基于灰靶決策優(yōu)化的玄武巖纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)及其阻裂增韌性能評(píng)價(jià)

邊旭輝，申愛琴，連城，李悅，杜清鑫

(1.陜西省高速公路建設(shè)集團(tuán)公司古鎮(zhèn)高速公路建設(shè)管理處，陜西 漢中 723500；2.長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

改善水泥混凝土易開裂、抗拉強(qiáng)度低、韌性差的材料缺陷是學(xué)者們致力攻克的技術(shù)難題之一?，F(xiàn)有研究資料表明，將適量纖維摻入混凝土中能改善混凝土脆性，提高抗裂性能。根據(jù)纖維在混凝土中的作用可將其分為阻裂纖維和增韌纖維兩類。低模量纖維如聚丙烯纖維能在混凝土塑性及早期養(yǎng)護(hù)階段提高其抗拉強(qiáng)度、降低早期開裂的可能性，發(fā)揮阻裂效果；高模量纖維如鋼纖維在混凝土中主要在后期承荷階段通過傳遞和分散內(nèi)部拉應(yīng)力、降低裂縫尖端處應(yīng)力強(qiáng)度因子，起到增韌作用。

玄武巖纖維是一種無機(jī)硅酸鹽纖維，它具有化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異、與水泥混凝土相容性優(yōu)良、抗拉強(qiáng)度高等突出優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，玄武巖纖維模量與強(qiáng)度介于鋼纖維與合成纖維之間，理論上兼具阻裂與增韌能力。Wonsiri發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維的摻入能有效降低干縮變形率，究其原因主要在于纖維的微集料效應(yīng)對(duì)內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的改善作用；王新忠采用平板開裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)了不同玄武巖纖維長(zhǎng)度及摻量下的混凝土早期抗裂性能，結(jié)果表明摻入玄武巖纖維能有效降低裂縫寬度和面積，長(zhǎng)度18 mm、摻量0.02%的玄武巖混凝土已基本無裂縫；邱英勤通過早期開裂試驗(yàn)對(duì)玄武巖纖維高性能混凝土的抗裂性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維的摻入能延長(zhǎng)初裂時(shí)間和裂縫貫穿時(shí)間，裂縫面積最高可降低59.29%；董進(jìn)秋從吸能與能量釋放角度對(duì)玄武巖纖維混凝土抗沖擊韌性機(jī)理進(jìn)行闡明，總結(jié)為玄武巖纖維能通過橋聯(lián)裂縫延緩裂縫開展的驅(qū)動(dòng)作用，同時(shí)還能將新裂縫開展釋放的能量有效傳遞和分散；Arslan基于三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)探究了摻入玄武巖纖維對(duì)混凝土彎曲韌性的影響，得出最優(yōu)纖維摻量為1.2 kg/m3。

目前，關(guān)于玄武巖纖維的阻裂與增韌共同作用的系統(tǒng)研究較少，而且在玄武巖混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)多僅考慮力學(xué)與工作性能。基于此，該文將抗裂指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)共同作為評(píng)價(jià)參數(shù)，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)基于灰靶決策理論對(duì)玄武巖纖維混凝土進(jìn)行長(zhǎng)度及摻量初步優(yōu)選。同時(shí)，通過早期塑性開裂、干燥收縮、三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)系統(tǒng)分析長(zhǎng)度及摻量對(duì)玄武巖纖維混凝土抗裂及彎曲韌性的影響規(guī)律，綜合得到力學(xué)及阻裂增韌效果最優(yōu)的玄武巖纖維混凝土。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

試驗(yàn)用水泥為普通硅酸鹽水泥(42.5R)，粗集料為4.75～9.5、9.5～19 mm的天然碎石，試驗(yàn)用砂為Ⅱ類中砂，細(xì)度模數(shù)為2.62，外加劑為KTPCA聚羧酸高性能減水劑。

