玄武巖纖維再生骨料混凝土疲勞試驗研究

譚 燕,胡安迪,趙遠浪,易晨光,童 瑤

(湖北工業(yè)大學 土木建筑與環(huán)境學院,湖北 武漢 430068)

玄武巖纖維(continuous basalt fiber, CBF)是一種金褐色的無機無污染纖維材料,原材料來源于因火山噴發(fā)而形成的玄武巖,經(jīng)過鉑銠合金拔絲、漏板,經(jīng)過1 450～1 500 ℃融化拉拔而成,具有極強的耐腐蝕和耐高溫能力。玄武巖纖維生產(chǎn)工藝簡潔,成本低廉,應用領域非常廣闊,常用于建筑、道路、橋梁、飛機場等。

鑒于玄武巖纖維經(jīng)濟環(huán)保和優(yōu)良的力學性能,近年來在混凝土中摻加短切玄武巖纖維成為工程材料領域的研究熱門,但實際工程實例較少,目前仍然處于初級階段,需要大量實驗數(shù)據(jù)予以理論支持。王意[1]認為,玄武巖纖維混凝土(basalt fiber reinforced concrete,BFRC)普通力學強度指標同時受纖維長度與纖維摻量影響,過量的纖維摻量影響混凝土的成型情況,降低工作性能。李為民[2]研究表明,CBF摻量為0.1%時,不僅韌性較好,混凝土抗壓強度也提高26%,當CBF摻量為0.2%左右時,混凝土強度有小幅度增強,韌性無明顯變化。再生骨料的研究早于20世紀80年代,建筑垃圾的再利用有利于生態(tài)循環(huán)?；艉殒耓3]用C20到C35強度等級的廢舊混凝土制備再生骨料替代天然粗骨料,結果表明,再生骨料混凝土力學性能隨再生骨料摻量增加而降低。周浩[4]的實驗結果表明,當玄武巖纖維體積摻量為0.3%、0.4%時,混凝土的抗壓強度、抗折強度、韌度指數(shù)、斷裂能、折壓比的提高度最大,并且玄武巖纖維與混凝土的黏結性能良好,同時可以明顯改善混凝土的破壞形態(tài)。高銀[5]認為,玄武巖纖維再生混凝土立方體摻用長度為12 mm,體積為0.3%的纖維對抗壓強度的提高最佳。

目前,國內外均缺少玄武巖纖維混凝土的長期監(jiān)測數(shù)據(jù),關于BFRC疲勞性能的研究較少。試驗以20%替代率的再生骨料混凝土作為研究對象,調整纖維長度與纖維摻量,研究疲勞性能變化情況。

1 試驗研究

1.1 試驗材料

試驗選用P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥,符合《通用硅酸鹽水泥》[6],攪拌用水來自武漢當?shù)刈詠硭⒖嘉錆h當?shù)財嚢枵镜呐浜媳仍O計,添加一定量的Ⅰ級粉煤灰與S95級礦粉以替代水泥,用Ⅱ級機制砂替代一部分江砂,以符合實際經(jīng)濟效益,短切玄武巖纖維力學性能見表1,實物圖見圖1.

表1 玄武巖纖維性能指標Table 1 Performance indicators of CBF

圖1 玄武巖纖維(CBF)Fig.1 CBF

1.2 配合比設計

試驗以20%再生骨料摻量的C30混凝土作為研究對象,纖維長度分別設置為6 mm、9 mm、12 mm,纖維摻量設置為0.1%、0.2%、0.3%(體積法),配合比如表2所示,試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm.試驗在基本應力水平0.75、0.80、0.85三種狀態(tài)下進行單軸抗壓疲勞性能試驗。

表2 配合比設計Table 2 Design of mix proportion

1.3 疲勞設備

疲勞設備為通用型立式MTS Landmark電液伺服疲勞試驗系統(tǒng),試驗機極限荷載達1 000 kN,設備如圖2所示?；炷羶蓚日迟N電阻式應變片,用于觀測動荷載作用下的應力應變情況如圖3所示。MTS設備所加載的動荷載波形如圖4所示,為避免受“沖擊”作用及“反彈”現(xiàn)象產(chǎn)生,荷載加載比設計為0.1,即Smin/Smax=fmin/fmax=0.1.

1.4 試件的成型與養(yǎng)護

首先對玄武巖纖維進行預處理,并濕潤混凝土攪拌裝置(HJW-30),以防止材料粘黏內壁。然后將粗骨料、細骨料、水和減水劑依次加入攪拌機內攪拌180 s,攪拌期間緩慢均勻加入玄武巖纖維。結束后將混凝土裝入150 mm×150 mm×150 mm規(guī)格標準模具中振搗成型,振搗時間隨纖維摻量增多而加長,最后對混凝土表面進行覆膜養(yǎng)護。成型2 d脫模后置于22 ℃溫度98%濕度的標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護28 d.

2 試驗結果與分析

2.1 疲勞壽命分析

混凝土經(jīng)不同應力水平的循環(huán)荷載施壓時,結構內部首先會出現(xiàn)微小裂縫,反復的施壓會使裂縫不斷擴張形成通縫,從而導致結構破壞,破壞時所承受的應力循環(huán)次數(shù)即為混凝土的疲勞壽命,記錄循環(huán)次數(shù),數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計處理后如圖5所示。

(a)6 mm短切纖維玄武巖纖維摻量與疲勞壽命

如圖5中(a)、(b)、(c)所示,整體上,隨應力水平提高,疲勞壽命逐步降低。

0.85應力水平下,6 mm、9 mm、12 mm短切玄武巖纖維摻量對抗壓疲勞壽命影響較小,6 mm、9 mm組最優(yōu)摻量均為0.2%,12 mm組最優(yōu)摻量為0.1%.

