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      玄武巖纖維混凝土優(yōu)化設(shè)計(jì)及力學(xué)特性研究

      2023-01-17 05:40:54
      山西建筑 2022年22期
      關(guān)鍵詞:抗拉玄武巖骨料

      何 龍

      (新疆額爾齊斯河投資開發(fā)(集團(tuán))有限公司,新疆 烏魯木齊 830000)

      0 引言

      加纖混凝土為一種較新型的水泥基復(fù)合材料,它具有較佳的抗彎拉、抗阻裂限縮、抗沖擊性能,在防滲、耐凍能力等方面也表現(xiàn)突出,適用于多種工程環(huán)境。玄武巖纖維(Basalt Fiber 簡稱BF)以玄武巖為原料,經(jīng)高溫熔融后快速拉制而成的連續(xù)纖維,具有耐高溫、耐低溫、阻燃等卓越的綜合物理性能,此外其相容性好,熱穩(wěn)定性、抗老化性優(yōu)異,拉伸強(qiáng)度高于大絲束碳纖維[1-4]。

      V. Ramakrishnan等[5]表明玄武巖纖維體積率在混凝土中高達(dá)0.5%的情況下,混凝土仍保有不錯(cuò)的性能。董國義等研究發(fā)現(xiàn),玄武巖纖維對(duì)混凝土抗壓性能的提升起到了顯著的效果,較普通混凝土而言抗壓強(qiáng)度提高了12.2%~14.8%[6]。廉杰等[7]發(fā)現(xiàn)在混凝土中摻入較短的玄武巖纖維時(shí),混凝土可較早獲得較高的強(qiáng)度。王興舟等[8]表明玄武巖纖維混凝土較普通混凝土軸心抗壓強(qiáng)度高。李韌等[9]通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),在混凝土中加入短切玄武巖纖維后,其抗折強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度均受到明顯影響,隨著短切玄武巖纖維體力摻量的增大,其劈裂抗拉強(qiáng)度會(huì)先下降后提升。玄武巖纖維作為工程常用的集中纖維材料,摻入到普通水泥混凝土中形成新型的纖維混凝土,其綜合性能優(yōu)于普通水泥混凝土[10-15],但現(xiàn)在關(guān)于玄武巖纖維體積混凝土優(yōu)化設(shè)計(jì)及力學(xué)特性研究有待進(jìn)一步研究,因而展開了不同玄武巖纖維體積摻量的改性混凝土的力學(xué)變形的試驗(yàn)研究。

      本文以摻加體積率為0.00%,0.05%,0.10%,0.20%,0.30%,0.40%以及0.50%的玄武巖纖維配置出的玄武巖纖維改性混凝土為研究對(duì)象,研究玄武巖纖維摻加體積率對(duì)玄武巖纖維改性混凝土物理性質(zhì)及力學(xué)性能的影響,并在此基礎(chǔ)上找出玄武巖纖維的最佳摻量,為實(shí)際工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

      1 試驗(yàn)材料與方法

      1.1 配合比設(shè)計(jì)

      基于混凝土配合比規(guī)范,在C40混凝土的基礎(chǔ)上分別加入體積率為0.00%,0.05%,0.10%,0.20%,0.30%,0.40%,0.50%的玄武巖纖維,并分別記為BF0.00,BF0.05,BF0.10,BF0.20,BF0.30,BF0.40,BF0.50,獲得各體積率玄武巖纖維改性混凝土的配合比。其中,加入體積率為0.00%玄武巖纖維的混凝土為對(duì)照組,即普通混凝土。各體積率玄武巖纖維改性混凝土具體配合比見表1。

      表1 混凝土配比表

      1.2 試件制備

      玄武巖纖維一般為簇狀,需將其打散才能用于改性混凝土制作,因而首先將其加入到稱量好的細(xì)骨料之中,讓玄武巖纖維與細(xì)骨料攪拌均勻,然后再通過手的揉搓及振搗棒的振動(dòng),借助細(xì)骨料的摩檫力,使玄武巖纖維充分離散,均勻分布在細(xì)骨料中,而后分別加入稱量好的粗骨料、水泥、水等,攪拌均勻。

      選用直徑50 mm完整模具,清理內(nèi)壁并刷上一層油,以便后面脫模;將混合均勻玄武巖纖維、細(xì)骨料、粗骨料、水及減水劑分次導(dǎo)入模具,并使用振搗棒充分振動(dòng)以便試件裝填密實(shí);待各試件放置陰涼處養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行切割打磨。

