混雜纖維摻量對纖維混凝土變角剪切的影響

張遠(yuǎn)哲

(安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001)

0 前 言

以往采用水泥、石子、砂漿等所制作成的混凝土有不耐拉力以及質(zhì)地偏脆等主要缺點(diǎn)，而且其他物理強(qiáng)度也相對較為弱勢。但是在加入其他纖維物質(zhì)后，即可卓有成效地克服此類弱點(diǎn)，并使得該種混凝土的物理強(qiáng)度更為理想。針對原始混凝土的各種缺陷情況，專家和學(xué)者對各式纖維與混凝土混合而產(chǎn)生的復(fù)合材料進(jìn)行了大量研究，相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明：纖維物質(zhì)在混凝土中的摻入，可以在一定程度上彌補(bǔ)混凝土原先的弱勢性質(zhì)，并有效提高其某些方面的物理特性。管新建[1]研究表明，鋼纖維混凝土有著理想的物理強(qiáng)度，可以有效增強(qiáng)纖維混凝土的抗裂能力，石林平[2]研究得出，碳纖維能夠有效地改善纖維混凝土的抗拉性能，楊毅夫[3]實(shí)驗(yàn)表明，竹纖維的摻入可以有效提高鋼筋混凝土的力學(xué)水平。

可是單種纖維摻量對混凝土性能提升畢竟有局限性，有學(xué)者提出：兩種或兩種以上纖維同時(shí)摻入能夠有效優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)，提高其力學(xué)性能。羅振帥[4]研究表明，硅灰和聚合物乳液能夠降低混凝土的開口孔隙率，提高其密實(shí)程度，改善宏觀力學(xué)性能。楊楠[5]設(shè)計(jì)試驗(yàn)得出了加入較低摻量的GF和PP纖維，能夠轉(zhuǎn)變混凝土的脆性及易于被破壞的特征，張海波[6]實(shí)驗(yàn)表明，鋼纖維和聚丙烯纖維混雜對于混凝土的增強(qiáng)增韌有著一定的影響。本文通過研究三種不同摻量材料下的混凝土，并按照比例標(biāo)準(zhǔn)將其制作成27個(gè)50 mm×50 mm×50 mm的實(shí)驗(yàn)用試塊，全部標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，對試塊進(jìn)行多次的變角剪切，研究并分析三種不同的摻量對該種混凝土抗剪強(qiáng)度的影響關(guān)系。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料與配合比

石子選用集料粒徑為5～15 mm的安徽省淮南市八公山地區(qū)的瓜子片型石子；陶粒采用淮南市的頁巖陶粒；細(xì)集料采用淮南市某公司生產(chǎn)，經(jīng)過細(xì)度模數(shù)為2.8的篩子進(jìn)行篩分后的中粗粒河沙及粒徑低于5 mm的疏松多孔狀陶粒組成；?；⒅椋翰捎没茨鲜心彻旧a(chǎn)的，粒徑大小為0.15～0.5 mm的閉孔憎水?；⒅椋⑶以谑褂弥?，使其淋水充分，以防止過度吸水；玄武巖纖維，采用淮南某纖維公司生產(chǎn)的，纖維長度為15 mm的玄武巖纖維。其他性能參數(shù)如表1所示；水泥為試驗(yàn)用滿足規(guī)范對纖維混凝土的要求與標(biāo)準(zhǔn)的淮南八公山牌P·O·42.5級普硅酸鹽水泥；粉煤灰為一級粉煤灰；植物纖維采用的是經(jīng)過SH膠處理，提升其抗腐蝕性能的淮南市某公司的農(nóng)作物秸稈；減水劑采用的是減水率≥25%的高性能減水劑。

表1 玄武巖的纖維性能參數(shù)

1.2 試件制備

在混凝土的設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出如表2所示的三種摻量因素參考下的水平正交試驗(yàn)方案，設(shè)置陶粒摻量、玄武巖纖維摻量以及植物纖維摻量共三種摻量因素。每個(gè)因素對應(yīng)三組水平，將9組混凝土試樣的試驗(yàn)配比列出。其他試驗(yàn)材料配比如表3所示。

表2 正交試驗(yàn)方案

表3 基準(zhǔn)混凝土配比 單位：kg/m3

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)為三種混雜摻量的混凝土的變角剪切實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)分別選取45°、55°以及65°三種不同的剪切角度進(jìn)行變角剪切，通過改變夾具的角度，來改變混凝土的剪切角度，從而實(shí)現(xiàn)對不同摻量下混雜纖維混凝土的正應(yīng)力和剪應(yīng)力以及其峰值荷載三個(gè)數(shù)據(jù)的測定，并且研究三種不同摻量對于正應(yīng)力和剪應(yīng)力的影響關(guān)系。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

將試驗(yàn)所用的夾具調(diào)整到角度分別為45°、55°以及65°，并且以3 mm/min的加載速率進(jìn)行，直到試驗(yàn)試件被破壞為止。統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并繪制出試驗(yàn)結(jié)果，如圖1所示。

(a)正應(yīng)力組

(b)剪應(yīng)力組

(c)峰值性能圖1 正應(yīng)力、剪應(yīng)力及峰值性能的試驗(yàn)結(jié)果

圖1中，橫軸數(shù)字為試樣組號，如1對應(yīng)第一個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以此類推可知其他試驗(yàn)數(shù)據(jù)組號情況。且三段折線段從左到右分別對應(yīng)A、B和C組摻量的數(shù)值大小。