玄武巖纖維選用短切玄武巖纖維，其主要物理性能指標(biāo)見表1。

表1 玄武巖纖維物理力學(xué)性能指標(biāo)

1.2 配合比

C40玄武巖纖維混凝土配合比見表2。水泥∶細(xì)集料∶粗集料∶水∶外加劑(質(zhì)量配合比)=1∶1.59∶2.59∶0.36∶0.011。

表2 C40玄武巖纖維混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 塑性收縮試驗(yàn)

采用平板約束試驗(yàn)測(cè)試玄武巖纖維混凝土在塑性階段的抗裂性能，塑性收縮裝置參考中國(guó)西部交通建設(shè)項(xiàng)目《道路混凝土組成設(shè)計(jì)研究》，如圖1所示。此裝置通過在平板底部設(shè)置角鋼實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土的開裂誘導(dǎo)作用。試驗(yàn)步驟如下：成型玄武巖纖維混凝土，抹面后在試件表面覆蓋保鮮膜2 h，去除保鮮膜后將整個(gè)裝置置于溫度為(25±2)℃，濕度為55%±5%的環(huán)境中，觀測(cè)裂縫發(fā)展過程。

圖1 塑性收縮裝置圖(單位：mm)

1.3.2 干燥收縮試驗(yàn)

混凝土早期干燥收縮試驗(yàn)參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。為避免人為測(cè)量誤差，且能連續(xù)采集玄武巖纖維混凝土養(yǎng)生期內(nèi)的干縮變形值，采用應(yīng)變采集裝置測(cè)試混凝土的收縮變形。試驗(yàn)具體步驟如下：拆模養(yǎng)護(hù)3 d后將混凝土置于溫度為(20±2)℃、濕度為60%±5%的環(huán)境中，連續(xù)監(jiān)測(cè)其收縮變形值。每組混凝土設(shè)置3個(gè)平行試件，收縮變形數(shù)據(jù)取平均值且變異性需控制在15%以內(nèi)。

1.3.3 三點(diǎn)彎曲韌性試驗(yàn)

參考CECS 13:2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)試玄武巖纖維混凝土的彎曲韌性，試件為100 mm×100 mm×400 mm的無切口梁，加載裝置為靜態(tài)三思液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)，加載速率為0.02 mm/min。

2 基于灰靶決策理論的玄武巖纖維長(zhǎng)度及摻量?jī)?yōu)選

表3為3種玄武巖纖維長(zhǎng)度、3種摻量的玄武巖纖維混凝土的力學(xué)及抗裂性能測(cè)試結(jié)果，其中28 d干縮降低率為玄武巖纖維混凝土28 d干縮值與基準(zhǔn)混凝土干縮值之差除以基準(zhǔn)混凝土的干縮值所得，裂縫面積降低率計(jì)算同理。

表3 基準(zhǔn)及玄武巖纖維混凝土力學(xué)及抗裂性能測(cè)試結(jié)果

由表3可知:與基準(zhǔn)混凝土相比，玄武巖纖維的摻入能有效提高混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度，降低其由失水引起的塑性及干燥收縮，對(duì)提高混凝土的抗裂性極為有利。

以28 d抗壓強(qiáng)度、28 d抗折強(qiáng)度、28 d干縮降低率及平板裂縫面積降低率為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)9組玄武巖纖維混凝土進(jìn)行基于灰靶決策理論的長(zhǎng)度、摻量?jī)?yōu)選，計(jì)算步驟如下：

(1)確定決策矩陣

(2)對(duì)決策矩陣進(jìn)行無量綱化處理

利用初值法對(duì)決策矩陣進(jìn)行無量綱化處理，處理結(jié)果為:

