玄武巖—鋼纖維混雜混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)及機(jī)理研究

文 可 周 珣

(1.武昌實(shí)驗(yàn)中學(xué)，湖北 武漢 430060； 2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070)

玄武巖—鋼纖維混雜混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)及機(jī)理研究

文 可1周 珣2*

(1.武昌實(shí)驗(yàn)中學(xué)，湖北 武漢 430060； 2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070)

采用浸膠玄武巖纖維和鋼纖維混雜，通過(guò)試件的抗壓和劈裂抗拉試驗(yàn)，得出纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，并提出浸膠玄武巖纖維混凝土增強(qiáng)機(jī)理的假設(shè)。試驗(yàn)結(jié)果表明：低摻量的鋼纖維和浸膠玄武巖纖維對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度均有一定的增強(qiáng)作用，且兩種纖維混雜之后擁有更好的增強(qiáng)增韌效果，但浸膠玄武巖纖維對(duì)混凝土的破壞形態(tài)方面沒(méi)有明顯的改善作用，該研究成果有一定的工程應(yīng)用參考價(jià)值。

混雜纖維，鋼纖維，浸膠玄武巖纖維，劈裂抗拉強(qiáng)度，機(jī)理分析

0 引言

混凝土是傳統(tǒng)建筑和基礎(chǔ)材料中應(yīng)用最為廣泛的一類人工石材，從社會(huì)發(fā)展以及技術(shù)進(jìn)步的角度來(lái)看，它仍將是21世紀(jì)最主要的建筑材料。但是，不可回避的是，混凝土也是一種典型的脆性材料，其自重大、抗拉強(qiáng)度低的特性也限制了混凝土的應(yīng)用范圍。針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者采取了廣泛的探索研究。目前改善混凝土抗拉強(qiáng)度低的有效方式之一是摻入高彈性模量的纖維。如鋼纖維是已經(jīng)被證明能夠大幅度改善混凝土基體的韌性，提高混凝土的各方面強(qiáng)度[1]。但鋼纖維價(jià)格較高，施工困難，且鋼纖維的種類、形態(tài)、尺寸等對(duì)纖維混凝土各方面物理性能有很大影響。而低彈性模量的纖維雖對(duì)基體有一定的增韌作用，但往往會(huì)降低基體的強(qiáng)度。因此，在考慮工程經(jīng)濟(jì)的條件下，采用單一纖維很難達(dá)到既增強(qiáng)又增韌的效果[2]。

混雜纖維混凝土是纖維混凝土的一個(gè)新的發(fā)展方向，國(guó)內(nèi)外混雜纖維混凝土的研究大多停留在纖維種類、最優(yōu)摻量的層面，而對(duì)于其基本原理的研究很少[2-11]。本文基于混凝土材料的特性，在保證混凝土和易性的條件下，同時(shí)摻入浸膠玄武巖纖維和高彈性模量的鋼纖維以形成玄武巖—鋼纖維混雜增強(qiáng)混凝土，并基于復(fù)合材料理論，通過(guò)材料的抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度，研究浸膠玄武巖纖維和鋼纖維的增強(qiáng)機(jī)理及相互之間的混雜效應(yīng)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)中使用的原材料包括：華新P.O42.5普通硅酸鹽水泥；Ⅱ 級(jí)粉煤灰；細(xì)度模數(shù)為2.6的中砂，堆積密度為1 450 kg/m3，粒徑5 mm～25 mm連續(xù)級(jí)配碎石，WS—PC聚羧酸高效減水劑，浸膠玄武巖纖維束和貝卡爾特鋼纖維。其中浸膠玄武巖纖維由短切玄武巖纖維經(jīng)環(huán)氧樹(shù)脂處理后得到。纖維混凝土的配合比參照CECS 38:2004纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中有關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。纖維的主要參數(shù)見(jiàn)表1,配合比見(jiàn)表2。

表1 纖維的主要物理力學(xué)性能

表2 C50混凝土配合比 kg/m3

制作纖維增強(qiáng)混凝土試件4組每組6個(gè)，其中每組3個(gè)做抗壓試驗(yàn)，3個(gè)做劈裂試驗(yàn)，研究纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度。試件的尺寸為邊長(zhǎng)150 mm的立方體試塊。試驗(yàn)中的主要參數(shù)設(shè)置為：玄武巖纖維體積摻量0.5%、鋼纖維體積摻量0.64%。同時(shí)，澆筑一組同強(qiáng)度的普通混凝土作為對(duì)比。

