許澤寧 鮑 犇 姚華彥 沈 筠 孫 磊

(1.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司,安徽 合肥 230088;2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

混凝土是目前建筑領(lǐng)域廣泛使用的工程材料,但同時(shí)也存在脆性明顯、抗拉強(qiáng)度低、易開裂等缺點(diǎn),通過摻入纖維以改善混凝土的物理力學(xué)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(qiáng)度,化學(xué)穩(wěn)定性好,逐漸成為混凝土增強(qiáng)領(lǐng)域的熱點(diǎn)材料。

近年來,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)玄武巖纖維混凝土的力學(xué)性能開展了系列研究[3-4]。 周浩等[5]研究發(fā)現(xiàn),玄武巖纖維體積摻量為0.3%～0.4%時(shí),混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度提升最大,摻量繼續(xù)增大則會(huì)造成力學(xué)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(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,在纖維摻量為0.3%時(shí)2 個(gè)強(qiáng)度同時(shí)達(dá)到最大。此外,一些學(xué)者[7-9]結(jié)合掃描電鏡(SEM)等微觀分析手段探討了玄武巖纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度影響的機(jī)理,主要認(rèn)為:纖維之間相互搭接,共同構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),有利于增強(qiáng)混凝土的整體性;同時(shí),玄武巖纖維有效地抑制了混凝土內(nèi)部大體積孔隙的生成。 這些研究為深入認(rèn)識(shí)玄武巖纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律和機(jī)制提供了參考。

普通混凝土在破壞時(shí)具有顯著的脆性特征,而纖維增強(qiáng)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(xué)者將韌性指標(biāo)也作為評(píng)價(jià)纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能提升效果的指標(biāo)[10]。 鄧明科等[11]研究了高延性纖維對(duì)混凝土抗壓韌性的影響,結(jié)果表明,纖維在混凝土內(nèi)部形成橋聯(lián)作用,使試件的抗壓韌性明顯提高;江世永等[12]的試驗(yàn)表明,高韌性纖維混凝土具有較強(qiáng)的壓縮韌性,在裂縫發(fā)展及破壞模式上與普通混凝土存在明顯的區(qū)別。 不同學(xué)者對(duì)韌性指標(biāo)的選擇和評(píng)價(jià)方法也有不同觀點(diǎn)[13],目前這方面的研究仍有待進(jìn)一步深入。

本試驗(yàn)結(jié)合安徽某高速公路中混凝土的實(shí)際應(yīng)用情況,研究了不同長度和不同摻量玄武巖短切纖維對(duì)混凝土力學(xué)特性的影響,并基于抗壓強(qiáng)度峰值韌度分析了玄武巖纖維對(duì)混凝土的增韌效果,為工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)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(chǎn)的連續(xù)級(jí)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(xì)骨料采用普通河砂,細(xì)度模數(shù)為2.5,表觀密度為2 740 kg/m3,級(jí)配良好;粉煤灰采用實(shí)驗(yàn)室一級(jí)粉煤灰;玄武巖纖維采用江蘇天龍玄武巖連續(xù)纖維股份有限公司生產(chǎn)的短切纖維,長度為12 mm 和18 mm。 混凝土配合比設(shè)計(jì)見表1,纖維的基本物理力學(xué)性能見表2。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)Table 1 Design of concrete mix proportion

表2 玄武巖纖維基本物理力學(xué)參數(shù)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(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn),制備直徑100 mm、高100 mm 圓柱體試件開展巴西劈裂試驗(yàn)。 試驗(yàn)分別考慮7 d 和28 d 兩個(gè)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(jìn)行對(duì)照試驗(yàn),3個(gè)試件為1 組。

參照《纖維混凝土試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 13/2009),采用20 L 混凝土攪拌機(jī)進(jìn)行試件制備:先向混凝土攪拌機(jī)中加入一定質(zhì)量的粗集料、細(xì)集料及膠凝材料,啟動(dòng)機(jī)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(jī)內(nèi),攪拌30 s;將水和外加劑均勻緩慢地加入攪拌機(jī)中,持續(xù)攪拌120 s 至攪拌均勻;人工裝模并放置在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)30 s,至無氣泡冒出;1 d 后脫模,將試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度20±2 ℃,相對(duì)濕度95%)養(yǎng)護(hù)7 d 和28 d,之后開展力學(xué)試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)加載

