布的玄武岩纤维与碳纤维能够在混凝土内部形成致密的纤维网状结构，了混凝土内部微裂纹的产生和发展，对混凝土的冲击力学性能具有一定的改善效果；玄武岩纤维对混凝土的增强、增韧效果总体上优于碳纤维；当纤维掺量为0.1%(体积分数)时，玄武岩纤维对混凝土的增强、增韧效果最佳。

1

关键词：玄武岩纤维；碳纤维；混凝土；分离式Hopkinson压杆试验装置；动态力学性能

中图分类号：O347；TU528.TU572 文献标识码：A 文章编号：04–58(2008)04–0476–06

STRENGTHENING AND TOUGHENING IN BASALT FIBER-REINFORCED CONCRETE

LI Weimin，XU Jinyu1,2

(1. Department of Airfield and Building Engineering, Air Force Engineering University Engineering Institute, Xi’an 710038;

2. College of Mechanics and Civil Architecture, Northwest Polytechnic University, Xi’an 710072, China)

Abstract: The dynamic mechanical properties of concrete reinforced with various volume fractions of basalt fiber were studied, and were compared with those of carbon fiber-reinforced concrete (CFRC). The details of an experiment using a 100-mm-diameter split Hopkinson pressure bar apparatus are presented. The tests reveal that the dynamic compressive strength and specific energy absorp-tion of fiber-reinforced concrete are strain rate-dependent, and the strain rate effect can be expressed by linear approximations. Rein-forcing fibers, distributed randomly within the matrix, can limit microcrack propagation and improve the dynamic mechanical proper-ties of concrete effectively. Strengthening and toughening in basalt fiber-reinforced concrete (BFRC) is more significant than that in CFRC. For BFRC, the optimum volume fraction of basalt fiber is 0.1%.

Key words: basalt fiber; carbon fiber; concrete; split Hopkinson pressure bar apparatus; dynamic mechanical properties

1

玄武岩纤维是一种新的混凝土增强材料，由纯天然的火山岩(含玄武岩)矿石经高温熔融、拉丝而成，是典型的硅酸盐纤维，具有天然的相容性和优越的力学性能。[1–2] 廉杰等[3]研究了玄武岩纤维体积掺量与单丝长径比对玄武岩纤维混凝土(basalt fiber reinforced concrete, BFRC)抗压、劈拉、抗折强度及抗断裂性能的影响，结果表明：在混凝土中掺加乱向短切玄武岩纤维后，混凝土的强度及抗断裂性能会得到明显改善。Dias等[4]和Zielinski等[5]研究了玄武岩纤维掺量对玄武岩纤维增强无机聚

收稿日期：2007–10–14。 修改稿收到日期：2007–11–16。 基金项目：空军工程大学工程学院优秀博士学位论文创新基金(BC07002)

资助项目。

第一作者：李为民(1982—)，男，博士研究生。 通讯作者：许金余(1963—)，男，博士，教授。

合物水泥混凝土断裂韧度、强度的影响，并将其与玄武岩纤维增强硅酸盐水泥混凝土的试验结果进行对比，结果表明：玄武岩纤维增强无机聚合物水泥混凝土具有更加优越的抗断裂性能。值得注意的是，当玄武岩纤维的掺量为1%(体积分数)时，玄武岩纤维增强硅酸盐水泥混凝土的准静态抗压强度、劈裂抗拉强度，较素混凝土分别降低了26.4%和12%。

采用φ100 mm分离式霍普金森压杆(split Hop- kinson pressure bar, SHPB)试验装置，研究了BFRC

Received date: 2007–10–14. Approved date: 2007–11–16. First author: LI Weimin (1982–), male, postgraduate for doctor degree. E-mail: lwm_afeu0830@yahoo.com.cn

Correspondent author: XU Jinyu (1963–), male, doctor, professor. E-mail: jinyuxu@263.net

第36卷第4期

李为民 等：玄武岩纤维对混凝土的增强和增韧效应

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在冲击荷载作用下的动态力学性能，并将其与相同纤维掺量的碳纤维混凝土(carbon fiber reinforced concrete, CFRC)的冲击力学性能进行对比分析。

1 试 验

1.1 原材料

试验用原材料为：P·O 42.5R秦岭水泥；韩城第

二发电厂生产的一级粉煤灰；泾阳县石灰岩碎石(5～10 mm，15%，质量分数，下同；10～20 mm，85%)；灞河中砂，细度模数为2.8；广州建宝新型建材有限公司生产的FDN高效减水剂；横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司生产的玄武岩纤维；日本东丽公司生产的碳纤维，具体物理、力学性能指标见表1。表2为C50混凝土基体的配合比。