試件采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件養(yǎng)護(hù)，強(qiáng)度測(cè)試采用電液伺服機(jī)及MCC8多功能試驗(yàn)機(jī)?？箟簭?qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的測(cè)試依照GB/T 50081—2002普通混凝土力學(xué)性能測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)和CEC S13：89鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試件抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度的數(shù)據(jù)處理參照GB/T 50081—2002普通混凝土力學(xué)性能測(cè)試方法和CECS 13：89鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法進(jìn)行處理,試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 抗壓及劈裂抗拉強(qiáng)度

2.1抗壓性能

由圖1可知：纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度相比普通混凝土都有不同程度的提高。浸膠玄武巖纖維、鋼纖維、混雜纖維的提高率依次為5.6%,4.6%,6.5%。低摻量(浸膠玄武巖纖維為0.5%、鋼纖維為0.64%)下纖維對(duì)混凝土抗壓性能的提高作用有限，混雜纖維的抗壓強(qiáng)度均高于兩種單摻纖維，即混雜纖維擁有更好的增強(qiáng)效果。

由圖2可知：相比于普通混凝土破壞后裂縫大、剝落現(xiàn)象嚴(yán)重，纖維混凝土抗壓破壞后，纖維都能夠表現(xiàn)出良好的整體性，表面沒(méi)有嚴(yán)重的剝落現(xiàn)象。其中浸膠玄武巖纖維相對(duì)于鋼纖維和混雜纖維對(duì)混凝土的約束作用相對(duì)較差?；祀s纖維則表現(xiàn)出很明顯的優(yōu)勢(shì)，破壞面只能看到裂縫。

2.2劈裂抗拉性能

由圖3可知：纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度相比普通混凝土的都有不同層次的提高。浸膠玄武巖纖維、鋼纖維、混雜纖維的提高率依次為13.0%,8.7%,16.2%。本試驗(yàn)采用的是帶彎鉤(集束狀)鋼纖維，作為分散相均勻分布于水泥基體中時(shí)，纖維的形態(tài)決定了其更易于承受拉力(拉壓比明顯提高)，當(dāng)混凝土開(kāi)裂后，鋼纖維能夠起到“橋接”裂縫兩端的作用，可以有效抑制和延緩裂縫發(fā)展，起到增強(qiáng)混凝土力學(xué)強(qiáng)度的作用，試塊破壞面呈不規(guī)則狀，可以看見(jiàn)鋼纖維從基體中拔出，其破壞形態(tài)表現(xiàn)出一定的塑性破壞形態(tài)(見(jiàn)圖4)；浸膠玄武巖纖維則受到自身長(zhǎng)徑比等因素的限制，對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不大，從破壞斷面看，破壞界面相對(duì)平滑，可以看見(jiàn)浸膠玄武巖纖維從水泥基體中拔出，即浸膠玄武巖纖維混凝土依然是脆性破壞，其破壞形態(tài)相較于普通混凝土并沒(méi)有發(fā)生實(shí)質(zhì)性的轉(zhuǎn)變。

相對(duì)于單摻纖維混凝土，混雜纖維表現(xiàn)出更加優(yōu)異的性能(見(jiàn)圖4)，混雜纖維破壞截面呈彎曲不平滑狀，且破壞面上分布著大量纖維，能夠?qū)炷疗鸬胶芎玫募s束作用，破壞后的試塊具有一定的整體性。說(shuō)明混雜纖維能夠一定程度上改善混凝土的破壞形態(tài)，表現(xiàn)出一定的塑性破壞；同時(shí)混雜纖維混凝土的拉壓比相對(duì)于普通混凝土也得到了很大程度的改善，有利于其實(shí)際應(yīng)用。試驗(yàn)結(jié)果表明，混雜纖維能夠大大提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，即混雜纖維能夠達(dá)到既增強(qiáng)又改善混凝土破壞形態(tài)的作用。

