玄武巖纖維-風(fēng)積沙混凝土抗沖擊試驗(yàn)研究

解國(guó)梁，申向東，姜 偉，張 斌

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 土木水利學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，我國(guó)建筑行業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，各類基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模迅速擴(kuò)大，混凝土需求日益激增。作為混凝土用細(xì)骨料河砂資源再生緩慢，逐漸不能滿足當(dāng)今基礎(chǔ)建設(shè)的需求[1]。而在我國(guó)西北地區(qū)儲(chǔ)藏著豐富的風(fēng)積沙資源，這對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成了巨大破壞[2]。若將風(fēng)積沙取代普通河砂制備風(fēng)積沙混凝土(Aeolian Sand Concrete，ASC)，對(duì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。目前，諸多學(xué)者對(duì)ASC的力學(xué)性能、耐久性能及其工程應(yīng)用展開(kāi)了大量試驗(yàn)研究[3-5]。結(jié)果表明：適量風(fēng)積沙摻入混凝土中可以增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能，但在應(yīng)用中也暴露出一系列問(wèn)題。風(fēng)積沙只能在一定界限范圍內(nèi)代替工程用砂，且配制的ASC和普通混凝土性能相近，具有易收縮開(kāi)裂、韌性差等缺點(diǎn)，使其在實(shí)際施工中應(yīng)用困難。如何改善ASC韌性，提高其阻裂能力成為研究人員探索的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

將一定體積摻量的纖維均勻摻入混凝土中可以抑制內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，進(jìn)而改善混凝土脆性，提高抗拉、抗沖擊性能[6-9]。玄武巖纖維(Basalt Fibre，BF)作為一種新型無(wú)機(jī)環(huán)保材料，具有優(yōu)良的相容性、穩(wěn)定的化學(xué)性能、耐高溫、耐酸堿且價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，是較為理想的增強(qiáng)、增韌材料，將其用于改良ASC具有一定的實(shí)際價(jià)值[10-11]。纖維的阻裂效應(yīng)可以提高混凝土的整體性，但摻量較大時(shí)纖維會(huì)在混凝土中出現(xiàn)“抱團(tuán)”，且纖維-水泥基界面區(qū)成為混凝土破壞的薄弱層。因此，纖維對(duì)混凝土性能的改善存在合理?yè)搅?。董偉[12]等配制BF摻量為0，1.0，1.5，2.0，2.5 kg/m3的ASC(風(fēng)積沙摻量為20%)，研究了5組混凝土的抗沖擊性能，并通過(guò)掃描電鏡分析了纖維阻裂增韌機(jī)理，結(jié)果表明：BF摻量為1.0～1.5 kg/m3時(shí)，纖維與水泥基之間的錨固作用可以較大幅度地提高ASC的抗沖擊性能。朱涵[13-14]等對(duì)同一直徑下長(zhǎng)6 mm和18 mm 的兩種BF在不同體積摻量下(0，1%，2%)進(jìn)行低溫環(huán)境下的抗沖擊試驗(yàn)。結(jié)果表明：BF可以有效提高混凝土在低溫環(huán)境下的抗沖擊次數(shù)；相同BF體積摻量和失效概率條件下，18 mm長(zhǎng)纖維較6 mm短纖維對(duì)混凝土的抗沖擊性能改善作用更加明顯。付敏[15]運(yùn)用Weibull分布模型對(duì)鋼纖維再生混凝土落錘沖擊試驗(yàn)的沖擊壽命進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明：在不同失效概率下，沖擊壽命估計(jì)值與試驗(yàn)所得結(jié)果增長(zhǎng)趨勢(shì)基本保持一致。

