對(duì)玄武巖復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，影響其力學(xué)性能的因素很多，下面討論纖維含量對(duì)玄武巖復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響，溫度對(duì)疲勞性能的影響，基體對(duì)抗彈性能的影響等。

（1）纖維含量對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響

隨著纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料在各領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，對(duì)這種新型材料的研究也逐漸增多，對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)高密度聚乙烯復(fù)合材料的增強(qiáng)規(guī)律與機(jī)理研究較少，一些研究者研究了纖維長(zhǎng)度對(duì)玄武巖增強(qiáng)高密度聚乙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響。

圖 1纖維長(zhǎng)度對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

由圖可以看出， 5%、7.5%、10%三種纖維含量的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨纖維長(zhǎng)度變化的趨勢(shì)基本一致，纖維長(zhǎng)度在 0~8mm之間時(shí)拉伸強(qiáng)度逐漸增大，且隨著纖維長(zhǎng)度的增加增速逐漸放緩，纖維長(zhǎng)度為8mm 時(shí)拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值，5%含量的為25.26MPa，7.5%含量的為29.25MPa，10%含量的為32.05MPa；纖維長(zhǎng)度為10mm時(shí)，3種纖維含量的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度基本都有所下降；纖維含量高于10mm時(shí)，3種含量的材料拉伸強(qiáng)度變化趨勢(shì)規(guī)律不明顯，5%含量與 7.5%含量的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度略高于10mm時(shí)的拉伸強(qiáng)度，10%含量的復(fù)合材料纖維長(zhǎng)度為12mm 時(shí)高于10mm時(shí)的拉伸強(qiáng)度，纖維長(zhǎng)度為 16mm 時(shí)低于10mm 時(shí)的拉伸強(qiáng)度。

三種含量的復(fù)合材料的拉伸模量的變化趨勢(shì)與拉伸強(qiáng)度的變化趨勢(shì)基本一致，這是因?yàn)槔w維含量一定時(shí)，不同纖維長(zhǎng)度的復(fù)合材料中所有數(shù)目的纖維與樹(shù)脂基體粘合界面的比表面積是一樣的，在低應(yīng)力狀態(tài)下纖維對(duì) PE 基體的限制作用差別不大，因此最后計(jì)算的模量與拉伸強(qiáng)度的變化趨勢(shì)一致。而3種纖維含量的復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度在 0~8mm 之間時(shí)隨著纖維的長(zhǎng)度的增 加而升高是因?yàn)槔w維含量一定時(shí)，纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)纖維端點(diǎn)越少，裂紋展開(kāi)更慢，因此缺口沖擊強(qiáng)度有所增強(qiáng)。纖維長(zhǎng)度為 10mm 時(shí)，由于纖維斷裂使得實(shí)際的纖維端點(diǎn)比 8mm 長(zhǎng)度時(shí)更多，此時(shí)復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度有所下降。纖維長(zhǎng)度高于12mm 時(shí)，由于纖維斷裂的隨機(jī)性，無(wú)法直接判斷此時(shí)纖維端點(diǎn)的多少，由于斷裂后的長(zhǎng)度仍要比10mm后的長(zhǎng)度長(zhǎng)，因此雖然變化趨勢(shì)不再明顯，仍比 10mm時(shí)的缺口沖擊強(qiáng)度高。

一些研究者研究了玄武巖纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹(shù)脂復(fù)合材料的拉伸性能，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率隨著玄武巖長(zhǎng)度的變化情況，可以看出，不同長(zhǎng)度的玄武巖均能有效提高復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，而且都是隨著纖維長(zhǎng)度的增加而先增加、后降低的趨勢(shì)，6mm長(zhǎng)的玄武巖對(duì)復(fù)合材料的提升效果最為顯著，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率由166MPa和2.88%提升到了210MPa和4.32%，即分別提高了27%和50%。

圖2 鋪入不同長(zhǎng)度玄武巖的復(fù)合材料的拉伸性能

（2）溫度對(duì)疲勞性能的影響

玄武巖纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料是多相材料，其力學(xué)性能既決定于各組分材料和制造工藝，更易于受到加載方式和周圍環(huán)境特別是溫度和濕度的影響，當(dāng)它作為承重構(gòu)件被用于機(jī)械結(jié)構(gòu)中時(shí)，長(zhǎng)期服役載荷作用下的疲勞性能是一個(gè)重要的安全評(píng)定指標(biāo)。目前，一些研究對(duì)單向玄武巖纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料進(jìn)行了不同溫度下拉拉載荷下的疲勞試驗(yàn)。

圖3 不同溫度對(duì)玄武巖復(fù)合材料疲勞性能的影響

從圖中可以看出，應(yīng)力水平越大，溫度越高，其疲勞壽命越短，疲勞壽命降低S-N曲線斜率逐漸變小，主要原因是在較高的應(yīng)力水平下，加載的應(yīng)力大使材料內(nèi)部摩擦產(chǎn)生的熱較多，室溫下摩擦產(chǎn)生的熱與試驗(yàn)溫度下設(shè)置的溫度相差不大，導(dǎo)致其疲勞壽命相差較小；相比之下在較低的應(yīng)力水平下，加載應(yīng)力小于材料內(nèi)部摩擦產(chǎn)生的熱量較少。室溫與高溫下設(shè)置的溫度相差較大，使其疲勞壽命相差較大；在相同的應(yīng)力水平條件下，溫度越高疲勞壽命越小，當(dāng)溫度達(dá)到50℃時(shí)，樹(shù)脂基體已經(jīng)出現(xiàn)了比較輕微的熔融，試件表面層軟化熱解，而達(dá)到更高的70℃時(shí)，溫度點(diǎn)越接近樹(shù)脂基體的玻璃化溫度，試件的熔融分解現(xiàn)象越劇烈，這加速了材料基體內(nèi)部開(kāi)裂和分層等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致失效破壞。