      1.3 試驗(yàn)種類及數(shù)量

      分別選取玄武巖纖維摻量為0.00%,0.05%,0.10%,0.20%,0.30%,0.40%,0.50%各7種改性混凝土試件,每種玄武巖纖維摻量的改性混凝土試件5個(gè)。本次試驗(yàn)共需試件70個(gè),用于單軸抗拉試驗(yàn)、劈裂抗拉試驗(yàn)的試件各35個(gè),其中,單軸抗拉試件為直徑50 mm、高100 mm的圓柱體,劈裂抗拉試件為直徑50 mm、高50 mm的圓柱體。

      2 物理及力學(xué)測(cè)試結(jié)果

      2.1 試件物理性質(zhì)

      首先對(duì)自然狀態(tài)下各體積率玄武巖纖維改性混凝土試件的密度、比重、含水率及縱波波速進(jìn)行測(cè)試,其物理參數(shù)如表2所示。

      表2 試件基本物理參數(shù)

      試件密度隨混凝土中玄武巖纖維摻量的增加而減小,分析原因?yàn)椋涸谠嚰闹谱鲿r(shí),由于工藝不佳,使得玄武巖纖維在混凝土中分布不均勻,很容易結(jié)團(tuán),最終導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙率增大,并且隨著玄武巖纖維摻量的增多,結(jié)團(tuán)現(xiàn)象愈發(fā)明顯,但其減小數(shù)值很小,其最大變化量不超過試件最小密度數(shù)值的3%,且試件的波速基本未受到玄武巖纖維的影響。

      2.2 試件力學(xué)性質(zhì)

      2.2.1 單軸抗壓試驗(yàn)

      摻入體積率為0.05%,0.10%,0.20%,0.30%,0.40%,0.50%的玄武巖纖維,這些用玄武巖纖維改性過的玄武巖纖維改性混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為52.97 MPa,55.82 MPa,54.70 MPa,50.62 MPa,44.03 MPa,44.97 MPa,與普通混凝土抗壓強(qiáng)度42.30 MPa相比,玄武巖纖維改性混凝土抗壓強(qiáng)度均有所提高,其分別提高了25.22%,31.96%,29.31%,19.67%,4.09%,6.31%。

      普通混凝土極限狀態(tài)下的應(yīng)變?yōu)?.40×10-3,在普通混凝土的基礎(chǔ)上,分別摻入體積率為0.05%,0.10%,0.20%,0.30%,0.40%,0.50%的玄武巖纖維,這些用玄武巖纖維改性過的玄武巖纖維改性混凝土極限狀態(tài)下的應(yīng)變分別為3.94×10-3,4.34×10-3,4.64×10-3,4.28×10-3,3.88×10-3,3.90×10-3,與普通混凝土相比,其極限狀態(tài)下的應(yīng)變均有所增加,分別增加了15.88%,27.65%,36.47%,25.88%,14.12%,14.71%(見表3)。

      普通混凝土與摻入玄武巖纖維的玄武巖纖維改性混凝土的破環(huán)形態(tài)均為剪切破壞,但普通混凝土的裂縫發(fā)展較快,破壞在一瞬間完成,而且破碎程度較高,甚至試件的許多碎塊無法收集,其破壞形態(tài)具體如圖1所示。相比而言,玄武巖纖維混凝土由于試件內(nèi)部纖維的拉力,使裂縫的發(fā)展速度減慢,可以觀察到其裂縫的逐漸擴(kuò)張,破碎程度較高,但試件被破壞后較為完整,且隨著玄武巖纖維體積率的增大,當(dāng)體積率達(dá)到0.4%和0.5%時(shí),試件被破壞后完整度降低,試件碎為多個(gè)較小的混凝土塊,不過其破裂程度仍比普通混凝土低。具體如圖1所示。

      表3 不同試件應(yīng)變及抗壓強(qiáng)度

      可見,當(dāng)玄武巖纖維體積率為0.10%和0.20%時(shí)效果較好,其中,體積率為0.10%時(shí),試件的抗壓強(qiáng)度取得最大值,當(dāng)體積率為0.20%時(shí),試件極限狀態(tài)下的應(yīng)變?nèi)〉米畲笾?,但由于體積率為0.10%和0.20%時(shí)的試件抗壓強(qiáng)度變化值很小,所以整體來說,當(dāng)玄武巖纖維體積率為0.20%時(shí)為最佳。

