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陶 琦， 付 强， 王悦石， 夏熙蕾
(1. 中铁十九局集团第六工程有限公司，江苏 无锡 214028; 2. 淮阴工学院交通工程学院，江苏 淮安 223003)
纤维混凝土具有优异的物理力学性能，在公路、铁路、大坝、高层建筑等土木工程领域应用广泛。纤维按其种类主要有钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维等。其中，玄武岩纤维是一种新兴环保型无机纤维材料[1-2]，其以高性价比（价格为碳纤维的1/10）[3]、高抗拉强度、高阻裂性能及耐酸碱性著称，并且与水泥基能很好相容，分散性佳[4]，一般认为其在混凝土峰值应力后期能显著改善混凝土结构的受力及变形特性[5]，获得良好的工程效果和经济效益。
国内外学者对玄武岩纤维混凝土物理力学特性开展了大量研究，Ramakrishnan等[6]开展了玄武岩纤维混凝土早期性能试验研究，发现适量纤维掺入可有效防止发生混凝土离析，提高其保水性和黏聚性，从而减小混凝土早期收缩、抑制早期开裂。王钧等[7]对不同体积掺量的短切玄武岩纤维混凝土分别进行立方体抗压、轴心抗压、劈裂抗拉、抗折试验，结果表明当纤维体积掺量为0.1%时，抗压强度达到最大值，劈拉强度与抗折强度则随着纤维掺量的增加而持续增大。文献[8-9]关于玄武岩纤维混凝土力学性能的研究表明，在混凝土中掺入玄武岩纤维，能显著提高混凝土的弯拉强度、抗裂能力、冲击韧性等。赵燕茹等[10]采用数字图像相关方法对不同纤维掺量混凝土试件进行试验研究，结果表明玄武岩纤维的加入能够提高混凝土平均峰值应力和峰值应变，但对应力-应变关系曲线上升段改变不明显。
然而以上研究主要集中在单调荷载作用下，对于受循环荷载的研究鲜见报道。混凝土结构物在设计寿命周期内可能遭受地震作用，开展玄武岩纤维混凝土在循环受压条件下的力学行为具有工程意义。本文通过进行重复加载试验，探究不同纤维掺量的玄武岩混凝土在反复受力荷载下的力学响应，以期为玄武岩纤维混凝土的工程结构设计提供数据参考。
1.1 试验装置
本次试验采用型号为RMT-301的岩石性能力学试验机，配备高精度压力传感器，最大轴压为2 000 kN，分别在竖向和横向布置位移传感器（LVDT）测量混凝土试件轴向和侧向变形，试验加载示意如图1所示。
图1 混凝土循环受压试验简图
1.2 试验材料
本次试验采用普通硅酸盐水泥（P.O 42.5），粗骨料采用粒径为5～26.5 mm的连续级配碎石，表观密度2437 kg/m3，细骨料为细度模数2.42的河沙，拌和水为自来水，采用西卡聚羟酸高效减水剂，减水率为20%。按照CECS13-2009《纤维混凝土试验方法标准》，混凝土试样尺寸为150 mm×150 mm×300 mm，采用强度等级为C40的混凝土，其配合比见表1。玄武岩纤维购自常州筑威建筑材料有限公司，参考前人研究成果[11]，确定本次试验玄武岩纤维体积掺量Vf为0.05%、0.10%和0.15%，并以无纤维掺量(Vf=0)的普通混凝土作为参照组，玄武岩纤维主要物理力学参数如表2所示。为了减小试验误差，对于每种玄武岩体积掺量的试件至少开展3组试验，当3组试验数据的误差控制在10%以内时，取其平均值作为最终试验结果。
表1 混凝土设计配合比kg/m3
表2 玄武岩纤维主要物理力学指标
试验时先按配合比将水泥、骨料和水加入搅拌机中搅拌，为了防止纤维结团，将玄武岩纤维分3次均匀撒入，搅拌充分后（不少于3 min）倒入模具，采用振动棒振捣均匀。浇筑后待初凝完成对试件进行编号，在室温下静置24 h，脱模，在标准养护室放置28 d。
1.3 试验方案
试验前，需要对每组试件进行预加载，使试件表面与加载设备充分贴合，消除误差。结合文献[12-13]，为了使加卸载方式更符合混凝土结构物受反复荷载下实际情况，加载和卸载分别采用不同的加载模式，加载采用位移控制，加载速度V加载=0.01 mm/s，而卸载采用力控制模式，卸载速度V卸载=10 kN/s，加卸载路径示意图如图2所示。试验过程中，加载系统可自动采集荷载和变形实时数据。另，为了确定试件强度指标，开展了两组混凝土强度试验：抗压试验和劈拉试验。
