玄武巖纖維含量對混凝土強(qiáng)度及破壞規(guī)律影響研究*

丁傳海

(中交一公局第三工程有限公司，北京 101102)

0 引言

國內(nèi)外關(guān)于玄武巖纖維混凝土進(jìn)行了相關(guān)研究，如盧睿[1]通過研究短切玄武巖纖維自密實(shí)混凝土的抗壓、劈裂抗拉及彎拉強(qiáng)度，得到最佳摻量和最佳長徑比作用下，短切玄武巖纖維混凝土的力學(xué)特性；葉邦土等[2]針對大摻量(礦物摻合料)高強(qiáng)度混凝土增加玄武巖纖維后開裂特性進(jìn)行了研究，并提出高強(qiáng)混凝土摻入0.3%的玄武巖纖維后，其開裂指數(shù)降低為普通混凝土的93.3%；何松華[3]研究得出，玄武巖纖維摻量體積0.08%～03%對其抗壓強(qiáng)度的影響不明顯，但長度為18，12mm的玄武巖纖維使得其抗壓強(qiáng)度有所下降，隨著纖維摻量的增加，劈裂抗拉強(qiáng)度和拉壓比均有所提高；吳釗賢等[4]研究得出，隨著玄武巖纖維摻量的增加，試樣混凝土的早期強(qiáng)度增加明顯，其抗壓強(qiáng)度也有所提高，但其坍落度值有所下降；趙星等[5]研究發(fā)現(xiàn)，隨著摻加玄武巖纖維長徑比的增加，泡沫混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度逐漸增加；王學(xué)志等[6]研究得出，摻加纖維的混凝土可很大程度改善基體混凝土的彎曲性能，但混雜比例會造成基體混凝土的韌性降低；阮明和等[7]、張?zhí)m芳等[8]研究提出，玄武巖纖維摻量與混凝土的抗壓強(qiáng)度增長呈正相關(guān)，與混凝土的脆性呈負(fù)相關(guān)；另外一些學(xué)者也得到，在輕骨料混凝土中摻入聚丙烯纖維，可很好地提高輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度、改善脆性[9-12]。

由分析可知，關(guān)于玄武巖纖維摻入混凝土后的力學(xué)性能進(jìn)行了一系列研究，但關(guān)于纖維長度、摻量比例影響下混凝土的抗壓強(qiáng)度、破壞特征及狀態(tài)過渡等方面的研究較少，其最優(yōu)摻量確認(rèn)方法更是少之又少；而針對大跨結(jié)構(gòu)混凝土工程中，玄武巖纖維摻入量影響較大，對其抗壓、抗折及破壞特征與規(guī)律的研究意義重大。本文以濟(jì)南地區(qū)某大跨綜合管廊結(jié)構(gòu)為背景，系統(tǒng)研究不同纖維長度、摻入量玄武巖纖維混凝土在受壓、受彎狀態(tài)下的最優(yōu)摻量，并從破壞特征、斷裂位移特征分析玄武巖纖維摻入對抗壓、抗折性能的影響原因，其研究成果可為類似工程項(xiàng)目應(yīng)用提供依據(jù)，具有廣闊的應(yīng)用和推廣前景。

1 試驗(yàn)概況

為分析混凝土抗壓、抗折等力學(xué)性能、變形破壞特征規(guī)律受玄武巖纖維的影響，制作的玄武巖纖維混凝土試樣僅改變其中纖維長度和摻量而不改變基準(zhǔn)混凝土配合比，其中纖維長度分別考慮6，12mm 2種，體積摻量考慮0，0.2%，0.4%，0.6% 4種，具體工況如表1所示。

表1 玄武巖纖維混凝土工況

1)單軸壓縮試驗(yàn) 利用位移控制的電液伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，通過控制位移加載速率。需在試樣的上下端涂抹凡士林以消除端部效應(yīng)的影響。試驗(yàn)進(jìn)行前選取符合GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的3個試樣算術(shù)平均值作為其抗壓強(qiáng)度值?？紤]本試驗(yàn)試件為非標(biāo)準(zhǔn)件，其抗壓強(qiáng)度還須乘以尺寸換算系數(shù)0.95，最終結(jié)果精確到0.1MPa。

2)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn) 采取5N/s的加載速率進(jìn)行試驗(yàn)加載，待試樣發(fā)生破壞后的力值回歸到100N時為止；借助CCD相機(jī)采集、監(jiān)測整個試驗(yàn)過程。

2 玄武巖纖維混凝土抗壓強(qiáng)度及破壞特征規(guī)律分析

2.1 抗壓強(qiáng)度分析

玄武巖纖維混凝土抗壓強(qiáng)度規(guī)律如圖1所示，由分析可知：①玄武巖纖維長度為6mm時，混凝土抗壓強(qiáng)度隨著玄武巖纖維摻量的增大，其抗壓強(qiáng)度先增大后降低，最后保持穩(wěn)定，抗壓強(qiáng)度最大值為玄武巖纖維體積摻量在0.2%時，其值為不摻加玄武巖纖維混凝土的1.26倍，最小值為不摻加玄武巖纖維混凝土的1.18倍；②玄武巖纖維長度為12mm時，混凝土抗壓強(qiáng)度隨著玄武巖纖維摻量的增大，其抗壓強(qiáng)度先增大后降低，抗壓強(qiáng)度最大值為玄武巖纖維體積摻量在0.4%時，其值為不摻加玄武巖纖維混凝土的1.36倍；最小值為不摻加玄武巖纖維混凝土的1.28倍。這說明玄武巖纖維可有效提高混凝土抗壓強(qiáng)度。