表1 玄武岩纤维与碳纤维的物理、力学性能

Table 1 Physical and mechanical properties of basalt fiber and carbon fiber

Raw materials Basalt fiber Carbon fiber

Filament diameter/μm

15 7

Length/mm Density/ (kg·m–3)

18 6

Tensile modulus/ GPa Tensile strength/ MPa

Elongation at break/ %

2 650 93–110 4 150–4 800 3.1 1 760 200

>3 000 1.5

素混凝土及玄武岩纤维掺量分别为0.1%，0.2%，

0.3%的BFRC的28 d立方抗压强度分别为61.6，

Cement Fly ash Sand Limestone rubble WaterFDN 60.3，59.9，51.6 MPa。 300 100 518 1 368 144 3 采用单位体积的混凝土材料吸收应力波能量的 大小，即比能量吸收a来表征混凝土材料韧性，[6] 1.2 SHPB试验原理及方法

AEcT⎡222

⎤dt attt=−+−+εετετ()()()SHPB试验的基本原理是细长杆中弹性应力波ir1t2⎦Asls∫0⎣

传播理论，建立在两个基本假设的基础上：(1)平面

(2)

假设，即应力波在细长杆中传播过程中，弹性杆中

其中：τ1，τ2分别为反射波、透射波相对于入射波的的每个横截面始终保持平面状态；(2)应力均匀假

时间延迟；T为试件完全破坏时刻。 设，即应力波在试件中传播过程中，试件中的应力

BFRC的SHPB试验结果、不同应变率(20～100 处处相等。基于以上两个假设，采用动态应变测试

s–1)下的应力–应变曲线分别如表3、图1所示。 系统采集弹性杆中的应变波形，然后通过弹性杆中

2.2 分 析 󰀅s及应变εs，的应变计算出试件的应力σs、应变率ε图2给出BFRC的动态抗压强度与比能量吸收即

随平均应变率的变化情况。由图2可知，BFRC的

E(εi+εr+εt)A⎫σs=动态抗压强度与冲击韧性随平均应变率的提高而近⎪

2As

⎪似线性增加，具有显著的应变率相关性。应变率硬

εi−εr−εt)c⎪(⎪

󰀅s=ε化原因可从以下两方面进行解释：(1)混凝土内部，⎬ (1)

ls

⎪骨料周围及整个水泥浆体中布满了大小不同的微裂t⎪

󰀅s(τ)dτεs(t)=∫ε纹和微孔洞等损伤，裂纹的产生和扩展直接导致混⎪0

⎪⎭凝土材料的破坏。裂纹产生所需的能量远比裂纹扩

其中：E为杆的弹性模量；c为杆中波速；A，As分展所需的能量高，应变率越大，产生的裂纹数目就别为杆、试件的横截面面积；ls为试件的初始厚度；越多，因而需要的能量就越多，又因为冲击荷载作εi，εr，εt分别为杆中的入射、反射和透射应变。 用的时间极短，材料没有足够的时间用于能量的累

积，即变形缓冲作用小，根据冲量定理或功能原理，

2 BFRC的SHPB试验 它只有通过增加应力的办法来抵消外部冲量或能2.1 结 果 量，[7] 因此，材料的强度随应变率的增加而增加。

SHPB试验所用射弹长0.5 m，试件的几何尺寸(2)类似于Bracc[8]和Janach等[9]对岩石应变率硬化为φ95 mm×50 mm，试验时在试件端面涂抹薄薄的的分析，混凝土的应变率硬化效应可以看作材料由一层石墨与润滑剂的混合物，以消除界面摩擦效应。一维应力状态向一维应变状态转换过程中的力学响

表2 C50混凝土的配合比

Table 2 Mix proportions of C50 concrete kg/m3

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表3 BFRC的SHPB试验结果

Table 3 Results of split Hopkinson pressure bar(SHPB) test of basalt fiber reinforced concrete (BFRC) specimens

Volume fraction of basalt

fiber VBF/%

Test no.