图2 加卸载路径示意图
2.1 玄武岩纤维掺量对强度特性的影响
图3为不同玄武岩纤维掺量对混凝土抗压强度及劈拉强度的影响规律。从图中可以看出，随着玄武岩纤维体积掺量Vf的增加，混凝土试样的抗压强度略有增加，Vf从0增至0.15%，抗压强度仅增加2.75%；
而劈拉强度则较为明显的增加，Vf在同样增幅下，劈拉强度则增加了15.4%。可见，掺入玄武岩纤维对混凝土抗压强度的贡献不及劈拉强度明显。
图3 不同玄武岩纤维掺量对混凝土强度特性的变化规律
2.2 玄武岩纤维掺量对全应力-应变曲线的影响
表3汇总了不同玄武岩纤维掺量混凝土循环受压主要力学指标。从表中可见，混凝土试样峰值应力、峰值应变及残余应变随玄武岩纤维掺量的增加均有不同程度的增大。
图4为不同玄武岩纤维掺量混凝土在循环压力荷载下的应力-应变曲线，其中纵坐标采用归一化的应力值，σpeak为峰值应力。由图可知：从包络线来看，不论是素混凝土还是不同玄武岩纤维掺量混凝土，在循环加载下其应力-应变曲线包络线均呈先增后减的变化趋势，其形态与“正偏态分布”相似。可将应力-应变包络曲线从峰值处划分为上升段和下降段两部分。对于上升段，不同玄武岩纤维掺量的混凝土，其应力-应变包络线基本重叠，即力学特性受纤维掺量的影响较小；
而对于下降段，素混凝土应力-应变包络线出现明显的陡降现象（图4(a)），而玄武岩纤维混凝土包络线下降稍缓，最终残余应变也较大，且随着纤维掺量的增加，包络线下降越平缓，说明玄武岩纤维增强了混凝土受压韧性。
图4 不同玄武岩纤维掺量对混凝土应力-应变曲线的影响
从反复加卸载下应力-应变响应曲线看，相邻卸载和再加载曲线形成了滞回圈，滞回圈面积大小等于能量耗散值（下文具体分析），反映了混凝土材料的延性。在峰值应力之前，普通混凝土和各纤维掺量混凝土的滞回圈均较小，试件处于弹性或弹塑性状态；
而峰值应力后，试件进入塑性阶段，滞回圈则先逐渐扩大而后逐渐趋于消失（结构失效）。同时，相较于普通混凝土，相同循环荷载下玄武岩纤维混凝土的滞回圈要更加饱满，这意味着玄武岩纤维混凝土受压延性和阻裂性更好。
对以上试验结果进行分析：在循环压应力作用下，玄武岩纤维的掺入可有效降低混凝土内部微裂缝的产生。并且通过桥接作用缓解微裂缝端部的应力集中，增强裂缝的抗阻能力，减小裂缝扩展速度。另外一方面，由于泊松比效应，竖向压力下试件产生横向变形，且在侧向上的循环拉应力作用下产生微裂缝，具有良好抗拉强度的玄武岩纤维阻止了拉裂缝的产生。另外，混凝土基体自身也存在孔洞、微裂隙等缺陷，一定范围掺量的玄武岩纤维对孔洞等进行分割、细化，使其分布更加均匀，有效改善基体内部缺陷。
图5为循环受压下玄武岩纤维混凝土全应力-应变曲线示意图。从图中，可将应力-应变曲线分为 5个阶段：弹性阶段（OA段）、弹塑性阶段（AB段）、塑性阶段（BC段）、持续破坏阶段（CD段）、收敛阶段（DE段）。对于OA段，试件处于弹性状态，表面无裂缝，水泥基、骨料及纤维粘结良好，三者共同受力变形，循环荷载下试件刚度不变；
对于AB段，试件开始进入弹塑性状态，水泥基与骨料界面开始滑移破坏，表面出现几条细小裂缝，随着荷载增大宽度有所扩张，玄武岩纤维开始发挥阻裂增韧作用，曲线上升变缓；
对于BC段，试件出现第一条宏观裂缝，随着竖向荷载增大，形成贯通斜裂缝，纤维阻裂作用明显，并伴随表面保护层剥落，刚度降低；
对于CD段，在正应力和剪应力耦合作用下，宏观裂缝发展成为主裂缝，此时玄武岩纤维的桥接作用充分发挥，处于受拉状态，局部甚至被拉断；
对于DE段，随着循环次数的增加，试件裂缝不断扩展、贯通，逐渐趋于破坏，承载能力失效。
图5 循环压应力下典型应力-应变曲线
2.3 玄武岩纤维掺量对力学性能退化的影响
在反复压载作用下，混凝土结构会出现微裂缝和损伤，表现为其力学性能不同程度的退化。为研究方便，常常采用应力退化率[14-15]和损伤系数[16]来定量描述混凝土力学性能的退化程度。对于应力退化率α，其数学表达式为
式中：σre——再加载曲线在上一级卸载点应变εun所对应的应力值；
σun——卸载点应力值。
