玄武巖纖維混凝土工作特性受纖維摻量影響的反復(fù)受壓試驗(yàn)研究

陶 琦， 付 強(qiáng)， 王悅石， 夏熙蕾

(1. 中鐵十九局集團(tuán)第六工程有限公司，江蘇 無(wú)錫 214028; 2. 淮陰工學(xué)院交通工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

0 引 言

纖維混凝土具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能，在公路、鐵路、大壩、高層建筑等土木工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。纖維按其種類主要有鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維等。其中，玄武巖纖維是一種新興環(huán)保型無(wú)機(jī)纖維材料[1-2]，其以高性價(jià)比（價(jià)格為碳纖維的1/10）[3]、高抗拉強(qiáng)度、高阻裂性能及耐酸堿性著稱，并且與水泥基能很好相容，分散性佳[4]，一般認(rèn)為其在混凝土峰值應(yīng)力后期能顯著改善混凝土結(jié)構(gòu)的受力及變形特性[5]，獲得良好的工程效果和經(jīng)濟(jì)效益。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)玄武巖纖維混凝土物理力學(xué)特性開(kāi)展了大量研究，Ramakrishnan等[6]開(kāi)展了玄武巖纖維混凝土早期性能試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)適量纖維摻入可有效防止發(fā)生混凝土離析，提高其保水性和黏聚性，從而減小混凝土早期收縮、抑制早期開(kāi)裂。王鈞等[7]對(duì)不同體積摻量的短切玄武巖纖維混凝土分別進(jìn)行立方體抗壓、軸心抗壓、劈裂抗拉、抗折試驗(yàn)，結(jié)果表明當(dāng)纖維體積摻量為0.1%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，劈拉強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度則隨著纖維摻量的增加而持續(xù)增大。文獻(xiàn)[8-9]關(guān)于玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能的研究表明，在混凝土中摻入玄武巖纖維，能顯著提高混凝土的彎拉強(qiáng)度、抗裂能力、沖擊韌性等。趙燕茹等[10]采用數(shù)字圖像相關(guān)方法對(duì)不同纖維摻量混凝土試件進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明玄武巖纖維的加入能夠提高混凝土平均峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變，但對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線上升段改變不明顯。

然而以上研究主要集中在單調(diào)荷載作用下，對(duì)于受循環(huán)荷載的研究鮮見(jiàn)報(bào)道?；炷两Y(jié)構(gòu)物在設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)可能遭受地震作用，開(kāi)展玄武巖纖維混凝土在循環(huán)受壓條件下的力學(xué)行為具有工程意義。本文通過(guò)進(jìn)行重復(fù)加載試驗(yàn)，探究不同纖維摻量的玄武巖混凝土在反復(fù)受力荷載下的力學(xué)響應(yīng)，以期為玄武巖纖維混凝土的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。

1 模型試驗(yàn)介紹

1.1 試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)采用型號(hào)為RMT-301的巖石性能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，配備高精度壓力傳感器，最大軸壓為2 000 kN，分別在豎向和橫向布置位移傳感器（LVDT）測(cè)量混凝土試件軸向和側(cè)向變形，試驗(yàn)加載示意如圖1所示。

圖1 混凝土循環(huán)受壓試驗(yàn)簡(jiǎn)圖

1.2 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)采用普通硅酸鹽水泥（P.O 42.5），粗骨料采用粒徑為5～26.5 mm的連續(xù)級(jí)配碎石，表觀密度2437 kg/m3，細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.42的河沙，拌和水為自來(lái)水，采用西卡聚羥酸高效減水劑，減水率為20%。按照CECS13-2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，混凝土試樣尺寸為150 mm×150 mm×300 mm，采用強(qiáng)度等級(jí)為C40的混凝土，其配合比見(jiàn)表1。玄武巖纖維購(gòu)自常州筑威建筑材料有限公司，參考前人研究成果[11]，確定本次試驗(yàn)玄武巖纖維體積摻量Vf為0.05%、0.10%和0.15%，并以無(wú)纖維摻量(Vf=0)的普通混凝土作為參照組，玄武巖纖維主要物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。為了減小試驗(yàn)誤差，對(duì)于每種玄武巖體積摻量的試件至少開(kāi)展3組試驗(yàn)，當(dāng)3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差控制在10%以內(nèi)時(shí)，取其平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

表1 混凝土設(shè)計(jì)配合比kg/m3

表2 玄武巖纖維主要物理力學(xué)指標(biāo)