綜上，合理?yè)搅康睦w維對(duì)混凝土抗沖擊性能的提升有顯著效果。BF對(duì)混凝土抗沖擊性能改善作用多集中于定性研究，針對(duì)玄武巖纖維混凝土的抗沖擊壽命和失效概率規(guī)律的研究報(bào)道較少，且纖維阻裂增韌機(jī)理報(bào)道甚少，缺乏相應(yīng)的理論指導(dǎo)。本研究對(duì)不同BF體積摻量下的ASC進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)，研究BF對(duì)ASC的初裂和終裂沖擊次數(shù)以及沖擊性能的變化規(guī)律，并采用Weibull分布模型對(duì)各組混凝土的沖擊次數(shù)進(jìn)行擬合，得出不同失效概率規(guī)律及不同玄武巖纖維摻量下ASC的抗沖擊壽命。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：某品牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合《通用硅酸鹽水泥》(GB175—2007)規(guī)范要求。粉煤灰：II級(jí)粉煤灰。河砂：Ⅱ區(qū)中砂，顆粒級(jí)配良好；風(fēng)積沙：庫(kù)布齊沙漠，主要顆粒粒徑0.075～0.25 mm；碎石：5～25 mm連續(xù)級(jí)配。骨料物理性能見(jiàn)表1。外加劑：萘系高效減水劑，減水率24%。水：自來(lái)水。玄武巖纖維：短切BF，性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 骨料物理性能指標(biāo)

表2 玄武巖纖維性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)配合比

已有文獻(xiàn)研究表明風(fēng)積沙等質(zhì)量取代普通河砂取代率為20%時(shí)，可以優(yōu)化混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，對(duì)混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能有促進(jìn)作用[4]。本試驗(yàn)以20%的風(fēng)積沙等質(zhì)量取代普通河砂，在此基礎(chǔ)上將BF分別以0，0.05%，0.1%，0.15%和0.2%的體積摻入ASC中。經(jīng)試配確定外加劑為膠凝材料的2%，水膠比為0.45，砂率為40%。混凝土配合比和基本性能見(jiàn)表3。

表3 混凝土配合比及基本性能

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

混凝土抗沖擊試驗(yàn)參照美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)(ACI544)推薦的混凝土落錘沖擊試驗(yàn)方法并結(jié)合環(huán)境條件采用自制落錘沖擊裝置進(jìn)行，見(jiàn)圖1。將混凝土拌和物制備成100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件，并在試件正中間對(duì)立面位置粘貼應(yīng)變片，便于數(shù)據(jù)采集。落錘采用1.5 kg的實(shí)心鋼球，自由下落高度為300 mm，為了防止沖擊過(guò)程中荷載過(guò)于集中，在試件頂面中間放置一塊鋼墊板。以落錘開(kāi)始至落錘沖擊鐵板后靜止計(jì)1次沖擊次數(shù)，當(dāng)試件下部的應(yīng)變片數(shù)值發(fā)生突變，試件出現(xiàn)第1條可視裂縫，此時(shí)為混凝土初裂沖擊次數(shù)并記錄N1；當(dāng)試件斷裂或者裂縫上下貫穿時(shí)結(jié)束試驗(yàn)，并記錄終裂次數(shù)N2?；炷猎嚰趿押徒K裂沖擊耗能可由公式(1)計(jì)算，同時(shí)將混凝土材料在沖荷載下遭受破壞時(shí)所吸收能量的能力表示為韌性，可由延性比μ和韌性系數(shù)C作為評(píng)價(jià)混凝土試件韌性的指標(biāo)[16-17]，見(jiàn)式(2)和式(3)。

圖1 混凝土落錘抗彎沖擊試驗(yàn)

W=Nmgh，

(1)

μ=(N2-N1)/N1，

(2)

C=Wi/W0，

(3)

式中，W為沖擊功；N為沖擊次數(shù)；m為落錘質(zhì)量；h為落錘自由下落高度；g為自由落體加速度，取9.8 N/kg；Wi為摻玄武巖纖維風(fēng)積沙混凝土破壞時(shí)的沖擊功；W0為A0組混凝土破壞時(shí)的沖擊功。