圖1 玄武巖纖維混凝土抗壓強(qiáng)度規(guī)律

2.2 抗壓強(qiáng)度破壞特征規(guī)律研究

單軸抗壓試驗(yàn)破壞塊體粒徑分布規(guī)律如圖2所示，由分析可知：

圖2 單軸抗壓試驗(yàn)破壞塊體粒徑分布

1)纖維長度為6mm的玄武巖纖維混凝土試塊，單軸壓縮破壞后玄武巖纖維混凝土破壞塊體粒徑分布出現(xiàn)2個峰值，其中一個峰值對應(yīng)的粒徑為2.5～5mm，另一個峰值對應(yīng)的粒徑為<1.25mm。摻量為0的玄武巖纖維混凝土破壞試塊2.5～5mm粒徑峰值占比為80%，而<1.25mm粒徑峰值相對較小，僅為12%；隨著玄武巖纖維摻量的增大，破壞塊體粒徑2.5～5mm占比先降低(0.2%)后增大(0.4%～0.6%)；抗壓強(qiáng)度最優(yōu)體積摻量(0.2%)峰值位置發(fā)生變化，為破壞試塊粒徑峰值>16mm(最大粒徑)，其值為55%，其他基本保持均勻分布。

2)纖維長度為12mm的玄武巖纖維混凝土試塊，受單軸壓縮破壞后玄武巖纖維混凝土破壞塊體粒徑分布出現(xiàn)2～3個峰值，峰值分布差異性相對較大。摻量為0的玄武巖纖維混凝土峰值為2.5～5mm，摻量為0.2%的玄武巖纖維混凝土破壞試塊粒徑峰值>16mm，摻量為0.4%～6%的混凝土破壞試塊粒徑峰值為5～7mm。

整體而言，玄武巖纖維摻量為0.2%，混凝土試塊破壞塊體粒徑主要集中在>16mm；最優(yōu)摻量玄武巖纖維混凝土破壞塊體主粒徑分布均呈現(xiàn)集中分布，其他呈波狀分布，進(jìn)一步驗(yàn)證玄武巖纖維混凝土整體依然表現(xiàn)為脆性破壞；但玄武巖纖維摻入后使得局部受到一定約束，故由脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)變，造成部分破壞塊體粒徑呈波狀分布。

3 玄武巖纖維混凝土抗折強(qiáng)度及破壞規(guī)律

3.1 抗折強(qiáng)度分析

分析表2中玄武巖纖維混凝土抗折特性可知：①玄武巖纖維摻量增大時，混凝土的起裂荷載、起裂韌度變化相對較小，進(jìn)一步說明變形較小時，玄武巖纖維所起作用不明顯；②玄武巖纖維混凝土失穩(wěn)荷載變化相對較大，且失穩(wěn)斷裂韌度變化較大，說明在變形較大時，玄武巖纖維所起作用明顯。

表2 玄武巖纖維混凝土抗折性能參數(shù)

3.2 破壞特征規(guī)律研究

根據(jù)玄武巖纖維混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果匯總得到表3，由分析可知：

表3 抗折試驗(yàn)位移云圖

1)摻量為0的玄武巖纖維混凝土位移云圖中，在預(yù)制裂紋兩側(cè)均出現(xiàn)明顯位移差異，且在預(yù)制裂紋單側(cè)存在2個位移差異區(qū)域。

2)對于摻入玄武巖纖維長度為6，12mm的玄武巖纖維混凝土，其預(yù)制裂紋兩側(cè)均出現(xiàn)明顯位移差異，且預(yù)制裂紋單側(cè)均存在3個位移差異區(qū)域。

3)對比不同摻量玄武巖纖維混凝土的斷裂破壞位移云圖可知：①對于摻入玄武巖纖維長度6mm的玄武巖纖維混凝土，摻入玄武巖纖維致使其預(yù)制裂紋單側(cè)差異區(qū)域由2個位移差異區(qū)域變?yōu)?個，且差異區(qū)域隨著玄武巖纖維摻量增大，由底部逐漸向頂部移動；摻量為0.6%試樣位移差異區(qū)域由水平轉(zhuǎn)變?yōu)榇瓜?；②對于摻入玄武巖纖維長度12mm的玄武巖纖維混凝土，預(yù)制裂紋單側(cè)差異區(qū)域也是由2個位移差異區(qū)域變?yōu)?個，且隨著玄武巖纖維摻量增大，位移云圖差異區(qū)域的差異性越來越小。

4)摻入玄武巖纖維混凝土與普通混凝土的位移云圖差異性小，說明其破壞本質(zhì)由脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)變，最優(yōu)摻量混凝土位移云圖差異性分布更加均勻，使得應(yīng)力集中現(xiàn)象更加不明顯，從而使混凝土有較高強(qiáng)度。

4 結(jié)語

1)玄武巖纖維混凝土較普通混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度均有提高，其次玄武巖纖維混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度對應(yīng)的最優(yōu)摻量范圍在0.2%～0.4%，且纖維長度和受力狀態(tài)均對其最優(yōu)摻量有影響。

2)玄武巖纖維摻入混凝土后改變了局部應(yīng)力與應(yīng)變集中狀態(tài)，增強(qiáng)了局部抵抗應(yīng)力與應(yīng)變的能力，致使其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均有提高。

3)摻入玄武巖纖維的混凝土呈脆性破壞特征，但局部伴有延性破壞。

4)由三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)可知，摻入玄武巖纖維后的混凝土預(yù)制裂縫兩側(cè)位移差值均降低，單側(cè)位移差異區(qū)域分布也呈緩慢階梯變化；而未摻入玄武巖纖維混凝土則是單側(cè)位移差異區(qū)域急劇變化。