其几何意义如图6所示。当α=0表示循环荷载下混凝土结构完全丧失承载能力，当α=1表示混凝土结构力学性能保持不变。
图6 混凝土循环受压应力应变曲线示意图
图7为反复压应力作用条件下不同玄武岩纤维掺量混凝土应力退化率与应变的关系曲线图。从图中可以看出，随着轴向应变的增加，纤维混凝土试样应力退化率先迅速降低再逐渐趋于平缓，分界点应变值约为1.5‰。再分析玄武岩纤维体积掺量对应力退化率的影响，当ε＜1.5‰时，混凝土试样应力退化率几乎不受纤维掺量的影响；
当ε＞1.5‰时，退化率曲线随玄武岩纤维掺量的增加逐渐抬升，应力退化率逐渐增大，即玄武岩纤维的存在显著减缓了循环荷载下混凝土力学性能的退化。
图7 循环荷载下玄武岩纤维混凝土应力退化率与应变关系图
对于混凝土损伤系数d，其数学表达式为
式中：E0——初始切线模量；
Ed——卸载模量。
其几何意义如图6所示。当d=0表示混凝土结构没有损伤，当d=1表示混凝土结构彻底失效。图8为循环荷载下玄武岩纤维混凝土损伤系数与应变的关系曲线图。从图中可以看出，损伤系数随应变的变化曲线可分为三段：当ε＜2‰时，混凝土试样的损伤系数维持在0附近；
当2‰＜ε＜6‰时，随着应变的发展，损伤系数迅速上升；
当ε＞6‰时，损伤系数的增加随着应变的增大逐渐趋于缓慢。另外一方面，玄武岩纤维掺量对混凝土损伤系数的影响较为明显，随着纤维掺量的增加，损伤曲线整体向右下方偏移，即同一应变条件（ε＞2‰）下，随着纤维掺量的增加，损伤系数越小。尽管在小应变范畴（ε＜2‰），玄武岩纤维掺量的影响甚微。
图8 循环荷载下玄武岩纤维混凝土损伤系数与应变关系图
综合应力退化率和损伤系数的变化规律，分析其原因：在小应变条件下，混凝土结构仅局部出现微裂缝，玄武岩纤维的约束作用难以得到发挥。随着轴压应变的增大，裂缝逐渐扩展，玄武岩纤维的桥接作用有效减缓裂缝在数量和尺寸上的发展速度，从而显著改善轴压下混凝土的延性和韧性。
2.4 玄武岩纤维掺量对能量耗散的影响
循环荷载下材料的应力-应变关系曲线隐含了能量传递的信息。在动力分析中，将卸载路径与再加载路径对应曲线所组成的封闭曲线，称为一个闭回环或滞回圈，其面积有着明确的物理意义：即一个加卸载循环所耗散的能量值，滞回圈面积越大，耗散能力越多。根据图4，很容易得到不同玄武岩纤维掺量混凝土每次加卸载循环所耗散的能量，结果如图9所示。从图中可以看出，能量耗散随加载次数n呈先增后减的变化趋势，呈“金字塔”形，在n=4时达到能力耗散的峰值（48.65 MPa·mm）。同时，玄武岩纤维掺量对能量耗散的影响可划为两个阶段进行分析：当n＜4时，混凝土在循环压应力下处于弹性变形状态，不同玄武岩纤维掺量的曲线基本重合，能量耗散不随玄武岩纤维掺量的变化而变化；
当n＞4时，随着循环次数的增加，混凝土试样进入弹塑性变形阶段，且随着纤维掺量的增大，能量耗散越大。分析原因，在轴心力循环次数较低时，玄武岩纤维混凝土还未出现肉眼所见的宏观裂缝，纤维和基体组成有机整体，裹挟良好，共同受力，玄武岩纤维对循环荷载作用下能量的耗散并未起到作用。而随着轴向力循环次数的增加，玄武岩纤维混凝土在轴向压力下出现宏观裂缝，此时玄武岩纤维起着桥接裂缝方面发挥重要作用，并通过与混凝土基体之间的黏结作用、界面滑移甚至拔出，吸收了大量能量。由此，在实际地震工程中，玄武岩纤维可增强混凝土结构的抗震吸能特性。
图9 玄武岩纤维混凝土能量耗散与循环加载次数关系曲线关系图
1）玄武岩纤维对增强混凝土抗压强度和抗劈拉强度均有贡献，但对抗拉强度的影响稍小。当玄武岩纤维体积掺量范围在0.05%～0.15%时，纤维掺量越高，试件峰值应力、峰值应变、残余应变越大。
2）循环荷载下混凝土应力应变曲线包络线相似，呈近似“正偏态分布”，与普通混凝土相比，玄武岩纤维混凝土表现出明显的延性和阻裂性，且与纤维掺量成正相关。
3）在混凝土性能退化方面，随着轴向应变的增大，应力退化率呈下降趋势，而损伤系数则呈上升趋势。玄武岩纤维的存在显著抑制了混凝土性能退化。
4）随加卸载循环次数变化，能量耗散曲线呈“金字塔”型。玄武岩纤维的桥接作用吸收了大量能量，有利于混凝土结构的抗震特性。
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