玄武巖纖維對混凝土力學性能影響與增韌分析

許澤寧 鮑 犇 姚華彥 沈 筠 孫 磊

(1.安徽省交通控股集團有限公司,安徽 合肥 230088;2.合肥工業大學土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

混凝土是目前建筑領域廣泛使用的工程材料,但同時也存在脆性明顯、抗拉強度低、易開裂等缺點,通過摻入纖維以改善混凝土的物理力學性能越來越受到重視[1-2]。 玄武巖纖維具有較高的彈性模量和拉伸強度,化學穩定性好,逐漸成為混凝土增強領域的熱點材料。

近年來,國內外學者對玄武巖纖維混凝土的力學性能開展了系列研究[3-4]。 周浩等[5]研究發現,玄武巖纖維體積摻量為0.3%～0.4%時,混凝土的抗壓、抗折強度提升最大,摻量繼續增大則會造成力學性能降低;李福海等[6]研究表明,隨著玄武巖纖維摻量的增大,抗壓和劈裂抗拉強度呈現先上升后下降的趨勢,在纖維摻量為0.3%時2 個強度同時達到最大。此外,一些學者[7-9]結合掃描電鏡(SEM)等微觀分析手段探討了玄武巖纖維對混凝土強度影響的機理,主要認為:纖維之間相互搭接,共同構成網狀結構,有利于增強混凝土的整體性;同時,玄武巖纖維有效地抑制了混凝土內部大體積孔隙的生成。 這些研究為深入認識玄武巖纖維對混凝土力學性能的影響規律和機制提供了參考。

普通混凝土在破壞時具有顯著的脆性特征,而纖維增強混凝土則有良好的韌性。 韌性反映了材料抵抗破壞的能力,因此,一些學者將韌性指標也作為評價纖維對混凝土力學性能提升效果的指標[10]。 鄧明科等[11]研究了高延性纖維對混凝土抗壓韌性的影響,結果表明,纖維在混凝土內部形成橋聯作用,使試件的抗壓韌性明顯提高;江世永等[12]的試驗表明,高韌性纖維混凝土具有較強的壓縮韌性,在裂縫發展及破壞模式上與普通混凝土存在明顯的區別。 不同學者對韌性指標的選擇和評價方法也有不同觀點[13],目前這方面的研究仍有待進一步深入。

本試驗結合安徽某高速公路中混凝土的實際應用情況,研究了不同長度和不同摻量玄武巖短切纖維對混凝土力學特性的影響,并基于抗壓強度峰值韌度分析了玄武巖纖維對混凝土的增韌效果,為工程應用提供參考依據。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本次試驗水泥選用海螺P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥,表觀密度為3 100 kg/m3;粗骨料采用安徽愛德森堡控股公司生產的連續級配碎石,粒徑為4. 75 ～26.5 mm,堆積密度為1 610 kg/m3,表觀密度為2 667 kg/m3;細骨料采用普通河砂,細度模數為2.5,表觀密度為2 740 kg/m3,級配良好;粉煤灰采用實驗室一級粉煤灰;玄武巖纖維采用江蘇天龍玄武巖連續纖維股份有限公司生產的短切纖維,長度為12 mm 和18 mm。 混凝土配合比設計見表1,纖維的基本物理力學性能見表2。

表1 混凝土配合比設計Table 1 Design of concrete mix proportion

表2 玄武巖纖維基本物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of basalt fiber

1.2 試件制備

制備100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件進行單軸抗壓試驗,制備直徑100 mm、高100 mm 圓柱體試件開展巴西劈裂試驗。 試驗分別考慮7 d 和28 d 兩個齡期。 纖維摻量采用體積摻量,考慮0.05%、0.10%、0.20%共3 種,與素混凝土進行對照試驗,3個試件為1 組。