Average strain rate Strain at peak

εp×10

3

Ultimate strain

εmax×10

3

Dynamic compressive strength

fc,d/MPa

63.8 65.9 78.1 93.1 107.8 72.4 81.7 .5 92.7 110.4 119.4 69.9 72.3 79.1 86.9 .7 96.2 101.5 70.1 78.5 84.8 84.6 93.2

Specific energy absorption

a/ (J·cm–3)

0.31 0.52 0.69 1.09 1.30 0.37 0. 0.69 0.67 1.10 1.25 0.25 0.33 0.21 0.63 1.01 1.05 1.23 0.43 0.47 0.66 0. 1.07

󰀅s/s ε –1

0.0 A0 0.0 B0 0.0 C0 0.0 D0 0.0 E0 0.1 B1 0.1 C1 0.1 D1 0.1 E1 0.1 F1 0.2 A2 0.2 B2 0.2 C2 0.2 D2 0.2 E2 0.2 F2 0.2 G2 0.3 A3 0.3 B3 0.3 C3 0.3 D3 0.3 E3

29.2 5.77 9.39 39.9 6.59 17. 51.0 7.43 21.29 73.4 7.42 30.63 90.6 7.97 36.06 35.5 6.68 14.16 43.7 6.65 18.88 52.3 6.57 19.16 68.9 6.32 31.66 74.1 6.61 33.32 23.8 4.68 7.32 29.1 6.13 9.28 42.1 6.28 7.22 59.6 6.60 18.66 66.9 6.12 30.12 80.0 7.56 31.07 93.2 7.81 34.10 34.6 6.78 13.46 40.7 7.36 12.95 52.1 7.19 18.21 61.1 8.28 18.92 82.2 8.11 31.24

0.1 A1 32.1 6.07 11.66

图1 BFRC的应力–应变曲线

Fig.1 Stress vs. strain curves of concrete specimens reinforced with different volume fractions of basalt fiber

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产生局部破坏。因此，BFRC的准静态强度总体上低于素混凝土。

BFRC冲击抗压强度总体上高于素混凝土的主要原因是：(1)冲击荷载作用的时间极短，还没有来得及在玄武岩纤维成团处形成应力集中，BFRC就已经达到极限压缩强度而破坏；(2)混凝土是一种应变率敏感材料，玄武岩纤维–混凝土基体界面力学性能的发挥直接导致了BFRC呈现出比素混凝土更加显著的应变率相关性，即随着应变率的提高，BFRC动态压缩强度的平均增长速率要高于素混凝土。因此，基于以上两点，BFRC冲击抗压强度总体上高于素混凝土。

3 CFRC的SHPB试验

3.1 结 果

碳纤维体积掺量分别为0.1%，0.2%，0.3%的CFRC的28 d立方抗压强度分别为63.2，60.7，57.7 MPa。CFRC的SHPB试验结果如表4所示。 3.2 分 析

图3给出了CFRC的动态抗压强度、比能量吸收随平均应变率的变化情况。从图3可以看出，CFRC的动态抗压强度与冲击韧性随平均应变率的提高而近似线性增加，具有显著的应变率相关性。

此外，碳纤维对混凝土具有良好的增强效果，而增韧效果不明显。随着纤维掺量的增加，碳纤维的增强效果越来越显著。当碳纤维的掺量为0.3%时，其对混凝土的增强效果最佳。

图2 BFRC冲击力学性能随平均应变率的变化情况 Fig.2 Impact properties vs. average strain rate for BFRC

应，其理由是：混凝土试件比较大，在SHPB试验中，试件内部的受力状态己不能准确地说是一维应力，特别是在试件的中心部位，在冲击荷载作用下，由于材料的惯性作用，试件侧向的应变受到，并且应变率越高，这个作用越大，材料近似处于围压状态，从而其强度随应变率的增加而增加。

玄武岩纤维对混凝土的动力学性能具有一定的改善作用，然而随着纤维掺量的增加，作用越来越不明显。当玄武岩纤维掺量为0.1%时，其对混凝土的增强、增韧效果最佳。

BFRC准静态抗压强度随纤维体积率的增加而降低的主要原因是：随着玄武岩纤维掺量的增加，其在BFRC的拌制过程中成团的几率也会随之而增加，从而很容易在基体内部留下孔隙，在准静态荷载的作用下，有足够的时间在孔隙周围形成应力集中，直接导致BFRC内部局部应力严重超高，容易