2.2 極差分析

由表4的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，三種摻量對于正應(yīng)力、剪應(yīng)力、峰值荷載的影響順序，在45°和55°時(shí)均為：陶粒摻量>植物纖維摻量>玄武巖纖維摻量，剪切角度為65°時(shí)，則均為：玄武巖纖維摻量>植物纖維摻量>陶粒摻量。

表4 極差分析結(jié)果

2.3 單變量分析

對同一因素下不同角度的正應(yīng)力、剪應(yīng)力、峰值荷載變化關(guān)系，進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖2～4所示。

(a)

(b)

(c)圖2 同一因素不同角度正應(yīng)力變化關(guān)系

(a)

(b)

(c)圖3 同一因素不同角度剪應(yīng)力變化關(guān)系

(a)

(b)

(c)圖4 同一因素不同角度峰值荷載變化關(guān)系

注：A、B和C分別代表陶粒摻量組，玄武巖纖維摻量組和植物纖維摻量組，數(shù)字代表試驗(yàn)組號，如A1為陶粒摻量的第一組試驗(yàn)，以此類推。

由圖2～3走勢可知，正應(yīng)力剪應(yīng)力有著相似的數(shù)值變化關(guān)系，下面做進(jìn)一步分析。各組同角度下正應(yīng)力與剪應(yīng)力的摻量減驗(yàn)結(jié)果圖5～7所示，3種不同角度下的正應(yīng)力分析與剪應(yīng)力分析如圖8～9所示。

(a)

(b)

(c)圖5 摻量A組試驗(yàn)

(a)

(b)

(c)圖6 摻量B組試驗(yàn)

圖7 摻量C組試驗(yàn)注：A，B，C三組45°試驗(yàn)組中的數(shù)據(jù)圖像重合，故只顯示一條。

(a)

(c)圖8 三種角度下的正應(yīng)力分析

(a)

(b)

(c)圖9 三種角度下的剪應(yīng)力分析

綜合上述試驗(yàn)論證，結(jié)合圖5～7可進(jìn)一步證實(shí)：正應(yīng)力與剪應(yīng)力具有著相似的變化關(guān)系。故在后文中對兩種力的統(tǒng)述為該纖維混凝土的抗剪強(qiáng)度。

由表4可知，當(dāng)剪切角度為45°和55°時(shí)，摻量對于抗剪強(qiáng)度的影響順序?yàn)椋禾樟搅?植物纖維摻量>玄武巖纖維摻量，而當(dāng)角度為65°時(shí)，影響順序則為：玄武巖纖維摻量>植物纖維摻量>陶粒摻量。

先行討論45°和55°下的三種不同類型摻量對于纖維混凝土的抗剪強(qiáng)度的影響。當(dāng)剪切角度為45°時(shí)，隨著陶粒和植物纖維摻量不斷增加，該纖維混凝土的抗剪性能均持續(xù)下降，而當(dāng)剪切角度為55°時(shí)，陶粒摻量和植物纖維摻量增加，纖維混凝土的抗剪性能先小幅度上升，而后再有一定幅度的下降。而在45°和55°時(shí)，綜合摻量對于抗剪強(qiáng)度的影響順序以及三種摻量的物理性質(zhì)可知：45°時(shí)陶粒和植物纖維組持續(xù)下降是因?yàn)樘樟Ｙ|(zhì)地顯脆性，且有質(zhì)地疏松的多孔結(jié)構(gòu)，而摻量的增多使得陶粒逐漸取代了粗骨料成為該纖維混凝土的承力骨架，使得陶粒的孔洞處應(yīng)力集中現(xiàn)象愈發(fā)明顯，導(dǎo)致抗剪性能持續(xù)降低。而當(dāng)剪切角度為65°時(shí)，抗剪性能均有所下降。但也出現(xiàn)了隨著摻量的增加，抗剪性能卻幾乎不發(fā)生變動的情況，原因在于：陶粒的孔洞相互交錯(cuò)，使得另外兩種纖維相互交織連接，形成了空間立體狀的網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，平衡了一部分應(yīng)力集中的現(xiàn)象，減緩了抗剪性能的下降的趨勢。當(dāng)剪切角度為55°時(shí)，玄武巖纖維摻量增加卻使得該種纖維混凝土的抗剪性能以極小幅度上升也是同理。當(dāng)剪切角度為45°和65°時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨著玄武巖纖維摻量的增加先減小后回升。

3 結(jié) 論

1)在45°和55°時(shí)三種摻量對該纖維混凝土的正應(yīng)力、剪應(yīng)力、峰值荷載的影響順序?yàn)樘樟搅?植物纖維摻量>玄武巖纖維摻量，而當(dāng)角度為65°時(shí)，均為玄武巖纖維摻量>植物纖維摻量>陶粒摻量。

2)陶粒摻量和植物纖維摻量增大，使得纖維混凝土抗剪性能降低；玄武巖纖維的摻量增大，使得纖維混凝土抗剪性能先減小后增大。

3)纖維在混凝土中均勻分布，穿插在陶粒的孔洞中，會形成空間立體狀的網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，減緩抗剪強(qiáng)度隨著摻量增加而減小的情況。

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