試驗(yàn)時(shí)先按配合比將水泥、骨料和水加入攪拌機(jī)中攪拌，為了防止纖維結(jié)團(tuán)，將玄武巖纖維分3次均勻撒入，攪拌充分后（不少于3 min）倒入模具，采用振動(dòng)棒振搗均勻。澆筑后待初凝完成對(duì)試件進(jìn)行編號(hào)，在室溫下靜置24 h，脫模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室放置28 d。

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)前，需要對(duì)每組試件進(jìn)行預(yù)加載，使試件表面與加載設(shè)備充分貼合，消除誤差。結(jié)合文獻(xiàn)[12-13]，為了使加卸載方式更符合混凝土結(jié)構(gòu)物受反復(fù)荷載下實(shí)際情況，加載和卸載分別采用不同的加載模式，加載采用位移控制，加載速度V加載=0.01 mm/s，而卸載采用力控制模式，卸載速度V卸載=10 kN/s，加卸載路徑示意圖如圖2所示。試驗(yàn)過(guò)程中，加載系統(tǒng)可自動(dòng)采集荷載和變形實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。另，為了確定試件強(qiáng)度指標(biāo)，開(kāi)展了兩組混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)：抗壓試驗(yàn)和劈拉試驗(yàn)。

圖2 加卸載路徑示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 玄武巖纖維摻量對(duì)強(qiáng)度特性的影響

圖3為不同玄武巖纖維摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度及劈拉強(qiáng)度的影響規(guī)律。從圖中可以看出，隨著玄武巖纖維體積摻量Vf的增加，混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度略有增加，Vf從0增至0.15%，抗壓強(qiáng)度僅增加2.75%；而劈拉強(qiáng)度則較為明顯的增加，Vf在同樣增幅下，劈拉強(qiáng)度則增加了15.4%?？梢?jiàn)，摻入玄武巖纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不及劈拉強(qiáng)度明顯。

圖3 不同玄武巖纖維摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度特性的變化規(guī)律

2.2 玄武巖纖維摻量對(duì)全應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響

表3匯總了不同玄武巖纖維摻量混凝土循環(huán)受壓主要力學(xué)指標(biāo)。從表中可見(jiàn)，混凝土試樣峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變及殘余應(yīng)變隨玄武巖纖維摻量的增加均有不同程度的增大。

圖4為不同玄武巖纖維摻量混凝土在循環(huán)壓力荷載下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中縱坐標(biāo)采用歸一化的應(yīng)力值，σpeak為峰值應(yīng)力。由圖可知：從包絡(luò)線來(lái)看，不論是素混凝土還是不同玄武巖纖維摻量混凝土，在循環(huán)加載下其應(yīng)力-應(yīng)變曲線包絡(luò)線均呈先增后減的變化趨勢(shì)，其形態(tài)與“正偏態(tài)分布”相似。可將應(yīng)力-應(yīng)變包絡(luò)曲線從峰值處劃分為上升段和下降段兩部分。對(duì)于上升段，不同玄武巖纖維摻量的混凝土，其應(yīng)力-應(yīng)變包絡(luò)線基本重疊，即力學(xué)特性受纖維摻量的影響較??；而對(duì)于下降段，素混凝土應(yīng)力-應(yīng)變包絡(luò)線出現(xiàn)明顯的陡降現(xiàn)象（圖4(a)），而玄武巖纖維混凝土包絡(luò)線下降稍緩，最終殘余應(yīng)變也較大，且隨著纖維摻量的增加，包絡(luò)線下降越平緩，說(shuō)明玄武巖纖維增強(qiáng)了混凝土受壓韌性。

圖4 不同玄武巖纖維摻量對(duì)混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響

從反復(fù)加卸載下應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)曲線看，相鄰卸載和再加載曲線形成了滯回圈，滯回圈面積大小等于能量耗散值（下文具體分析），反映了混凝土材料的延性。在峰值應(yīng)力之前，普通混凝土和各纖維摻量混凝土的滯回圈均較小，試件處于彈性或彈塑性狀態(tài)；而峰值應(yīng)力后，試件進(jìn)入塑性階段，滯回圈則先逐漸擴(kuò)大而后逐漸趨于消失（結(jié)構(gòu)失效）。同時(shí)，相較于普通混凝土，相同循環(huán)荷載下玄武巖纖維混凝土的滯回圈要更加飽滿，這意味著玄武巖纖維混凝土受壓延性和阻裂性更好。

對(duì)以上試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析：在循環(huán)壓應(yīng)力作用下，玄武巖纖維的摻入可有效降低混凝土內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生。并且通過(guò)橋接作用緩解微裂縫端部的應(yīng)力集中，增強(qiáng)裂縫的抗阻能力，減小裂縫擴(kuò)展速度。另外一方面，由于泊松比效應(yīng)，豎向壓力下試件產(chǎn)生橫向變形，且在側(cè)向上的循環(huán)拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生微裂縫，具有良好抗拉強(qiáng)度的玄武巖纖維阻止了拉裂縫的產(chǎn)生。另外，混凝土基體自身也存在孔洞、微裂隙等缺陷，一定范圍摻量的玄武巖纖維對(duì)孔洞等進(jìn)行分割、細(xì)化，使其分布更加均勻，有效改善基體內(nèi)部缺陷。