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

2 纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

圖1 為混凝土單軸抗壓和劈裂破壞典型形態(tài)。立方體單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中,隨著荷載加載,素混凝土試件側(cè)向發(fā)生顯著膨脹,當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí),試件四周表面的混凝土?xí)l(fā)生脫落;繼續(xù)加載時(shí),混凝土試件開裂,并伴隨有碎片掉落(圖1(a)所示)。 對(duì)于摻入玄武巖纖維的混凝土試件,達(dá)到極限荷載開裂后,盡管裂紋不斷擴(kuò)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(tài)。

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

在劈裂抗拉試驗(yàn)中,荷載施加在素混凝土上時(shí),裂紋出現(xiàn)速度較快,到極限荷載時(shí)裂紋貫穿整個(gè)試件(圖1(c))。 混凝土中摻入玄武巖纖維后,持續(xù)加載到極限荷載時(shí),基體開裂,纖維繼續(xù)承受拉應(yīng)力,試件出現(xiàn)裂紋速度變緩,裂紋出現(xiàn)到貫穿整個(gè)試件有一定的緩沖時(shí)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(tài)。

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(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 混凝土單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度上升,過量則導(dǎo)致抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度上升,過量則導(dǎo)致抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表4 混凝土劈裂抗拉試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)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(qiáng)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(shí),混凝土劈裂抗拉強(qiáng)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(shí),混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度最大,比素混凝土提高9.4%。

3 玄武巖纖維對(duì)混凝土的增韌機(jī)理分析

混凝土立方體單軸壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2 玄武巖纖維混凝土單軸應(yīng)力—應(yīng)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(yīng)力—應(yīng)變曲線與橫坐標(biāo)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(qiáng)度和殘余強(qiáng)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(qiáng)。

已有研究均表明,纖維混凝土比素混凝土有更強(qiáng)的韌性[14-15]是纖維混凝土的優(yōu)點(diǎn)之一。 目前計(jì)算和評(píng)價(jià)纖維混凝土的韌性方法較多,本研究采用峰值韌度[16]進(jìn)行評(píng)價(jià)。 峰值韌度Rp定義為:峰值點(diǎn)之前的應(yīng)力—應(yīng)變曲線的面積,如圖3 所示。 不同纖維長度及纖維摻量下,養(yǎng)護(hù)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(jì)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(guān)系Fig.4 Relationship between peak toughness Rp and basalt fiber content

由圖4 可知,在試驗(yàn)纖維摻量范圍內(nèi),玄武巖纖維混凝土的抗壓韌性相對(duì)素混凝土整體上均有所提高;對(duì)于2 種長度的纖維,摻量為0.05%時(shí),抗壓韌性提升最大,此時(shí)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(dá)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(jī)制推測為:纖維之間相互聯(lián)接,具有阻裂作用,同時(shí)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(dāng)纖維摻量逐漸增大時(shí),其在拌和過程中易結(jié)團(tuán),難以均勻分散,導(dǎo)致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)空洞,從而影響抗變形能力。

4 結(jié) 論

(1)玄武巖纖維具有改善混凝土的破壞形態(tài),減緩裂紋出現(xiàn)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(duì)混凝土立方體單軸抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果優(yōu)于18 mm 的纖維;對(duì)纖維長度為12 mm、養(yǎng)護(hù)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(qiáng)效果最佳,而對(duì)養(yǎng)護(hù)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(qiáng)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(qiáng)度,體積摻量0.05%和0.10%情況下的增強(qiáng)效果優(yōu)于體積摻量0.20%情況下。 纖維體積摻量0.10%情況下,對(duì)養(yǎng)護(hù)齡期7 d 的混凝土來說,纖維長度以18 mm 為佳;對(duì)養(yǎng)護(hù)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(shí)對(duì)混凝土抗壓韌性提升最顯著。