摘　要：通過大摻量超細工業廢渣及采用普通工藝成功制備了3類超高性能水泥基復合材料，分別測試了其7，28，90 d的抗壓強度和抗折強度，并對其進行了分析。討論了玄武巖纖維及玄武巖纖維格柵布對其力學性能的影響，并對其彎曲荷載 撓度曲線進行了分析。結果表明，玄武巖纖維體積摻量為0.5％～1.5％時可以提高混凝土的抗折強度和抗壓強度，但提高幅度有限，而玄武巖纖維格柵布對提高復合材料的力學性能有明顯的效果，表現出良好的增強增韌效果。
關鍵詞：玄武巖纖維；玄武巖纖維格柵布；超高性能水泥基復合材料；力學性能

　　混凝土材料是上研究多、應用極廣的土木工程結構材料。隨著材料科學與應用技術的不斷發展與進步，特別是我國重大基礎設施如橋梁、鐵道、港口、碼頭、機場、水電大壩、隧道、涵洞、國防防護等工程的興建，不僅推動了結構材料用量巨幅提升，而且對材料性能的要求也越來越高。傳統的普通混凝土材料由于其抗拉、抗彎強度低以及脆性大、易開裂等缺點已不能滿足上述發展的要求，研發新型的超高性能水泥基復合材料以成為目前混凝土技術發展方向之一。利用工業廢渣制備超高性能水泥基復合材料大大促進了混凝土材料組成與結構的優化且具有節省資源和能源、耐久性優異、性價比高等特點，同時，摻加纖維能提高水泥基體的韌性、抗拉強度和抗彎強度，使水泥基材料所固有的脆性問題得到極大的改善，從而滿足土木工程日益苛刻的要求，也是建筑材料走可持續發展道路的一個重要途徑。
　　玄武巖纖維被稱為“巖石之絲”，100％由礦物組成，制造時不添加其他成份，是以純天然玄武巖礦石為原料，在1450～1500℃的高溫熔融后，通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續纖維。由于玄武巖纖維在生產及應用過程中無環境污染，無工業垃圾，因此屬于一種新型的綠色環保纖維，正被積極推廣到航空、建筑、交通、軍事等領域，成為目前研究的熱點。
　　玄武巖纖維因其優異的耐高溫、耐燒蝕、耐酸堿性能、熱穩定性能、抗沖擊性能以及取材廣泛、性價比高而被譽為21世紀新型綠色環保材料，目前已在軍工和民用領域得到越來越多的應用。在建筑領域，將短切玄武巖纖維摻入混凝土中以增強其阻裂性能及力學性能；玄武巖纖維制成織物或片材可用于混凝土結構的補強、修復與加固；玄武巖纖維增強復合塑料(Fiber reinfored plastic，FRP)筋可取代鋼筋用于新建混凝土結構中?；谛鋷r纖維在提高混凝土性能中的較大競爭優勢，本文旨在探索連續玄武巖纖維及玄武巖纖維格柵布在超高性能水泥基復合材料中應用的可行性。

1　原材料及試驗方法

1.1　原材料
　　水泥：南京江南－小野田生產的P?Ⅱ52.5R硅酸鹽水泥；超細粉煤灰：南京熱電廠超細粉煤灰，比表面積600 m²／kg；硅灰：?？瞎旧a的微硅粉，比表面積20000 m²／kg；細集料：大粒徑2.5 mm的普通黃砂，細度模數2.35，連續級配；高效減水劑：聚羧酸型高效減水劑，固含量35％，減水率大于40％；連續玄武巖纖維：長度18 mm，直徑11μm，彈性模量79.3～93.1 GPa，密度2.8 g?cm^-1，抗拉強度3500 MPa，斷裂伸長率3.1％；玄武巖纖維格柵布：1600 mm×40 mm×2 mm，網格孔為5 mm×5 mm，見圖1。

