玄武岩纤维对混凝土力学性能影响与增韧分析

许泽宁 鲍 犇 姚华彦 沈 筠 孙 磊

(1.安徽省交通控股集团有限公司,安徽 合肥 230088;2.合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

混凝土是目前建筑领域广泛使用的工程材料,但同时也存在脆性明显、抗拉强度低、易开裂等缺点,通过掺入纤维以改善混凝土的物理力学性能越来越受到重视[1-2]。 玄武岩纤维具有较高的弹性模量和拉伸强度,化学稳定性好,逐渐成为混凝土增强领域的热点材料。

近年来,国内外学者对玄武岩纤维混凝土的力学性能开展了系列研究[3-4]。 周浩等[5]研究发现,玄武岩纤维体积掺量为0.3%～0.4%时,混凝土的抗压、抗折强度提升最大,掺量继续增大则会造成力学性能降低;李福海等[6]研究表明,随着玄武岩纤维掺量的增大,抗压和劈裂抗拉强度呈现先上升后下降的趋势,在纤维掺量为0.3%时2 个强度同时达到最大。此外,一些学者[7-9]结合扫描电镜(SEM)等微观分析手段探讨了玄武岩纤维对混凝土强度影响的机理,主要认为:纤维之间相互搭接,共同构成网状结构,有利于增强混凝土的整体性;同时,玄武岩纤维有效地抑制了混凝土内部大体积孔隙的生成。 这些研究为深入认识玄武岩纤维对混凝土力学性能的影响规律和机制提供了参考。

普通混凝土在破坏时具有显著的脆性特征,而纤维增强混凝土则有良好的韧性。 韧性反映了材料抵抗破坏的能力,因此,一些学者将韧性指标也作为评价纤维对混凝土力学性能提升效果的指标[10]。 邓明科等[11]研究了高延性纤维对混凝土抗压韧性的影响,结果表明,纤维在混凝土内部形成桥联作用,使试件的抗压韧性明显提高;江世永等[12]的试验表明,高韧性纤维混凝土具有较强的压缩韧性,在裂缝发展及破坏模式上与普通混凝土存在明显的区别。 不同学者对韧性指标的选择和评价方法也有不同观点[13],目前这方面的研究仍有待进一步深入。

本试验结合安徽某高速公路中混凝土的实际应用情况,研究了不同长度和不同掺量玄武岩短切纤维对混凝土力学特性的影响,并基于抗压强度峰值韧度分析了玄武岩纤维对混凝土的增韧效果,为工程应用提供参考依据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

本次试验水泥选用海螺P·O 42.5 普通硅酸盐水泥,表观密度为3 100 kg/m3;粗骨料采用安徽爱德森堡控股公司生产的连续级配碎石,粒径为4. 75 ～26.5 mm,堆积密度为1 610 kg/m3,表观密度为2 667 kg/m3;细骨料采用普通河砂,细度模数为2.5,表观密度为2 740 kg/m3,级配良好;粉煤灰采用实验室一级粉煤灰;玄武岩纤维采用江苏天龙玄武岩连续纤维股份有限公司生产的短切纤维,长度为12 mm 和18 mm。 混凝土配合比设计见表1,纤维的基本物理力学性能见表2。

表1 混凝土配合比设计Table 1 Design of concrete mix proportion

表2 玄武岩纤维基本物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of basalt fiber

1.2 试件制备

制备100 mm×100 mm×100 mm 的立方体试件进行单轴抗压试验,制备直径100 mm、高100 mm 圆柱体试件开展巴西劈裂试验。 试验分别考虑7 d 和28 d 两个龄期。 纤维掺量采用体积掺量,考虑0.05%、0.10%、0.20%共3 种,与素混凝土进行对照试验,3个试件为1 组。

参照《纤维混凝土试验方法和标准》(CECS 13/2009),采用20 L 混凝土搅拌机进行试件制备:先向混凝土搅拌机中加入一定质量的粗集料、细集料及胶凝材料,启动机器干拌30 s;将一定量的玄武岩纤维人工均匀地抛洒在搅拌机内,搅拌30 s;将水和外加剂均匀缓慢地加入搅拌机中,持续搅拌120 s 至搅拌均匀;人工装模并放置在振动台上振动30 s,至无气泡冒出;1 d 后脱模,将试件放入标准养护室(温度20±2 ℃,相对湿度95%)养护7 d 和28 d,之后开展力学试验。

1.3 试验加载

使用中国科学院武汉岩土力学研究所研制的岩石/混凝土压剪试验装置,采用位置控制加载,加载速率为0.18 mm/min。

2 纤维对混凝土力学性能的影响

2.1 试验现象及破坏形态

图1 为混凝土单轴抗压和劈裂破坏典型形态。立方体单轴抗压强度试验中,随着荷载加载,素混凝土试件侧向发生显著膨胀,当达到极限荷载时,试件四周表面的混凝土会发生脱落;继续加载时,混凝土试件开裂,并伴随有碎片掉落(图1(a)所示)。 对于掺入玄武岩纤维的混凝土试件,达到极限荷载开裂后,尽管裂纹不断扩展,但试件裂而不碎,图1(b)为纤维混凝土试件(纤维长度12 mm、体积掺量0.10%)受压破坏形态。

图1 混凝土单轴抗压和劈裂破坏形态Fig.1 Failure modes of concrete under uniaxial compression and splitting

在劈裂抗拉试验中,荷载施加在素混凝土上时,裂纹出现速度较快,到极限荷载时裂纹贯穿整个试件(图1(c))。 混凝土中掺入玄武岩纤维后,持续加载到极限荷载时,基体开裂,纤维继续承受拉应力,试件出现裂纹速度变缓,裂纹出现到贯穿整个试件有一定的缓冲时间,图1(d)为纤维混凝土试件(纤维长度18 mm、体积掺量0.05%)受拉破坏形态。