0.8應力水平下,6 mm短切纖維隨摻量增加呈先增后降的趨勢,摻量為0.2%時,疲勞壽命為71 140次,達到疲勞峰值,0.2%纖維摻量相比空白組疲勞壽命提高了近6倍,相比0.1%摻量與0.3%摻量疲勞壽命提高了2倍。9 mm短切纖維隨摻量增加呈初始變化不明顯,0.3%摻量時出現(xiàn)猛增達到疲勞壽命峰值25 464次,疲勞壽命提高了1倍。12 mm短切纖維隨纖維摻量增加同樣出現(xiàn)先增后減的變化趨勢。0.1%摻量時增長幅度最大,同時達到疲勞壽命峰值,相比空白對照組疲勞壽命提高7倍,纖維摻量繼續(xù)提高后,疲勞壽命出現(xiàn)小幅度下降,0.3%摻量時下降幅度最大。

0.75應力水平下,疲勞壽命變化幅度較大。6 mm與9 mm短切纖維隨摻量增加呈現(xiàn)出降—升—降的變化趨勢,最高疲勞壽命分別為214 824次與125 700次,均出現(xiàn)在0.2%摻量處。6 mm纖維組疲勞壽命提高了1倍;9 mm纖維組疲勞壽命提高不明顯。12 mm短切纖維在0.1%摻量時疲勞壽命增長1倍,該摻量增長幅度最大,當纖維摻量繼續(xù)提高時,疲勞壽命有小幅度增長,最佳摻量為0.3%.綜上所述,各應力水平纖維摻量改性情況如表3所示。

表3 疲勞壽命提高情況Table 3 Fatigue life improvement

根據(jù)表3所示,9 mm短切纖維0.80應力水平下最優(yōu)摻量為0.3%,12 mm短切纖維0.85應力水平下最優(yōu)摻量為0.1%,其于各組最優(yōu)摻量均為0.2%.對應力水平比較,各應力水平下9 mm短切纖維改進效果均較差。0.85應力水平下,6 mm短切纖維效果優(yōu)于12 mm短切纖維。0.80、0.75應力水平下,12 mm短切纖維略優(yōu)于6 mm短切纖維。

2.2 疲勞應變試驗結果分析

疲勞應變?yōu)樵嚰?jīng)循環(huán)應力作用下的應變情況,由應變片傳感數(shù)據(jù)所得,處理后如圖6所示,循環(huán)比為當前承壓次數(shù)與極限承壓次數(shù)的比值,當循環(huán)比到達1.0時,即承壓次數(shù)到達疲勞壽命,試件破壞。

試驗選取0.75應力水平下,不同纖維長度和纖維摻量的玄武巖纖維再生骨料混凝土作為研究對像。一般情況下,受循環(huán)動荷載作用,應力應變關系呈三段式增長,第一階段內部損傷初步形成,第二階段內部損傷與裂縫緩慢擴張,第三階段內部損傷加速發(fā)展,形成貫通性裂縫,致使結構破壞。

如圖6所示,整體來看,6 mm、9 mm、12 mm玄武巖纖維,0.1%摻量與0.2%摻量再生骨料混凝土疲勞應變位移均高于0.3%摻量。0.1%與0.2%摻量的再生骨料混凝土疲勞應變與彈性模量變化不明顯。添加玄武巖纖維后,不同階段循環(huán)次數(shù)占比出現(xiàn)小幅度變化,見表4.

(a)普通組疲勞應變與循環(huán)比關系

如表4所示,相比空白對照組,添加纖維組第二階段所占比例都有所提升。且12 mm纖維優(yōu)于9 mm纖維,6 mm纖維提升效果最差。該數(shù)據(jù)說明,裂縫產(chǎn)生與擴張的次數(shù)周期被拉長,玄武巖纖維增強了混凝土的韌性,提高了混凝土抵抗循環(huán)動荷載的能力。0.1%、0.2%、0.3%的纖維摻量對混凝土韌性影響較小,抵抗循環(huán)荷載能力隨纖維長度增加,提高明顯。12 mm纖維效果最好。

表4 各變化階段占整個循環(huán)周期比例Table 4 The ratio of each change stage to the cycle period

3 結論

試驗通過改變玄武巖纖維混凝土的纖維摻量與纖維長度,研究不同應力水平下的單軸抗壓疲勞壽命,得到以下結論:

1)隨著應力水平提高,玄武巖纖維混凝土單軸抗壓疲勞強度壽命次數(shù)降低明顯。

2)9 mm短切纖維0.80應力水平下最優(yōu)摻量為0.3%,疲勞壽命提高1倍。12 mm短切纖維0.85應力水平下最優(yōu)摻量為0.1%,疲勞壽命提高了10倍。其余各組最優(yōu)摻量均為0.2%,疲勞壽命最高提高17倍。

3)0.1%纖維摻量與0.2%纖維摻量作用下,再生骨料混凝土疲勞應變位移均高于0.3%摻量。

4)玄武巖纖維增強了混凝土的韌性,提高了混凝土抵抗循環(huán)動荷載的能力。纖維摻量對混凝土韌性影 響較小,抵抗循環(huán)荷載能力隨纖維長度增加,提高明顯。12 mm纖維效果最好。