　　超高性能水泥基復合材料基體的配合比見表1。

　　表1中，KB表示未摻纖維的空白基體試樣，其水膠比為0.17。在此基礎上采用混合攪拌方式摻加了體積分數分別為0.1％，0.3％，0.5％，1.0％和1.5％的玄武巖纖維(分別記為BF1，BF2，BF3，BF4和BF5)，另外，玄武巖纖維格柵布分別采用1層及3層的方式均勻分布在試件中，其換算體積分數分別為0.06 和0.2 (分別記為TBF1和TBF2)。
1.2　試驗方法
1.2.1　成型
　　混凝土成型過程中先將原材料(水泥、粉煤灰、硅灰、砂)干拌均勻，然后在攪拌過程中將混合均勻的水和外加劑緩慢地倒入攪拌機內，濕拌2～3min。當混合料進入粘流狀態后，均勻地撒入連續玄武巖纖維，繼續攪拌2～3 min。之后在模具中澆鑄成型，并適當加以振動以增進密實。標準養護1 d后拆模，試件標準養護到規定齡期后測試其各項力學性能。而對于TBF系列的玄武巖纖維格柵布，采用特制模具先將格柵布均布于40 mm×40 mm×160 mm 的混凝土鋼模具中(固定好位置)，之后將攪拌好的空白水泥基復合材料澆鑄鋼模中成型，然后在振動臺略微振搗、收漿、抹平即可。同樣標準養護1 d后拆模并標準養護到規定齡期后測試其各項力學性能。
1.2.2　力學性能
　　彎曲試件尺寸為：40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體，采用3點彎曲，跨距100 mm，試驗設備為深圳新三思公司生產的CMT5105電子萬能試驗機，加載速度為0.5 mm／min，試驗記錄下試件的彎曲荷載-撓度曲線。
　　抗壓試件為：40 mm×40 mm×40 mm 的立方體，實驗設備為無錫新路達儀器設備有限公司生產的TYA-2000型電液式壓力試驗機。
　　彎曲韌性采用美國材料與試驗協會ASTM1018-98韌性指數法來衡量鋼纖維增強UHPC的彎曲韌性。此法是利用理想彈塑性體作為材料韌性的參考標準，選用彎曲荷載－撓度曲線的初裂點撓度δ的倍數作為終點撓度，即3倍(3δ)、5.5倍(5.5δ)、10.5倍(10.5δ)，如圖2所示。彎曲韌性指數用I₅，I₁₀，I₃₀表示，即I₅=S_OACD／S_OAB，I₁₀=S_OAEF／S_OAB；I₃₀=S_OAGH／SOAB。

2　試驗結果

2.1　抗壓強度

　　超高性能水泥基復合材料在不同齡期(7，28，90 d)下的抗壓強度見圖3?？梢钥闯?，不同系列的超高性能水泥基復合材料的抗壓強度隨著齡期的增長而增大，但相對于空白試件，BF系列僅摻加0.5～1.0 增長幅度較大。這主要是由于該纖維本身的脆性很大，在攪拌的過程中一部分發生了斷裂，故其在水泥基材料中也不能起到很好的增強效果，且如果玄武巖纖維摻量過高(>1.0％)，過多的纖維會發生團聚，使得在超高性能水泥基復合材料制備的過程中引入了更多的缺陷，從而使其抗壓強度呈下降趨勢。以玄武巖纖維格柵布增強的水泥基復合材料的抗壓強度相對于空白試件及BF試件的抗壓強度也略有不同程度的提高，但提高幅度不大，如以相同體積率來計算，玄武巖纖維格柵布的增強效果要明顯好于連續玄武巖纖維，另外可以肯定的是，隨著齡期的增加，火山灰反應不斷進行，其抗壓強度還可以進一步提高。
2.2　抗折強度
　　不同養護齡期下的纖維增強UHPCC的抗折強度見圖4?？梢钥闯?，不同系列的超高性能水泥基復合材料的抗折強度隨著齡期的增長而增大，以攪拌方式摻加連續玄武巖纖維的BF系列的抗折強度相對于空白試件在不同齡期下抗折強度相差不大，甚至還略有降低的趨勢。而摻加玄武巖纖維格柵布的的TBF系列的抗折強度相對于空白試件及BF試件的抗折強度則有不同程度的提高，且提高幅度明顯。TBF1及TBF2相對于KB而言，其90 d的抗折強度提高幅度分別達30％和70％以上。