圖5為循環(huán)受壓下玄武巖纖維混凝土全應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖。從圖中，可將應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為 5個(gè)階段：彈性階段（OA段）、彈塑性階段（AB段）、塑性階段（BC段）、持續(xù)破壞階段（CD段）、收斂階段（DE段）。對(duì)于OA段，試件處于彈性狀態(tài)，表面無(wú)裂縫，水泥基、骨料及纖維粘結(jié)良好，三者共同受力變形，循環(huán)荷載下試件剛度不變；對(duì)于AB段，試件開(kāi)始進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，水泥基與骨料界面開(kāi)始滑移破壞，表面出現(xiàn)幾條細(xì)小裂縫，隨著荷載增大寬度有所擴(kuò)張，玄武巖纖維開(kāi)始發(fā)揮阻裂增韌作用，曲線上升變緩；對(duì)于BC段，試件出現(xiàn)第一條宏觀裂縫，隨著豎向荷載增大，形成貫通斜裂縫，纖維阻裂作用明顯，并伴隨表面保護(hù)層剝落，剛度降低；對(duì)于CD段，在正應(yīng)力和剪應(yīng)力耦合作用下，宏觀裂縫發(fā)展成為主裂縫，此時(shí)玄武巖纖維的橋接作用充分發(fā)揮，處于受拉狀態(tài)，局部甚至被拉斷；對(duì)于DE段，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試件裂縫不斷擴(kuò)展、貫通，逐漸趨于破壞，承載能力失效。

圖5 循環(huán)壓應(yīng)力下典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3 玄武巖纖維摻量對(duì)力學(xué)性能退化的影響

在反復(fù)壓載作用下，混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)微裂縫和損傷，表現(xiàn)為其力學(xué)性能不同程度的退化。為研究方便，常常采用應(yīng)力退化率[14-15]和損傷系數(shù)[16]來(lái)定量描述混凝土力學(xué)性能的退化程度。對(duì)于應(yīng)力退化率α，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：σre——再加載曲線在上一級(jí)卸載點(diǎn)應(yīng)變?chǔ)舥n所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值；

σun——卸載點(diǎn)應(yīng)力值。

其幾何意義如圖6所示。當(dāng)α=0表示循環(huán)荷載下混凝土結(jié)構(gòu)完全喪失承載能力，當(dāng)α=1表示混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能保持不變。

圖6 混凝土循環(huán)受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線示意圖

圖7為反復(fù)壓應(yīng)力作用條件下不同玄武巖纖維摻量混凝土應(yīng)力退化率與應(yīng)變的關(guān)系曲線圖。從圖中可以看出，隨著軸向應(yīng)變的增加，纖維混凝土試樣應(yīng)力退化率先迅速降低再逐漸趨于平緩，分界點(diǎn)應(yīng)變值約為1.5‰。再分析玄武巖纖維體積摻量對(duì)應(yīng)力退化率的影響，當(dāng)ε＜1.5‰時(shí)，混凝土試樣應(yīng)力退化率幾乎不受纖維摻量的影響；當(dāng)ε＞1.5‰時(shí)，退化率曲線隨玄武巖纖維摻量的增加逐漸抬升，應(yīng)力退化率逐漸增大，即玄武巖纖維的存在顯著減緩了循環(huán)荷載下混凝土力學(xué)性能的退化。

圖7 循環(huán)荷載下玄武巖纖維混凝土應(yīng)力退化率與應(yīng)變關(guān)系圖

對(duì)于混凝土損傷系數(shù)d，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：E0——初始切線模量；

Ed——卸載模量。

其幾何意義如圖6所示。當(dāng)d=0表示混凝土結(jié)構(gòu)沒(méi)有損傷，當(dāng)d=1表示混凝土結(jié)構(gòu)徹底失效。圖8為循環(huán)荷載下玄武巖纖維混凝土損傷系數(shù)與應(yīng)變的關(guān)系曲線圖。從圖中可以看出，損傷系數(shù)隨應(yīng)變的變化曲線可分為三段：當(dāng)ε＜2‰時(shí)，混凝土試樣的損傷系數(shù)維持在0附近；當(dāng)2‰＜ε＜6‰時(shí)，隨著應(yīng)變的發(fā)展，損傷系數(shù)迅速上升；當(dāng)ε＞6‰時(shí)，損傷系數(shù)的增加隨著應(yīng)變的增大逐漸趨于緩慢。另外一方面，玄武巖纖維摻量對(duì)混凝土損傷系數(shù)的影響較為明顯，隨著纖維摻量的增加，損傷曲線整體向右下方偏移，即同一應(yīng)變條件（ε＞2‰）下，隨著纖維摻量的增加，損傷系數(shù)越小。盡管在小應(yīng)變范疇（ε＜2‰），玄武巖纖維摻量的影響甚微。