2 結(jié)果與討論

2.1 玄武巖纖維風(fēng)積沙混凝土抗沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果

圖2和圖3分別為玄武巖纖維風(fēng)積沙混凝土抗沖擊次數(shù)和沖擊韌性指標(biāo)。由圖2可知：基準(zhǔn)組A0(不摻入纖維)的初裂和終裂次數(shù)基本相等，表明試件的初裂和終裂幾乎同時(shí)發(fā)生，反映了普通混凝土明顯的脆性破壞特征。摻入BF后，玄武巖纖維風(fēng)積沙混凝土試件抗沖擊次數(shù)明顯增加，并隨纖維摻量的增加呈先增大后減少的變化規(guī)律，且終裂沖擊次數(shù)N2與初裂沖擊次數(shù)N1的差值也有所增加。由此表明摻入BF可以顯著提高ASC的延性和韌性。A10組混凝土(BF體積摻量為0.1%)抗沖擊次數(shù)達(dá)到最大，初裂次數(shù)N1與終裂次數(shù)N2較A0組混凝土分別提高了0.93倍和1.75倍。由圖3可知：隨著BF摻量的增加，試件延性比μ和韌性系數(shù)C與抗沖擊性次數(shù)的變化規(guī)律一致。當(dāng)BF體積摻量為0.1%時(shí)，玄武巖纖維風(fēng)積沙混凝土試件延性比μ和韌性系數(shù)C達(dá)到最大，其值分別為基準(zhǔn)組A0的4.41倍和2.75倍。當(dāng)BF摻量大于0.1%時(shí)，試件的沖擊性能和沖擊韌性指標(biāo)均有所下降，這是由于BF比表面積較大，水泥砂漿相對(duì)不足，無(wú)法更好地包裹纖維，致使纖維與基體界面黏結(jié)強(qiáng)度降低，從而使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量微裂縫，試件吸收沖擊能減少，沖擊韌性指標(biāo)下降。

圖2 玄武巖纖維風(fēng)積沙混凝土抗沖擊次數(shù)

圖3 玄武巖纖維風(fēng)積沙混凝土韌性指標(biāo)

2.2 玄武巖纖維風(fēng)積沙混凝土抗沖擊性能微觀分析

采用掃描電鏡對(duì)沖擊破壞后的A10組混凝土微觀形貌進(jìn)行分析。由圖4可觀察到纖維較好地分散在混凝土基體中，呈現(xiàn)空間亂向分布。當(dāng)受到外界荷載沖擊時(shí)，纖維的“微加筋”作用將沖擊功傳輸給周圍的混凝土結(jié)構(gòu)，骨料和水泥基體共同消耗沖擊能，同時(shí)三維亂向分布的纖維改變了裂縫的走向，避免應(yīng)力集中。由圖4可見(jiàn)纖維與基體界面區(qū)連接不再緊密，甚至出現(xiàn)了纖維被拔出現(xiàn)象，且界面區(qū)結(jié)合處孔洞增大，有部分水泥石脫落。當(dāng)混凝土發(fā)生初裂后，纖維在混凝土基體兩端形成橋接，約束了裂縫的繼續(xù)擴(kuò)展，提高了混凝土延性。隨著荷載的不斷進(jìn)行，沖擊能不斷累積，最終在混凝土基體最薄弱處釋放，導(dǎo)致新裂縫產(chǎn)生，纖維間距增大，橋接作用減弱，微裂縫擴(kuò)展形成宏觀裂縫。由此可知，玄武巖纖維對(duì)ASC的增強(qiáng)、增韌主要是依靠纖維與水泥基體之間的摩擦力和機(jī)械咬合力實(shí)現(xiàn)，破壞主要發(fā)生在纖維被拔出及纖維與水泥石界面區(qū)水化產(chǎn)物的脫落。

圖4 玄武巖纖維風(fēng)積沙混凝土微觀形貌

2.3 玄武巖纖維風(fēng)積沙混凝土沖擊次數(shù)分布特征

混凝土材料本身存在多相性和不均勻性，內(nèi)部存在許多不規(guī)則微裂縫和微孔隙，在同一沖擊荷載作用下，試驗(yàn)數(shù)據(jù)仍存在很大的隨機(jī)性[18]。因此，只有明確混凝土沖擊次數(shù)的概率分布，才能更為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)混凝土抗沖擊性能分布規(guī)律及壽命?；炷翛_擊破壞與彎曲疲勞破壞具有一定的相似性[19]，因此，本試驗(yàn)參考文獻(xiàn)[20]中Weibull分布對(duì)疲勞的描述，對(duì)沖擊次數(shù)采用雙參數(shù)Weibull分布理論分析。

假設(shè)混凝土抗沖擊次數(shù)N服從Weibull分布，Weibull分布的概率密度函數(shù)可表示為：

(N0≦N≦∞)