4 BFRC与CFRC冲击力学性能的对

比分析

图4为相同纤维掺量时，纤维混凝土材料冲击力学性能的对比结果。从图4可以看出：当纤维掺量为0.1%时，在20～100 s–1的应变率范围内，BFRC的冲击压缩强度与韧性都优于CFRC。当纤维掺量为0.2%时，应变率低于53.7 s–1时，BFRC的冲击压缩强度高于CFRC，应变率大于53.7 s–1时，BFRC的冲击压缩强度低于CFRC；应变率低于60.5 s–1时，BFRC的冲击压缩韧性不及CFRC，应变率大于60.5 s–1时，BFRC的冲击压缩韧性优于CFRC，但与素混凝土相比，无明显改善。当纤维掺量为0.3%时，BFRC的冲击压缩强度低于CFRC；韧性与CFRC相当，但与素混凝土相比，无明显改善。

· 480 ·

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表4 CFRC的SHPB试验结果

Table 4 Results of SHPB test for carbon fiber reinforced concrete (CFRC) specimens

2008年

Volume fraction of carbon

fiber VCF/%

Test no.

Average strain rate Strain at peak

εp×10

3

Ultimate strain

εmax×10

3

Dynamic compressive strength

fc,d/MPa

68.6 69.3 79.2 85.0 93.3 102.0 105.9 68.5 74.6 84.3 95.6 97.0 100.0 100.7 71.4 82.8 87.3 91.7 93.0 98.3 100.3

Specific energy absorption

a/ (J·cm–3)

0.36 0.22 0.62 0.68 1.01 1.07 1.18 0.34 0.42 0.56 0.70 0.79 1.10 1.06 0.21 0. 0.63 0.73 0.94 0.85 1.13

󰀅s/s ε –1

0.1 A1’ 31.3 5.88 11.13 0.1 B1’ 38.6 6.11 8.31 0.1 C1’ 53.9 6.12 20.56 0.1 D1’ .0 7.90 21.96 0.1 E1’ 74.3 9.68 25.61 0.1 F1’ 85.3 8.24 30.38 0.1 G1’ 94.4 9.37 31.44 0.2 A2’ 34.8 6.79 11.90 0.2 B2’ 40.2 6.86 12.86 0.2 C2’ 53.7 7.49 13.14 0.2 D2’ 60.5 7.57 19. 0.2 E2’ 69.4 7.70 22.48 0.2 F2’ 82.8 7.92 31.15 0.2 G2’ 86.7 8.13 32.11 0.3 A3’ 35.8 6.59 8.33 0.3 B3’ 41.1 6.11 15.60 0.3 C3’ 48.2 7.19 15.44 0.3 D3’ 59.9 7.88 21.40 0.3 E3’ 75.2 9.62 26.95 0.3 F3’ 80.0 9.99 25.47 0.3 G3’ 96.0 9.80 32.65

图3 CFRC冲击力学性能随平均应变率的变化 Fig.3 Impact properties vs. average strain rate for CFRC

基于以上对BFRC与CFRC冲击力学性能的对比分析，发现：玄武岩纤维对混凝土的增强、增韧

效果明显优于碳纤维的，尤其是纤维掺量为0.1%时，玄武岩纤维的增强、增韧效果最佳。

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图4 BFRC与CFRC冲击力学性能的对比

Fig.4 Comparison of impact mechanical properties between BFRC and CFRC

5 结 论

(1) 冲击荷载作用下，BFRC与CFRC的强度与比能量吸收随平均应变率的增加而近似线性增长，体现了显著的应变率相关性。

(2) 玄武岩纤维对C50混凝土的增强、增韧效果总体上优于碳纤维。

(3) 在冲击载荷下，当纤维掺量为0.1%时，玄武岩纤维对C50混凝土的增强、增韧效果最佳。

(下转第486页)

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However, for high-strength MS concrete, the effect is different. Its resistance to freezing is as good as natural sand concrete. This is mainly because its water binder ratio is lower than the water to binder ratio of low- strength MS concrete, and its hardened structure is more compact. Additionally, the proportion of SD is relatively low in high-strength MS concrete. When the SD content is 10.5%, the proportion of SD to cement is only 1:5.8, so SD has little influence on high-strength concrete’s resis-tance to freezing.

cement exceeds 1:3.47, the resistance to freezing declines remarkably. High-strength MS concrete, like natural sand concrete, has excellent resistance to freezing, and the SD content in it has no negative influence on the resistance to freezing.

References:

[1] BONAVETTI V L, DONZA H, MENÉNDZE G, et al. Limestone filler

cement in low w/c concrete: a rational use of energy [J]. Cem Concr Res, 2003, 33(5): 865–871.