（3）基體對(duì)抗彈性能的影響

樹(shù)脂基體對(duì)玄武巖復(fù)合材料的抗彈性能的影響，報(bào)道不多，表為不同樹(shù)脂基體玄武巖纖維復(fù)合材料的抗彈性能，可以看到在相同面密度下，乙烯基酯樹(shù)脂基體的比吸能最高。一些研究者認(rèn)為這與纖維和樹(shù)脂之間的應(yīng)力波傳播速度匹配性有關(guān)，當(dāng)樹(shù)脂和纖維的傳播速度匹配較好時(shí)，復(fù)合材料中應(yīng)力波的傳播速度相當(dāng)，在相同的作用時(shí)間內(nèi)參與吸能的纖維較多，使復(fù)合材料的抗彈性能增強(qiáng)，匹配不好時(shí)，復(fù)合材料中的應(yīng)力波傳播速度較低因其復(fù)合材料侵徹區(qū)域過(guò)度破壞，降低復(fù)合材料的抗彈性能。

表1 樹(shù)脂基體類型對(duì)玄武巖纖維復(fù)合材料抗彈性能的影響

圖為靶試試驗(yàn)后兩種復(fù)合材料的破孔照片，在混雜復(fù)合材料中高溫強(qiáng)度高、隔熱阻燃效果好的玄武巖材料可以抑制熱量向超高分析量聚乙烯纖維層的傳遞，進(jìn)一步提升了復(fù)合材料的抗彈性能。玄武巖具有比其他纖維更粗糙的表面，其協(xié)同變形時(shí)發(fā)生大的“摩擦鎖定”等機(jī)制將對(duì)復(fù)合材料吸能及協(xié)同變形產(chǎn)生重大影響，因此對(duì)其宏觀變形和細(xì)觀損傷機(jī)制的模擬有助于深入了解其抗彈機(jī)制。

圖4 靶試試驗(yàn)后復(fù)合材料破孔照片a)玄武巖復(fù)合材料迎彈面彈孔；b)玄武巖復(fù)合材料背彈面彈孔c)玄武巖復(fù)合材料破孔橫切面d)玄武巖/超高分子量聚乙烯復(fù)合材料迎彈面彈孔e)玄武巖/超高分子量聚乙烯復(fù)合材料背彈面彈孔f)玄武巖/超高分子量聚乙烯復(fù)合材料破孔橫切面

（4）纖維含量對(duì)耐久性能的影響

有些研究者通過(guò)在石膏基復(fù)合材料(PGC)中摻入不同直徑、長(zhǎng)度和數(shù)量的玄武巖纖維，探究玄武巖纖維對(duì)PGC的耐久性能的影響。結(jié)果表明，玄武巖的滲入能顯著降低 PGC 的溶蝕率。隨著玄武巖摻入量的增加，試樣干濕循環(huán)和凍融循環(huán)強(qiáng)度整體提高。 PGC的干濕循環(huán)與凍融循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)整體隨著玄武巖摻入量的增多而增大，該項(xiàng)研究結(jié)果可以為纖維改性石膏基復(fù)合材料的耐久性研究提供參考。

（5）對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

通過(guò)改變短切玄武巖纖維的摻量及長(zhǎng)度測(cè)試了纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。不同齡期混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。圖 5 中 C0 為不摻加纖維的空白試樣，BFI1-BFI4 表示長(zhǎng)度為 12 mm 的纖維摻量分別為 0.05%、0.1%、0.3%、0.5%，BFII1-BFII4 表示長(zhǎng)度為22 mm的纖維摻量分別為 0.05%、0.1%、0.3%、0.5%。結(jié)果表明：（1）無(wú)論是否摻加玄武巖纖維，各組混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度均隨著齡期的增長(zhǎng)而增大。（2）7d 齡期時(shí)摻加纖維的混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度均大于未摻加纖維混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度；齡期為 28、90d時(shí)， 摻加纖維的混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度與未摻加纖維混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度相比，沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)律。

圖5 不同齡期混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度

近年來(lái)，在混凝土中摻入纖維以配置復(fù)合混凝土提供了新思路。研究表明，在混凝土中摻入纖維能提高其力學(xué)性能，其中玄武巖纖維作為天然巖石纖維與混凝土基體成分相似，將其摻入混凝土中性能表現(xiàn)較好，圖6為混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度，由圖可知，橡膠摻入量相同，粒狀橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度較高，玄武巖摻入量相同，粒狀與粉狀橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)相同，即隨著纖維長(zhǎng)度變化呈現(xiàn)減小、增大再減小的趨勢(shì)。當(dāng)纖維強(qiáng)度為6mm時(shí)，其抗壓強(qiáng)度分別降低了0.4%、6.8%，長(zhǎng)為12mm時(shí)，其抗壓強(qiáng)度分別提高了8.3%、2.4%，長(zhǎng)為18mm時(shí)，其抗壓強(qiáng)度分別降低了0.6%和6.1%。分析其原因，當(dāng)玄武巖纖維摻入量相同時(shí)，長(zhǎng)6mm的纖維數(shù)量最多，攪拌時(shí)出現(xiàn)分散不均勻的現(xiàn)象，增加了纖維與水泥的界面薄弱區(qū)，分散不均勻的纖維擴(kuò)大了薄弱界面，因此對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度為負(fù)提升。

圖6 玄武巖纖維橡膠混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度

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