(3)計(jì)算靶心距

由表4可知:纖維長(zhǎng)度12 mm、摻量0.06%的玄武巖纖維混凝土靶心距最小，兼具力學(xué)與抗裂性能。在后續(xù)的研究中，將在最優(yōu)摻量的基礎(chǔ)上小幅變化摻量，深入研究不同玄武巖纖維長(zhǎng)度、摻量下混凝土的塑性收縮、干燥收縮性能及彎曲韌性，綜合評(píng)價(jià)玄武巖纖維的摻入對(duì)混凝土的抗裂性能與韌性改善效果。

表4 不同玄武巖纖維混凝土靶心距計(jì)算結(jié)果

3 玄武巖纖維混凝土阻裂增韌性能評(píng)價(jià)

3.1 玄武巖纖維混凝土早期塑性開裂性能

通過平板試驗(yàn)開展不同玄武巖纖維長(zhǎng)度及摻量下混凝土的早期塑性開裂試驗(yàn)，如圖2所示。結(jié)合Matlab軟件對(duì)裂縫圖像進(jìn)行二值化處理并計(jì)算裂縫面積，裂縫寬度采用裂縫對(duì)比卡測(cè)量得到。玄武巖纖維早期塑性開裂試驗(yàn)特征參數(shù)如表5所示。

圖2 基準(zhǔn)與玄武巖纖維混凝土早期裂縫開展圖

結(jié)合圖2及表5中基準(zhǔn)混凝土與玄武巖纖維混凝土的裂縫圖片及特征參數(shù)分析可知：摻入玄武巖纖維能顯著降低裂縫寬度和裂縫面積，這主要是由于在塑性階段，混凝土自身強(qiáng)度還未形成，隨機(jī)分散的玄武巖纖維能提高凝結(jié)硬化期內(nèi)混凝土的抗拉強(qiáng)度，降低開裂的可能。

由表5可知：玄武巖纖維的摻入能延緩初裂及裂縫貫穿時(shí)間，還能顯著降低裂縫寬度及裂縫總面積。分析原因在于混凝土塑性開裂主要為表面水分蒸發(fā)速度超過了內(nèi)部泌水速度，造成了混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔壓力增大。玄武巖纖維由于表面親水，水分可沿纖維表面輸送至混凝土表面，即增加了水分輸送通道數(shù)量，因此改善了塑性開裂性能。同時(shí)，相同玄武巖纖維摻量下，隨著纖維長(zhǎng)度增大，纖維混凝土的裂縫寬度及總面積均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。長(zhǎng)度為12 mm的玄武巖纖維混凝土降低塑性開裂效果最優(yōu)，其裂縫總面積可降低至基準(zhǔn)混凝土的69.29%。相同摻量下，增加纖維長(zhǎng)度至18 mm，纖維數(shù)量減少，同時(shí)纖維搭接纏繞會(huì)減少水分傳輸路徑長(zhǎng)度，因而阻裂效果會(huì)小幅下降。固定纖維長(zhǎng)度為12 mm，隨著纖維摻量的增加，玄武巖纖維混凝土初裂時(shí)間及裂縫貫穿時(shí)間延長(zhǎng)，裂縫寬度和裂縫總面積相差不大?？傮w來說，玄武巖纖維的摻入對(duì)減少混凝土由于表面水分蒸發(fā)過快引起的塑性收縮效果顯著。

表5 基準(zhǔn)及玄武巖纖維混凝土早期裂縫開展特征參數(shù)

3.2 玄武巖纖維混凝土干燥收縮性能

不同玄武巖纖維長(zhǎng)度及摻量下混凝土的收縮變形發(fā)展曲線如圖3所示。

由圖3(a)可以看出：混凝土的收縮變形曲線隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加逐漸趨于平緩，說明干燥收縮主要發(fā)生在養(yǎng)護(hù)前期。相同摻量下，纖維長(zhǎng)度12 mm的混凝土收縮變形最小，其次為6 mm，長(zhǎng)度為18 mm的玄武巖纖維混凝土收縮變形值最大。造成這一現(xiàn)象的原因主要在于相同摻量下，纖維長(zhǎng)度越小，數(shù)量則越多。由于玄武巖纖維表面能值較大，極易吸附水分子，在混凝土受到外部環(huán)境變化造成水分遷移時(shí)，部分自由水被吸附在纖維表面，引起更大的收縮變形。而18 mm的玄武巖纖維由于長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在混凝土中易發(fā)生無效搭接和纏繞，造成纖維分散收縮應(yīng)力作用減弱，因而收縮變形值相應(yīng)較大。