(4)

式中，N0為最小抗沖擊壽命；Na為尺度參數(shù)；b為形狀參數(shù)。

取混凝土材料最小抗沖擊次數(shù)N0=0，式(4)可簡(jiǎn)化為雙參數(shù)Weibull分布：

(N0≦N≦∞)

(5)

依據(jù)可靠度分析，混凝土沖擊壽命N的累積失效規(guī)律可用函數(shù)表示為：

(6)

對(duì)兩邊進(jìn)行恒等變形且取對(duì)數(shù)可得：

(7)

令Y=ln{ln[1/R(N)]}，X=ln(N)，C=-bln(Na)

則：

Y=bX+c。

(8)

將每1組的6個(gè)混凝土試件的抗沖擊次數(shù)N1和N2按照從小到大的順序依次排列，記下秩序數(shù)i。則對(duì)應(yīng)的生存概率R(N)可以表示為：

(9)

根據(jù)式(6)～(8)，對(duì)各組混凝土的初裂和終裂沖擊次數(shù)N1與N2進(jìn)行Weibull分布擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)表4，圖5為各組混凝土沖擊次數(shù)的Weibull分布擬合圖。

由表4可知，采用Weibull分布線性回歸擬合后，相關(guān)系數(shù)R2的最小值為0.827，最大值為0.968。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，各組混凝土試件沖擊破壞次數(shù)N1和N2的各試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)基本分布在1條直線上，說(shuō)明Weibull分布可以描述玄武巖纖維風(fēng)積沙混凝土抗沖擊次數(shù)的分布規(guī)律。

表4 混凝土抗沖擊次數(shù)的Weibull分布線性回歸分析結(jié)果

圖5 各組混凝土沖擊次數(shù)的Weibull分布擬合

2.4 不同失效規(guī)律下玄武巖纖維風(fēng)積沙混凝土沖擊壽命評(píng)估

根據(jù)式(6)～(8)對(duì)不同玄武巖纖維體積摻量下的風(fēng)積沙混凝土建立抗沖擊次數(shù)N和不同失效概率P之間的關(guān)系，如下：

(10)

式中b和bln(Na)為Weibull分布回歸參數(shù)，可由表4中獲得。根據(jù)式(10)可以求出不同失效概率下玄武巖纖維風(fēng)積沙混凝土的初裂次數(shù)N1和終裂次數(shù)N2。本試驗(yàn)選取3種失效概率0.1，0.2，0.3進(jìn)行壽命評(píng)估，建立各組混凝土試件不同失效概率下的lnN-VX(VX為玄武巖纖維摻量)曲線關(guān)系，如圖6所示。

圖6 不同失效概率下混凝土抗沖擊次數(shù)與玄武巖纖維體積摻量關(guān)系

由圖6可知，不同失效概率下，混凝土的抗沖擊次數(shù)隨著玄武巖纖維體積摻量的增加呈先增大后減少的趨勢(shì)，且當(dāng)纖維體積摻量為0.1%時(shí)，抗沖擊次數(shù)最大。這說(shuō)明玄武巖纖維可以有效提高風(fēng)積沙混凝土的抗沖擊壽命。

3 結(jié)論

(1)玄武巖纖維可以有效提高風(fēng)積沙混凝土的抗沖擊性能，纖維體積摻量為0.1%時(shí)，混凝土的抗沖擊性能和韌性指標(biāo)均達(dá)到最大，其終裂沖擊次數(shù)、延性比和韌性系數(shù)分別為普通風(fēng)積沙混凝土的1.75倍，4.41倍和2.75倍。

(2)采用Weibull雙參數(shù)分布模型對(duì)混凝土抗沖擊次數(shù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明玄武巖纖維風(fēng)積沙混凝土沖擊次數(shù)N1和N2試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)基本分布在1條直線上，試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合相關(guān)性較好。

(3)玄武巖纖維風(fēng)積沙混凝土抗沖擊次數(shù)隨著失效概率的增加而增大，隨纖維摻量的增加呈先增大后減小的變化規(guī)律。玄武巖纖維體積摻量為0.1%時(shí)，抗沖擊次數(shù)最大，抗沖擊性能最優(yōu)。