　　玄武巖纖維以攪拌的方式加入超高性能水泥基材料中，由于該纖維本身的脆性很大，在攪拌的過程中很大一部分都發生了斷裂，同時該纖維單絲直徑很小，雖然其數量較多，能起到很好的抑制微裂紋的作用，但其在水泥基材料中的增韌效果卻不明顯。而摻加玄武巖纖維格柵布的超高性能水泥基復合材料，由于纖維的二維分布，且格柵布在編制過程中纖維束之間采用膠結的方式搭接，能起到很好的傳遞荷載的作用，在彎曲荷載作用下，格柵布的網狀結構能有效地抑制和延緩裂紋的萌生和發展，從而能起到很好的增韌效果，故水泥基復合材
料的抗折強度得到了很大的提高。由于超高性能水泥基復合材料中摻入了40％ 的超細工業廢渣，因此隨著養護齡期的延長，其火山灰效應不斷發揮，提高了基體的密實度和纖維與基體的界面粘結力，因此可以推測該水泥基材料的抗折強度將隨著齡期的不斷增大而有所提高。
2.3　彎曲韌性
　　以90 d齡期下的BF5，TBF1和TBF2為例，其荷載-撓度曲線如圖5所示。
　　分析圖5可得90 d齡期下的BF5，TBF1和TBF2的彎曲韌性指數如表2所示。

　　從表2中可以看出在相同養護齡期(90 d)內，摻加連續玄武巖纖維(體積率為1.5％)的水泥基復合材料的韌性指數低，摻加3層玄武巖格柵布的水泥基復合材料的韌性指數高?？梢钥闯觯瑩郊舆B續玄武巖纖維對水泥基材料的增韌效果不明顯(同2.2節的結果一致)，摻加格柵布后由于格柵布自身的強彎曲性能及與水泥基材料的強機械咬合力，使得水泥基復合材料整體的彎曲韌性得以大幅提高。
　　韌性可以定義為材料或結構從荷載作用到失效為止吸收能量的多少，即可以用荷載-撓度曲線下包圍的面積來表示韌性。通過計算圖5中試件彎曲荷載－撓度曲線下的面積得到UHPCC的抗彎韌性，結果如表2所示。從表2中可以看出，相對于摻加連續玄武巖纖維的水泥基材料，摻加三層玄武巖格柵布的水泥基復合材料的彎曲韌性可提高20倍以上，顯示出了玄武巖格柵布對水泥基復合材料優異的增強增韌效果。

3　玄武巖纖維增強水泥基材料機理

　　采用掃描電鏡觀察了玄武巖纖維同水泥基材料的界面結合情況，如圖6所示。

　　從圖6中可以看出，玄武巖纖維同水泥基的結合十分牢固，玄武巖周圍被水泥水化產物所包裹，纖維與水泥基體之間沒有界面裂縫，這主要是由于玄武巖纖維是以天然的玄武巖礦石作為原料，與水泥基材料有著基本相同的成分，密度也較接近，且其溫度變形系數類似，不存在溫度膨脹導致的界面裂縫，所以玄武巖纖維同水泥基材料間的相容性較好，兩者之間有著很強的物理結合，形成統一的整體，從而有利于提高復合材料的密實度，兩者協同作用以提高復合材料的整體性能。

4　結　論

　　(1)玄武巖纖維以其自身的優異性能在諸多領域中得到廣泛的應用，但由于其自身的脆性，在水泥基復合材料摻加連續玄武巖纖維可以提高復合材料的力學性能，但其提高幅度有限，且其佳摻量為0.5～1.0。
　　(2)玄武巖纖維格柵布能有效提高提高超高性能水泥基復合材料的抗折強度、抗壓強度和彎曲韌性，這主要是由于玄武巖格柵布的二維網狀結構能有效抑制微裂紋的萌生和發展。
　　(3)玄武巖纖維與水泥基材料的界面粘結十分牢固，兩者之間有很強的物理結合，保證了復合材料的整體均勻性，從而提升了復合材料的整體性能。