3 機(jī)理分析

一般水泥混凝土，水泥在水化硬化過(guò)程中由于水化反應(yīng)、環(huán)境溫度變化等因素會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部水分消耗和溫度變化，從而引起混凝土體積的一系列收縮變形?；炷敛牧祥_(kāi)裂往往是由于在約束作用下混凝土自身體積變形產(chǎn)生的應(yīng)力大于材料本身的抗拉強(qiáng)度而導(dǎo)致的。在混凝土之中加入纖維后，纖維均勻的分布于混凝土之中，與水泥基體粘結(jié)良好的纖維能與水泥基體形成一個(gè)整體并承擔(dān)“加勁肋”的角色，從而可以有效的抑制和延緩裂縫的發(fā)展、阻止集料的沉降，進(jìn)而提高混凝土的抗裂性能[12]。

3.1浸膠玄武巖纖維

1)浸膠玄武巖纖維是由一束短切紗玄武巖纖維經(jīng)環(huán)氧樹(shù)脂處理之后得到的。雖然環(huán)氧樹(shù)脂與水泥基體之間的粘結(jié)力較大，但受到纖維本身的長(zhǎng)徑比的限制，其有效長(zhǎng)度不足以承受或只能承受部分因?yàn)榛炷灵_(kāi)裂而急速增加的荷載。在裂縫開(kāi)展之后，浸膠玄武巖纖維與水泥基體界面之間的粘結(jié)力很快達(dá)到極限，裂縫迅速開(kāi)展，纖維迅速拔出，混凝土即發(fā)生脆性破壞。

2)玄武巖纖維經(jīng)環(huán)氧樹(shù)脂處理之后，內(nèi)部會(huì)形成較大的空隙，因而在纖維內(nèi)部會(huì)聚集大量的水分，當(dāng)浸膠玄武巖纖維作為分散相均勻分布于水泥基相中時(shí)，除了承擔(dān)“加勁肋”的角色，抑制和延緩裂縫的擴(kuò)展之外，還能夠在其周圍形成一個(gè)“微型水循環(huán)”體系，眾多浸膠玄武巖纖維的“微型水循環(huán)體系”構(gòu)成混凝土的“水循環(huán)”系統(tǒng)，進(jìn)而能夠有效的減少因混凝土材料自身的收縮變形(干燥收縮、塑性收縮、自收縮、化學(xué)收縮等)而引起的應(yīng)力。在未加纖維的區(qū)域A部分(如圖5a)所示)的水泥漿體由于水化等消耗水分，產(chǎn)生自身收縮變形，若加入浸膠玄武巖纖維之后(見(jiàn)圖5b))，由于纖維中攜帶大量水分，能夠給A區(qū)域提供水分，減少材料自身收縮，從而達(dá)到增加混凝土抗裂性能的目的(見(jiàn)圖5c))。即與鋼纖維混凝土中鋼纖維主要是利用混凝土開(kāi)裂后的“橋接”作用來(lái)提高混凝土的抗裂性能,不同的是，浸膠玄武巖纖維主要通過(guò)改善混凝土自身固有的抗裂性質(zhì)來(lái)提高混凝土的力學(xué)性能。

3.2混雜纖維的混雜效應(yīng)

浸膠玄武巖纖維和鋼纖維混雜，由于兩者形狀不同、長(zhǎng)徑比不同、彈性模量不同等，能夠在不同結(jié)構(gòu)層次和性能上充分發(fā)揮各自的尺寸優(yōu)勢(shì)及增強(qiáng)效應(yīng)，達(dá)到抑制纖維生成、擴(kuò)展的阻裂效應(yīng)。浸膠玄武巖纖維主要用于提高材料本身固有抗拉性質(zhì)，減少混凝土自身收縮；而鋼纖維主要用于混凝土開(kāi)裂后抑制舊裂縫的發(fā)展和新裂縫的生成，從而增強(qiáng)混凝土的抗拉強(qiáng)度。由表3可知，浸膠玄武巖纖維和鋼纖維對(duì)混凝土抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度存在“正混雜效應(yīng)”。即兩種纖維能夠在混凝土內(nèi)部相互搭接，形成類似“骨架”的模型，能夠有效改善混凝土的受力方式及力學(xué)強(qiáng)度。

混雜纖維充分利用鋼纖維和浸膠玄武巖纖維對(duì)混凝土不同大小、不同層次的增強(qiáng)增韌作用，即利用浸膠玄武巖纖維對(duì)材料固有抗裂性能的增強(qiáng)作用和鋼纖維對(duì)材料開(kāi)裂之后的“橋接”增強(qiáng)作用，進(jìn)而達(dá)到對(duì)普通混凝土性能的優(yōu)化。

