玄武岩纤维能否让超高强混凝土性能得到飙升？

超高强混凝土（简称UHSC）具有承载力大、结构自重轻的特点，对房屋建筑而言，能增加建筑使用面积；对桥梁等工程而言可减小结构的截面积、节约空间、降低工程造价、提高材料的利用率，立方体强度、变形模量和抗折强度更高、收缩和徐变较小、耐久性高、早期强度高。

玄武岩纤维是玄武岩石破碎后放置熔窑中，在1 450~1 500 ℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板制成的纤维。玄武岩纤维主要优点是原材料的高产性和环保性，并且其力学性能优异、综合性能好、性价比高。

目前，绝大部分学者的研究对象是C70以下的玄武岩纤维混凝土，对C70以上玄武岩纤维混凝土力学性能的研究暂未查到文献资料。同时，玄武岩纤维表面光滑柔软，混凝土内部构造越紧密玄武岩纤维越能发挥作用，因此，笔者认为玄武岩纤维在UHSC中应该能发挥更大的作用。鉴于此，本文研究了玄武岩纤维掺量对UHSC力学性能的影响，以期找到改善UHSC脆性的材料。

●试验内容

原材料

水泥：P·O 42.5R级水泥；硅粉：西宁某公司产微硅粉；粉煤灰：漳州某公司产Ⅰ级粉煤灰；减水剂：TW-PS 聚羧酸高效减水剂，其减水率为25%；细骨料：普通河砂；粗骨料：花岗岩碎石，最大粒径约为5 mm；水：自来水；玄武岩纤维：海宁某公司产BC3-50短切玄武岩纤维。

UHSC配合比

通过正交设计，在进行大量配合比试验的基础上，选取两大组份（水泥、硅粉和粉煤灰的总和）与骨料（细骨料砂和粗骨料石之和）的比例，作为本试验的配合比，具体列于表1。其中，配合比编号1~4为第一组，5~8为第二组，第二组的胶凝材料含量大于第一组约7.5%。每一组只改变水灰比和减水剂，其他含量不变，硅粉、粉煤灰采用内掺法，玄武岩纤维采用外掺法。

本文研究对每一种UHSC配合比均采用3种玄武岩纤维掺量：A组掺量为0；B组掺量为2 kg/m ³ ；C组掺量为4 kg/m ³ 。

●试件尺寸及试验方法

      UHSC立方体抗压强度试件的尺寸为100 mm×100 mm×100 mm；棱柱体抗压强度试件的尺寸为100 mm×100 mm×300 mm；抗折强度试件的尺寸为100 mm×100 mm×400 mm；劈裂拉抗强度试件的尺寸为 150 mm×150 mm×150 mm。

      每个配合比均采用A、B、C三种玄武岩纤维掺量，每组成型6个试件，其中，3个试件备用。

按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》及CECS 13—2009《纤维混凝土试验方法标准》进行各项力学性能测试。试验设备为TYA-2000A型电液式压力试验机和WAW-2000型电液伺服万能试验机。

●试验结果及分析

玄武岩纤维掺量对UHSC立方体和棱柱体抗压强度的影响

UHSC轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值在0.71~0.85，普通混凝土约为0.76，高强混凝土在0.77~0.82。故在轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值方面三个等级混凝土相差不多。

试验现象表明，试件在受压破坏之前没有明显变化，达到破坏荷载时声响很大，具有明显的脆性特征。UHSC试块的破坏形态与普通混凝土试块的破坏形态不同之处是普通混凝土试块破坏面上的粗骨料一般是完整的，而UHSC试块破坏面上的粗骨料被劈拉成两半，说明UHSC水泥基的强度非常高，UHSC的内部结构更为紧密。

下两张图分别为玄武岩掺量对UHSC立方体及棱柱体抗压强度影响试验结果。

      由图可知，UHSC的立方体和棱柱体抗压强度都很高，最高立方体抗压强度达到120 MPa以上，最高棱柱体抗压强度达到85 MPa以上。

      试验结果表明，玄武岩纤维能够提高UHSC立方体和棱柱体自身的抗压强度有关。不同玄武岩纤维的掺量下，UHSC立方体抗压强度最高的前3个配合比编号依次为：8B、8C、4B，其抗压强度值分别为134.9 MPa、130.1 MPa、127.2 MPa；不同玄武岩纤维掺量下，UHSC立方体抗压强度增量值最高的前3个配合比编号依次为：8B、6B、4B，其增量值分别为10.9%、10.6%、9.8%。不同玄武岩纤维掺量下，UHSC棱柱体抗压强度最高的前3个配合比编号依次为：8B、8C、4B，抗压强度值分别为104.3 MPa、97.9 MPa、97.1 MPa；不同玄武岩纤维掺量下，UHSC棱柱体抗压强度增量值最高的前3个配合比编号依次为：8B、2B、7B，增量值分别为10.8%、9.0%、5.6%。试验结果表明，对于抗压强度而言，2 kg/m ³ 的玄武岩纤维掺量最优。

玄武岩纤维掺量对UHSC抗折强度的影响

      下图为玄武岩纤维掺量与UHSC抗折强度的关系曲线。

      由图可得，玄武岩纤维的掺入对UHSC抗折强度有所提高，其提高量与UHSC自身强度有关。不同玄武岩纤维掺量下UHSC抗折强度最高的前3个配合比编号依次为：8B、8C、4B，其抗折强度值分别为11.2 MPa、10.7 MPa、10.6 MPa；不同玄武岩纤维掺量下，UHSC抗折强度增量值最高的前3个配合比编号依次为：8B、4B、7B，增量值分别为10.2%、9.1%和7.9%。试验结果表明，对于抗折强度而言，2 kg/m ³ 的玄武岩纤维掺量也是最优。

玄武岩纤维掺量对UHSC劈裂抗拉强度的影响

劈裂抗拉强度反映的是混凝土的抗拉能力，下图为玄武岩掺量与UHSC试件劈裂抗拉强度的关系曲线。

      由图可知，掺入玄武岩纤维后，UHSC的劈裂抗拉强度有所提高，提高量与UHSC立方体自身强度有关。不同玄武岩纤维掺量下，UHSC劈裂抗拉强度最高的前3个配合比编号依次为：8B、8C、4A，其抗折强度值分别为9.73 MPa、9.41 MPa和8.76 MPa；不同玄武岩纤维掺量下，UHSC劈裂抗拉强度增量值最高的前3个配合比编号依次为：6C、8B、4B，增量值分别为11.1%、11.0%、10.5%。试验结果表明，对于劈裂抗拉强度而言，2 kg/m3的玄武岩纤维掺量也是最优。

●结论

（1）UHSC立方体抗压强度和棱柱体抗压强度分别超过了120 MPa和85 MPa；抗折强度为7.3~11.2 MPa；劈裂抗拉强度为5.5~8.76 MPa；即各项力学性能指标可达到C120的要求。

（2）玄武岩纤维的掺入对UHSC立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度都有较大幅度的提高，其中，掺入2 kg/m ³ 的玄武岩纤维UHSC力学性能提高尤为明显，可将以上各项指标分别提高10.9%、14.1%、10.2%、11.0%。 

（3）经过对两大组，8种配合比，每种配合比3个不同玄武岩纤维掺量试件的各种力学性能综合比较可得，配合比编号为8B，即灰骨比0.366，水胶比0.22，玄武岩纤维为2 kg/m ³ 时，UHSC的各项力学性能指标最优。