圖8 循環(huán)荷載下玄武巖纖維混凝土損傷系數(shù)與應(yīng)變關(guān)系圖

綜合應(yīng)力退化率和損傷系數(shù)的變化規(guī)律，分析其原因：在小應(yīng)變條件下，混凝土結(jié)構(gòu)僅局部出現(xiàn)微裂縫，玄武巖纖維的約束作用難以得到發(fā)揮。隨著軸壓應(yīng)變的增大，裂縫逐漸擴(kuò)展，玄武巖纖維的橋接作用有效減緩裂縫在數(shù)量和尺寸上的發(fā)展速度，從而顯著改善軸壓下混凝土的延性和韌性。

2.4 玄武巖纖維摻量對(duì)能量耗散的影響

循環(huán)荷載下材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線隱含了能量傳遞的信息。在動(dòng)力分析中，將卸載路徑與再加載路徑對(duì)應(yīng)曲線所組成的封閉曲線，稱為一個(gè)閉回環(huán)或滯回圈，其面積有著明確的物理意義：即一個(gè)加卸載循環(huán)所耗散的能量值，滯回圈面積越大，耗散能力越多。根據(jù)圖4，很容易得到不同玄武巖纖維摻量混凝土每次加卸載循環(huán)所耗散的能量，結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，能量耗散隨加載次數(shù)n呈先增后減的變化趨勢(shì)，呈“金字塔”形，在n=4時(shí)達(dá)到能力耗散的峰值（48.65 MPa·mm）。同時(shí)，玄武巖纖維摻量對(duì)能量耗散的影響可劃為兩個(gè)階段進(jìn)行分析：當(dāng)n＜4時(shí)，混凝土在循環(huán)壓應(yīng)力下處于彈性變形狀態(tài)，不同玄武巖纖維摻量的曲線基本重合，能量耗散不隨玄武巖纖維摻量的變化而變化；當(dāng)n＞4時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土試樣進(jìn)入彈塑性變形階段，且隨著纖維摻量的增大，能量耗散越大。分析原因，在軸心力循環(huán)次數(shù)較低時(shí)，玄武巖纖維混凝土還未出現(xiàn)肉眼所見(jiàn)的宏觀裂縫，纖維和基體組成有機(jī)整體，裹挾良好，共同受力，玄武巖纖維對(duì)循環(huán)荷載作用下能量的耗散并未起到作用。而隨著軸向力循環(huán)次數(shù)的增加，玄武巖纖維混凝土在軸向壓力下出現(xiàn)宏觀裂縫，此時(shí)玄武巖纖維起著橋接裂縫方面發(fā)揮重要作用，并通過(guò)與混凝土基體之間的黏結(jié)作用、界面滑移甚至拔出，吸收了大量能量。由此，在實(shí)際地震工程中，玄武巖纖維可增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的抗震吸能特性。

圖9 玄武巖纖維混凝土能量耗散與循環(huán)加載次數(shù)關(guān)系曲線關(guān)系圖

3 結(jié)束語(yǔ)

1）玄武巖纖維對(duì)增強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗劈拉強(qiáng)度均有貢獻(xiàn)，但對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響稍小。當(dāng)玄武巖纖維體積摻量范圍在0.05%～0.15%時(shí)，纖維摻量越高，試件峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、殘余應(yīng)變?cè)酱蟆?/p>

2）循環(huán)荷載下混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線包絡(luò)線相似，呈近似“正偏態(tài)分布”，與普通混凝土相比，玄武巖纖維混凝土表現(xiàn)出明顯的延性和阻裂性，且與纖維摻量成正相關(guān)。

3）在混凝土性能退化方面，隨著軸向應(yīng)變的增大，應(yīng)力退化率呈下降趨勢(shì)，而損傷系數(shù)則呈上升趨勢(shì)。玄武巖纖維的存在顯著抑制了混凝土性能退化。

4）隨加卸載循環(huán)次數(shù)變化，能量耗散曲線呈“金字塔”型。玄武巖纖維的橋接作用吸收了大量能量，有利于混凝土結(jié)構(gòu)的抗震特性。