2.2 玄武岩纤维混凝土抗压性能

混凝土立方体单轴抗压试验结果如表3 所示。

表3 混凝土单轴抗压试验结果Table 3 Results of concrete uniaxial compression test

由表3 可知,适量掺入长度12 mm 的玄武岩纤维,试件的抗压强度上升,过量则导致抗压强度下降;纤维掺量为0.05%、0.10%,龄期为7 d 的混凝土试件的平均抗压强度分别为27.51 MPa 和25.24 MPa,较素混凝土分别提升17. 5%和7. 8%;纤维掺量为0.05%、0.10%,龄期为28 d 的混凝土试件的平均抗压强度分别为34.01 MPa 和35.91 MPa,较素混凝土分别提升7.9%和14.0%。 适量掺入长度18 mm 的玄武岩纤维,试件的抗压强度上升,过量则导致抗压强度下降;纤维掺量为0.05%、0.10%,龄期为7 d 的混凝土试件的平均抗压强度分别为26. 59 MPa 和23.58 MPa,较素混凝土分别提升13.6%和0.7%;纤维掺量为0.05%、0.10%,龄期为28 d 的混凝土试件的平均抗压强度分别为33.83 MPa 和31.82 MPa,较素混凝土分别提升7.4%和1.0%。

2.3 玄武岩纤维混凝土劈裂抗拉性能

混凝土圆柱体劈裂抗拉试验结果如表4 所示。

表4 混凝土劈裂抗拉试验结果Table 4 Results of concrete splitting tensile test

由表4 可知,掺入玄武岩纤维,混凝土的劈裂抗拉强度均有所提升。 纤维长度为12 mm、掺量为0.10%情况下,7 d 和28 d 龄期混凝土劈裂抗拉强度分别为1.80 MPa 和2.33 MPa,比素混凝土分别提高19.2%和15.9%。 纤维长度为18 mm、掺量为0.10%情况下,7 d 龄期时,混凝土劈裂抗拉强度最大,比素混凝土提升25.8%;纤维掺量为0.05%情况下,28 d龄期时,混凝土劈裂抗拉强度最大,比素混凝土提高9.4%。

3 玄武岩纤维对混凝土的增韧机理分析

混凝土立方体单轴压缩应力—应变曲线如图2所示。

图2 玄武岩纤维混凝土单轴应力—应变曲线Fig.2 Uniaxial stress-strain curves of basalt fiber concrete

由图2 可知,与素混凝土相比,玄武岩纤维混凝土应力—应变曲线与横坐标轴所围成的面积更大,表明玄武岩纤维混凝土在受压破坏过程中吸收的能量更多;随着纤维掺量的增大,脆性反而上升,峰值强度和残余强度都呈下降趋势,说明适量掺入玄武岩纤维,混凝土韧性提高,抵御变形的能力增强。

已有研究均表明,纤维混凝土比素混凝土有更强的韧性[14-15]是纤维混凝土的优点之一。 目前计算和评价纤维混凝土的韧性方法较多,本研究采用峰值韧度[16]进行评价。 峰值韧度Rp定义为:峰值点之前的应力—应变曲线的面积,如图3 所示。 不同纤维长度及纤维掺量下,养护龄期28 d 的立方体峰值韧度Rp的变化见图4。

图3 玄武岩纤维混凝土韧度Rp 计算Fig.3 Calculation of toughness Rp of basalt fiber concrete

图4 峰值韧度Rp 与玄武岩纤维掺量的关系Fig.4 Relationship between peak toughness Rp and basalt fiber content

由图4 可知,在试验纤维掺量范围内,玄武岩纤维混凝土的抗压韧性相对素混凝土整体上均有所提高;对于2 种长度的纤维,掺量为0.05%时,抗压韧性提升最大,此时长度12 mm 比18 mm 的纤维增韧效果更好,2 种情况下峰值韧度Rp分别达到0.400 和0.385,相比于素混凝土提升75.4%和68. 9%;纤维掺量从0.05%提高至0.20%,峰值韧度Rp降低。 纤维掺量影响机制推测为:纤维之间相互联接,具有阻裂作用,同时纤维受力变形消耗能量,从而提高混凝土的抵抗变形能力;但当纤维掺量逐渐增大时,其在拌和过程中易结团,难以均匀分散,导致混凝土内部出现空洞,从而影响抗变形能力。

4 结 论

(1)玄武岩纤维具有改善混凝土的破坏形态,减缓裂纹出现的速度,并抑制混凝土裂缝开展的能力。

(2)长度为12 mm 的玄武岩纤维对混凝土立方体单轴抗压强度的增强效果优于18 mm 的纤维;对纤维长度为12 mm、养护龄期为7 d 的玄武岩纤维混凝土来说,体积掺量为0.05%的增强效果最佳,而对养护龄期为28 d 的玄武岩纤维混凝土来说,体积掺量为0.10%的增强效果最佳。

(3)适量掺入玄武岩纤维有利于提升混凝土的劈裂抗拉强度,体积掺量0.05%和0.10%情况下的增强效果优于体积掺量0.20%情况下。 纤维体积掺量0.10%情况下,对养护龄期7 d 的混凝土来说,纤维长度以18 mm 为佳;对养护龄期28 d 的混凝土来说,纤维长度12 mm 为佳。

(4)在混凝土受力破坏的过程中,玄武岩纤维能够提高混凝土的抗变形能力,从而提升混凝土的抗压韧性。 长度12 mm 的玄武岩纤维在体积掺量为0.05%时对混凝土抗压韧性提升最显著。