[2] BONAVETTI V L, IRASSAR E F. The effect of stone dust content in

sand [J]. Cem Concr Res, 1994, 24(3): 580–590.

[3] ZHOU Mingkai, PENG Shaomin, XU Jian, et al. Effect of stone pow-der on stone chippings concrete [J]. J Wuhan Univ Technol (Mater Sci Ed), 1996, 11(4): 29–34.

[4] CELIK T, MARAR K. Effects of crushed stone dust on some proper-ties of concrete [J]. Cem Concr Res, 1996, 26(7): 1121–1130.

[5] LU Xinying. Application of the Nernst-Einstein equation to concrete

[J]. Cem Concr Res, 1997, 27(2): 293–302.

[6] WANG Dongmin, ZUO Yanfeng, OUYANG Shixi. Chloride ions

diffusion proerties in high performance concrete with different posso-lantic materials [J]. J Chin Ceram Soc(in Chinese), 2004, 32(7): 858– 861.

[7] BONAVETTI V L, RAHHAL V F, IRASSAR E F.. Studies on the

carboaluminate formation in limestone filler-blended cements [J]. Cem Concr Res, 2001, 31(5): 853–859.

[8] PERA J, HUSSON S, GUILHOT B. Influence of finely ground lime-stone on cement hydration [J]. Cem Concr Compos, 1999, 21(2): 99–105.

3 Conclusions

(1) In low-strength MS concrete, SD can obviously improve its workability and compressive strength. But when the content of SD exceeds 15%, the compressive strength is slightly reduced. In high-strength MS concrete, when the SD content exceeds 10.5%, the workability slightly declines. However, SD does not have a negative influence on the compressive strength of high-strength MS concrete.

(2) In low-strength concrete, SD can improve its im-permeability, and as the content of SD increases, the chlorine ion diffusion coefficient decreases obviously. However, SD has little influence on the resistance to chlorine ion permeation of high-strength MS concrete. (3) The resistance to freezing of low-strength MS concrete decreases with the increase of SD content in MS; when the SD content exceeds 10% or the ratio of SD to

※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※

(continued from p.481)

参考文献：

[1] 崔毅华. 玄武岩连续纤维的基本特性[J]. 纺织学报, 2005, 26(5):

120–121.

CUI Yihua. Primary properties of basalt continuous filament (in Chi-nese). J Textile Res, 2005, 26(5): 120–121.

[2] PAVLOVSKI D, MISLAVSKY B, ANTONNOV A. CNG cylinder

manufacturers test basalt fiber [J]. Reinf Plas, 2007: 36–39.

[3] 廉 杰, 杨勇新, 杨 萌, 等. 短切玄武岩纤维增强混凝土力学性

能的试验研究[J]. 工业建筑, 2007, 37(6): 8–10.

LIAN Jie, YANG Yongxin, YANG Meng, et al. Experimental research on the mechanical behavior of chopped basalt fiber reinforced concrete (in Chinese). Ind Const, 2007, 37(6): 8–10.

[4] DIAS D P, THAUMATURGO C. Fracture toughness of geopolymeric

concretes reinforced with basalt fibers [J]. Cem Concr Compos, 2005(1): 49–.

[5] ZIELINSKI, KRZYSZTOF, OLSZEWSKI, et al. The impact of basal-

tic fibre on selected physical and mechanical properties of cement mortar [J]. Concr Precast Plant Technol, 2005(1): 28–33.

[6] 余同希, 卢国兴著. 材料与结构的能量吸收: 耐撞性·包装·安全防

护[M]. 华云龙译. 北京: 化学工业出版社, 2005: 209–212. YU Tongxi, LU Guoxing. Energy Absorption of Structures and Materi-als (in Chinese). Beijing: Chemical Industry Press, 2005: 209–212. [7] 王道荣, 胡时胜. 骨料对混凝土材料冲击压缩行为的影响[J]. 实验

力学, 2002, 17(1): 23–27.

WANG Daorong, HU Shisheng. Influence of aggregate on the com-pression properties of concrete under impact (in Chinese). J Exp Mech, 2002, 17(1): 23–27.

[8] BRACC W F, JONCS A H. Comparison of uniaxial deformation in

shock and static loading of three rocks [J]. Geophys Res, 1971, 76(20): 4 913–4 921.

[9] JANACH W. The rule of bulking in brittle failure under rapid compres-sion [J]. Inter J Rock Mech Mining Sci, 1976, 13(6): 177–186.