4 結(jié)語(yǔ)

1)在低摻量的條件下，鋼纖維、浸膠玄武巖纖維及混雜纖維對(duì)混凝土的抗壓性能有增強(qiáng)效果，提高率分別為4.6%,5.6%和6.5%。

2)鋼纖維、浸膠玄武巖纖維及混雜纖維對(duì)混凝土的抗拉性能有很好的增強(qiáng)效果，提高率分別為13.0%,8.7%,16.2%。其中鋼纖維和混雜纖維混凝土試件均表現(xiàn)出明顯的塑性破壞，而浸膠玄武巖纖維為脆性破壞。

3)纖維的摻入能夠有效的改善混凝土各方面受力的不均勻性。摻加纖維之后，混凝土的拉壓比有一定程度的提高。

4)混雜纖維能夠充分利用兩種纖維材料對(duì)混凝土不同大小、不同層次的作用達(dá)到既增強(qiáng)又改善破壞形態(tài)的效果。且其增強(qiáng)效果均優(yōu)于單摻鋼纖維和浸膠玄武巖纖維。

[1] 韓 嶸，王冠月，曲福來(lái),等.鋼纖維混凝土軸心抗拉強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].全國(guó)纖維混凝土學(xué)術(shù)會(huì)議，2004(3):49-50.

[2] 朱海堂，高丹盈，王占橋.混雜纖維高強(qiáng)混凝土斷裂性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2010(1):41-46.

[3] 王紅喜，陳友治，丁慶軍,等.混雜纖維對(duì)高性能混凝土力學(xué)性能與抗?jié)B性能的影響[J].混凝土,2003(11):33-35.

[4] 趙 晶，蔡新華，焦賀軍.混雜纖維對(duì)混凝土早期開(kāi)裂性能的影響[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007(2):232-234.

[5] 楊成蛟，黃承逵，車 軼,等.混雜纖維混凝土的力學(xué)性能及抗?jié)B性能[J].建筑材料學(xué)報(bào),2008(1):89-93.

[6] 焦楚杰，詹鎮(zhèn)峰，彭春元,等.混雜纖維混凝土抗壓試驗(yàn)研究[J].廣州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007(4):70-73.

[7] 尹機(jī)會(huì)，丁一寧，Niederegger C,等.混雜纖維混凝土劈拉性能試驗(yàn)研究[J].混凝土,2007(3):11-13.

[8] 夏冬桃，徐禮華，池 寅,等.混雜纖維增強(qiáng)高性能混凝土強(qiáng)度的試驗(yàn)[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007(1):77-81.

[9] 趙順波，張吉紅，李鳳蘭.離心成型鋼纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào),2009(6):867-873.

[10] Maalej M,Quek S T,Zhang J.Behavior of hybrid-fiber engineered cementitious composites subjected to dynamic tensile loading and projectile impact[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2005,17(2):143-152.

[11] Hsie M,Tu C,Song P S.Mechanical properties of polypropylene hybrid fiber-reinforced concrete[J].Materials Science and Engineering A,2008,494(1-2):153-157.

[12] 胡曙光.先進(jìn)水泥基復(fù)合材料[M].北京:科學(xué)出版社,2009.

Experimentalstudyonsplittingtensilestrengthofbasalt-steelfibermixedconcreteanditsmechanism

WenKe1ZhouXun2*

(1.WuchangExperimentalHighSchool,Wuhan430060,China; 2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

In this paper, the influence of fiber on the mechanical properties of concrete is obtained by compressing the braided basalt fiber and the steel fiber. The hypothesis of the strengthening mechanism of the impregnated basalt fiber reinforced concrete is put forward. The results show that the low-volume steel fiber and dipped basalt fiber have a certain enhancement effect on the compressive strength and splitting tensile strength of concrete, and the two fibers have better enhanced toughening effect after mixing. There is no obvious improvement in the damage morphology of concrete. Article research results have a certain value for engineering applications.

hybrid fiber, steel fiber, dipped basalt fiber, splitting tensile strength, mechanism analysis

1009-6825(2017)32-0096-03

2017-09-09

文 可(2000- )，男，在讀高中生

周珣(1993- )，男，在讀碩士

TU502

A