參照《纖維混凝土試驗方法和標準》(CECS 13/2009),采用20 L 混凝土攪拌機進行試件制備:先向混凝土攪拌機中加入一定質量的粗集料、細集料及膠凝材料,啟動機器干拌30 s;將一定量的玄武巖纖維人工均勻地拋灑在攪拌機內,攪拌30 s;將水和外加劑均勻緩慢地加入攪拌機中,持續攪拌120 s 至攪拌均勻;人工裝模并放置在振動臺上振動30 s,至無氣泡冒出;1 d 后脫模,將試件放入標準養護室(溫度20±2 ℃,相對濕度95%)養護7 d 和28 d,之后開展力學試驗。

1.3 試驗加載

使用中國科學院武漢巖土力學研究所研制的巖石/混凝土壓剪試驗裝置,采用位置控制加載,加載速率為0.18 mm/min。

2 纖維對混凝土力學性能的影響

2.1 試驗現象及破壞形態

圖1 為混凝土單軸抗壓和劈裂破壞典型形態。立方體單軸抗壓強度試驗中,隨著荷載加載,素混凝土試件側向發生顯著膨脹,當達到極限荷載時,試件四周表面的混凝土會發生脫落;繼續加載時,混凝土試件開裂,并伴隨有碎片掉落(圖1(a)所示)。 對于摻入玄武巖纖維的混凝土試件,達到極限荷載開裂后,盡管裂紋不斷擴展,但試件裂而不碎,圖1(b)為纖維混凝土試件(纖維長度12 mm、體積摻量0.10%)受壓破壞形態。

圖1 混凝土單軸抗壓和劈裂破壞形態Fig.1 Failure modes of concrete under uniaxial compression and splitting

在劈裂抗拉試驗中,荷載施加在素混凝土上時,裂紋出現速度較快,到極限荷載時裂紋貫穿整個試件(圖1(c))。 混凝土中摻入玄武巖纖維后,持續加載到極限荷載時,基體開裂,纖維繼續承受拉應力,試件出現裂紋速度變緩,裂紋出現到貫穿整個試件有一定的緩沖時間,圖1(d)為纖維混凝土試件(纖維長度18 mm、體積摻量0.05%)受拉破壞形態。

2.2 玄武巖纖維混凝土抗壓性能

混凝土立方體單軸抗壓試驗結果如表3 所示。

表3 混凝土單軸抗壓試驗結果Table 3 Results of concrete uniaxial compression test

由表3 可知,適量摻入長度12 mm 的玄武巖纖維,試件的抗壓強度上升,過量則導致抗壓強度下降;纖維摻量為0.05%、0.10%,齡期為7 d 的混凝土試件的平均抗壓強度分別為27.51 MPa 和25.24 MPa,較素混凝土分別提升17. 5%和7. 8%;纖維摻量為0.05%、0.10%,齡期為28 d 的混凝土試件的平均抗壓強度分別為34.01 MPa 和35.91 MPa,較素混凝土分別提升7.9%和14.0%。 適量摻入長度18 mm 的玄武巖纖維,試件的抗壓強度上升,過量則導致抗壓強度下降;纖維摻量為0.05%、0.10%,齡期為7 d 的混凝土試件的平均抗壓強度分別為26. 59 MPa 和23.58 MPa,較素混凝土分別提升13.6%和0.7%;纖維摻量為0.05%、0.10%,齡期為28 d 的混凝土試件的平均抗壓強度分別為33.83 MPa 和31.82 MPa,較素混凝土分別提升7.4%和1.0%。

2.3 玄武巖纖維混凝土劈裂抗拉性能

混凝土圓柱體劈裂抗拉試驗結果如表4 所示。

表4 混凝土劈裂抗拉試驗結果Table 4 Results of concrete splitting tensile test

由表4 可知,摻入玄武巖纖維,混凝土的劈裂抗拉強度均有所提升。 纖維長度為12 mm、摻量為0.10%情況下,7 d 和28 d 齡期混凝土劈裂抗拉強度分別為1.80 MPa 和2.33 MPa,比素混凝土分別提高19.2%和15.9%。 纖維長度為18 mm、摻量為0.10%情況下,7 d 齡期時,混凝土劈裂抗拉強度最大,比素混凝土提升25.8%;纖維摻量為0.05%情況下,28 d齡期時,混凝土劈裂抗拉強度最大,比素混凝土提高9.4%。