      2.2.2 劈裂抗拉試驗(yàn)

      普通混凝土的抗拉強(qiáng)度為2.87 MPa,在普通混凝土的基礎(chǔ)上,分別摻入體積率為0.05%,0.10%,0.20%,0.30%,0.40%,0.50%的玄武巖纖維,這些用玄武巖纖維改性過的玄武巖纖維改性混凝土的抗拉強(qiáng)度分別為3.02 MPa,3.32 MPa,3.57 MPa,3.60 MPa,3.65 MPa,3.77 MPa,與普通混凝土相比,這些經(jīng)過玄武巖纖維改性過的玄武巖纖維改性混凝土抗拉強(qiáng)度均有所提高,其分別提高了5.23%,15.68%,24.39%,25.44%,27.18%,31.36%(見表4)。

      表4 試件抗拉強(qiáng)度

      普通混凝土與玄武巖纖維混凝土均沿著中線位置發(fā)生劈裂,試件均出現(xiàn)一條未貫穿的主裂縫。在試驗(yàn)過程中,試件在劈裂抗拉試驗(yàn)過程中劈裂的速度存在顯著差異,普通混凝土在加載初期不出現(xiàn)明顯變形,持續(xù)加載至極限抗拉強(qiáng)度時(shí),伴隨著脆響試件瞬時(shí)出現(xiàn)裂縫,且該裂縫迅速發(fā)展直至試件破壞。而玄武巖纖維混凝土在劈裂抗拉試驗(yàn)過程中,伴隨著持續(xù)加載,試件沿著中心線位置出現(xiàn)微小的裂縫,伴隨著脆響試件的裂縫迅速發(fā)展直至試件被破壞。相較于普通混凝土而言,玄武巖纖維混凝土試件破壞時(shí)間較長,其開裂過程可被觀察記錄,且在加載至其極限荷載時(shí),試件可較長時(shí)間保持自身強(qiáng)度,試件持續(xù)變形,最后發(fā)生破壞。

      普通混凝土在加載至其極限荷載的瞬間發(fā)生劈裂破壞,玄武巖纖維體積率為0.20%的改性混凝土則在達(dá)到其極限荷載后堅(jiān)持了較短時(shí)間,又產(chǎn)生了一定的變形后才發(fā)生了破壞,玄武巖纖維體積率為0.50%的改性混凝土在達(dá)到其極限荷載后堅(jiān)持的時(shí)間更長且又產(chǎn)生了較大的變形后,試件才被徹底破壞。試件的具體破壞形態(tài)如圖2所示。

      3 玄武巖纖維混凝土破壞機(jī)理

      3.1 抗壓破壞機(jī)理

      玄武巖纖維較為細(xì)小,抗拉強(qiáng)度較高,摻入混凝土中彌補(bǔ)了混凝土中的空隙,增強(qiáng)了其黏結(jié)性,且在混凝土中均勻分布的玄武巖纖維會(huì)形成網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造系統(tǒng),在試件中起到“筋骨”的作用,使混凝土各材料之間聯(lián)系更為緊密,從而提高混凝土整體結(jié)構(gòu)性能。

      當(dāng)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)時(shí),在初始階段,玄武巖纖維混凝土并不會(huì)出現(xiàn)明顯的橫向變形,此刻玄武巖纖維網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不會(huì)完全發(fā)揮作用;當(dāng)持續(xù)加載過程中,試件在縱向發(fā)生變形的同時(shí),其橫向也會(huì)持續(xù)膨脹變形,并產(chǎn)生許多微小裂縫,這些微小裂縫隨著加載而不斷擴(kuò)大,試件最終發(fā)生破壞。在受壓破壞過程中,混凝土試件內(nèi)的玄武巖纖維在一定程度上抵抗試件橫向的膨脹變形,玄武巖纖維抗拉強(qiáng)度較高,當(dāng)試件發(fā)生橫向的膨脹變形時(shí),玄武巖纖維的抗拉能力起到了約束試件橫向變形的作用,在一定程度上限制微小裂縫的發(fā)展,從而使混凝土試件的抗壓強(qiáng)度提高。