由圖3(b)可以看出：隨纖維摻量增加，混凝土28 d收縮變形總量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。當(dāng)玄武巖纖維摻量由0.05%升至0.06%時(shí)，在混凝土內(nèi)部起到分散收縮應(yīng)力的有效纖維數(shù)量增加，繼續(xù)增加摻量至0.07%，纖維吸附自由水量增加，因而整體收縮值相應(yīng)增加。

圖3 玄武巖纖維混凝土干燥收縮變形

3.3 玄武巖纖維混凝土彎曲韌性

玄武巖纖維混凝土彎曲韌性試驗(yàn)結(jié)果見圖4、表6。

圖4 基準(zhǔn)及玄武巖纖維混凝土荷載-撓度曲線

表6 基準(zhǔn)及玄武巖纖維混凝土荷載-撓度曲線特征參數(shù)

由圖4可以看出：① 隨荷載不斷增加，玄武巖纖維混凝土變形曲線發(fā)展緩慢，充分證明了玄武巖纖維在混凝土中的吸能作用，在達(dá)到峰值荷載后，基準(zhǔn)混凝土迅速下降，而玄武巖纖維混凝土的曲線下降段斜率趨于延緩；② 玄武巖纖維的加入能提高混凝土破壞的峰值荷載、增大混凝土在峰值破壞荷載下的撓度變形，提高混凝土的彎曲韌性。由表6可知：相同纖維摻量下，隨著纖維長(zhǎng)度增加，混凝土的峰值荷載呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，其中12 mm玄武巖纖維長(zhǎng)度的混凝土所能承受的峰值破壞荷載最大，較基準(zhǔn)組提高約32.9%。長(zhǎng)度為18 mm的玄武巖纖維混凝土的彎曲韌性優(yōu)于6 mm的纖維混凝土，這主要是由于纖維長(zhǎng)度過短難以在混凝土中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其橋接裂縫、傳遞分散應(yīng)力及能量的作用相應(yīng)減弱。當(dāng)纖維長(zhǎng)度固定為12 mm時(shí)，隨著纖維摻量增加，混凝土峰值荷載同樣呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，摻量為0.07%的玄武巖纖維混凝土的峰值荷載稍有下降，但整體與摻量為0.06%的纖維混凝土相差不大。

4 結(jié)論

(1)基于灰靶決策對(duì)玄武巖纖維長(zhǎng)度、摻量進(jìn)行力學(xué)與抗裂性能優(yōu)選，得到最優(yōu)玄武巖纖維長(zhǎng)度、摻量分別為12 mm、0.06%。

(2)玄武巖纖維的摻入對(duì)混凝土早期塑性和干縮裂縫均有顯著降低作用，隨纖維長(zhǎng)度及摻量增加，玄武巖纖維混凝土裂縫寬度、總面積及干縮應(yīng)變均呈現(xiàn)先減低后升高的變化規(guī)律。

(3)玄武巖纖維的摻入能延緩混凝土到達(dá)峰值荷載后的破壞過程，提高混凝土受彎拉時(shí)的峰值荷載及破壞撓度。

(4)綜合分析不同玄武巖纖維長(zhǎng)度、摻量的混凝土的塑性開裂、干縮性能及彎曲韌性，得到阻裂增韌效果最優(yōu)的玄武巖纖維長(zhǎng)度、摻量分別為12 mm、0.06%。