3 玄武巖纖維對混凝土的增韌機理分析

混凝土立方體單軸壓縮應力—應變曲線如圖2所示。

圖2 玄武巖纖維混凝土單軸應力—應變曲線Fig.2 Uniaxial stress-strain curves of basalt fiber concrete

由圖2 可知,與素混凝土相比,玄武巖纖維混凝土應力—應變曲線與橫坐標軸所圍成的面積更大,表明玄武巖纖維混凝土在受壓破壞過程中吸收的能量更多;隨著纖維摻量的增大,脆性反而上升,峰值強度和殘余強度都呈下降趨勢,說明適量摻入玄武巖纖維,混凝土韌性提高,抵御變形的能力增強。

已有研究均表明,纖維混凝土比素混凝土有更強的韌性[14-15]是纖維混凝土的優點之一。 目前計算和評價纖維混凝土的韌性方法較多,本研究采用峰值韌度[16]進行評價。 峰值韌度Rp定義為:峰值點之前的應力—應變曲線的面積,如圖3 所示。 不同纖維長度及纖維摻量下,養護齡期28 d 的立方體峰值韌度Rp的變化見圖4。

圖3 玄武巖纖維混凝土韌度Rp 計算Fig.3 Calculation of toughness Rp of basalt fiber concrete

圖4 峰值韌度Rp 與玄武巖纖維摻量的關系Fig.4 Relationship between peak toughness Rp and basalt fiber content

由圖4 可知,在試驗纖維摻量范圍內,玄武巖纖維混凝土的抗壓韌性相對素混凝土整體上均有所提高;對于2 種長度的纖維,摻量為0.05%時,抗壓韌性提升最大,此時長度12 mm 比18 mm 的纖維增韌效果更好,2 種情況下峰值韌度Rp分別達到0.400 和0.385,相比于素混凝土提升75.4%和68. 9%;纖維摻量從0.05%提高至0.20%,峰值韌度Rp降低。 纖維摻量影響機制推測為:纖維之間相互聯接,具有阻裂作用,同時纖維受力變形消耗能量,從而提高混凝土的抵抗變形能力;但當纖維摻量逐漸增大時,其在拌和過程中易結團,難以均勻分散,導致混凝土內部出現空洞,從而影響抗變形能力。

4 結 論

(1)玄武巖纖維具有改善混凝土的破壞形態,減緩裂紋出現的速度,并抑制混凝土裂縫開展的能力。

(2)長度為12 mm 的玄武巖纖維對混凝土立方體單軸抗壓強度的增強效果優于18 mm 的纖維;對纖維長度為12 mm、養護齡期為7 d 的玄武巖纖維混凝土來說,體積摻量為0.05%的增強效果最佳,而對養護齡期為28 d 的玄武巖纖維混凝土來說,體積摻量為0.10%的增強效果最佳。

(3)適量摻入玄武巖纖維有利于提升混凝土的劈裂抗拉強度,體積摻量0.05%和0.10%情況下的增強效果優于體積摻量0.20%情況下。 纖維體積摻量0.10%情況下,對養護齡期7 d 的混凝土來說,纖維長度以18 mm 為佳;對養護齡期28 d 的混凝土來說,纖維長度12 mm 為佳。

(4)在混凝土受力破壞的過程中,玄武巖纖維能夠提高混凝土的抗變形能力,從而提升混凝土的抗壓韌性。 長度12 mm 的玄武巖纖維在體積摻量為0.05%時對混凝土抗壓韌性提升最顯著。