      如圖3所示,摻入不同摻量的玄武巖纖維,對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、應(yīng)變均有所提升,但玄武巖纖維的摻量并非越多越好。由圖3還可以看出,隨著玄武巖纖維體積率的增加,混凝土試件的抗壓強(qiáng)度的提高程度呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢(shì)。玄武巖纖維體積率從0.05%到0.10%過程,玄武巖纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度不斷增加;玄武巖纖維在體積率為0.10%時(shí),其抗壓強(qiáng)度取得最高值,此時(shí)玄武巖纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的提高達(dá)到了31.96%;之后,玄武巖纖維體積率在0.20%時(shí),試件的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)輕微的下降;當(dāng)試件中的玄武巖纖維體積率從0.20%到0.40%時(shí),其抗壓強(qiáng)度不斷減小,且減小速率不斷增大;最后,體積率從0.40%到0.50%抗拉強(qiáng)度基本保持不變。

      由圖3還可以看出,隨著玄武巖纖維體積率的增加,混凝土試件極限狀態(tài)下的應(yīng)變也呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢(shì),體積率從0.05%到0.20%時(shí),玄武巖纖維混凝土極限狀態(tài)下的應(yīng)變不斷增加,在體積率為0.20%時(shí)達(dá)到 了試件極限狀態(tài)下應(yīng)變的最大值,這時(shí)試件極限狀態(tài)下的應(yīng)變較普通混凝土增加了36.47%;當(dāng)玄武巖纖維體積率從0.20%到0.40%,試件極限狀態(tài)下的應(yīng)變不斷減小;當(dāng)玄武巖纖維體積率0.40%到0.50%,應(yīng)變基本保持不變,這時(shí)試件極限狀態(tài)下的應(yīng)變較普通混凝土僅增加了14%左右。在制作試件時(shí),玄武巖纖維在混凝土中可能存在分布不均勻的問題,容易結(jié)團(tuán),最終導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙率增大,并且隨著玄武巖纖維摻量的增多,結(jié)團(tuán)現(xiàn)象愈發(fā)明顯。故加載力時(shí)裂縫就會(huì)沿空隙發(fā)展,使試件更容易被破壞,從而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度回降。

      3.2 抗拉破壞機(jī)理

      分析得出,玄武巖纖維比較細(xì)小,且抗拉強(qiáng)度較高,摻入混凝土中,增強(qiáng)了其黏結(jié)性,而且均勻分布的玄武巖纖維,在混凝土中會(huì)形成類似于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)造,在材料中起到“筋骨”的作用,使混凝土各材料之間聯(lián)系的更為緊密,從而提高混凝土試件的整體結(jié)構(gòu)性能,限制微小裂縫的發(fā)展。在進(jìn)行試件的劈裂抗拉時(shí),玄武巖纖維也會(huì)承受一部分拉應(yīng)力,直到被拉斷,玄武巖纖維較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度使得試件的劈裂抗拉強(qiáng)度也不斷增加,并且玄武巖纖維摻量越多,阻裂效果就越明顯,承受拉應(yīng)力的玄武巖纖維不斷變多,使混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度不斷提高。

      4 結(jié)論

      為了獲得試件單軸抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨玄武巖纖維體積摻量的變化規(guī)律,以不同玄武巖纖維體積摻量的玄武巖纖維混凝土為研究對(duì)象,對(duì)其力學(xué)性能、破壞形態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)研究,得出以下結(jié)論:

      1)試件密度隨混凝土中玄武巖纖維摻量的增加而減小。

      2)隨著玄武巖纖維摻量的增加,玄武巖纖維混凝土試件的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì),其中,在0.10%纖維摻量體積率時(shí)其抗壓強(qiáng)度取得最大值,玄武巖纖維混凝土較普通混凝土抗壓強(qiáng)度提高達(dá)31.96%。在試件的制作時(shí),玄武巖纖維在混凝土中分布不均勻,易結(jié)團(tuán),導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙率增大,且隨著玄武巖纖維摻量的增多,結(jié)團(tuán)現(xiàn)象愈發(fā)明顯,故加載力時(shí)裂縫就會(huì)沿微孔隙發(fā)展,試件更易破壞,抗壓強(qiáng)度下降。

      3)隨著玄武巖纖維摻量的增加,混凝土試件隨著玄武巖纖維摻量的增加其抗拉強(qiáng)度均有所提高,其最大提升了31.36%。玄武巖纖維比較細(xì)小,且抗拉強(qiáng)度較高,玄武巖纖維的加入,在進(jìn)行試件的劈裂抗拉時(shí),玄武巖纖維較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度使得試件的劈裂抗拉強(qiáng)度也不斷增加。

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