玄武巖纖維混凝土快速凍融試驗(yàn)的力學(xué)性能研究

路賽濤

(廣東建科源勝工程檢測(cè)有限公司,廣東 東莞 523728)

1 概 述

在寒冷的鹽堿地區(qū),增強(qiáng)混凝±的抗凍性、耐久性及耐酸堿能力,對(duì)延長(zhǎng)工程使用壽命具有重要意義。 為此,許多學(xué)者進(jìn)行了多方面研究。李慶文等[1]對(duì)玄武巖-聚乙烯醇混雜纖維混凝±抗硫酸鹽侵蝕進(jìn)行了研究,結(jié)果表明混凝±中摻入適量的纖維能有效減少混凝±的質(zhì)量損失。 關(guān)喜彬[2]對(duì)凍融循環(huán)周次對(duì)混雜纖維混凝±孔結(jié)構(gòu)影響試驗(yàn)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,纖維混凝±抗壓和抗拉強(qiáng)度降低。 李智睿等[3]對(duì)凍融循環(huán)下玄武巖纖維混凝±的力學(xué)性能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明摻入適量的纖維可以延緩混凝±初始裂縫的產(chǎn)生。 馬琤飛等[4]對(duì)玄武巖纖維混凝±及其構(gòu)件的基本性能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明混凝±中摻入適量的玄武巖纖維,能有效提高混凝±的抗拉強(qiáng)度和抗裂性能。 王春曉等[5]對(duì)基于孔結(jié)構(gòu)分形的混雜纖維混凝±抗凍性能進(jìn)行了研究,纖維混凝±中摻入適量的粉煤灰,能有效提高混雜纖維混凝±的抗凍性能。

本文結(jié)合前人的研究成果,通過(guò)試驗(yàn),研究纖維混凝±的抗壓及抗凍性能,分析玄武巖纖維混凝±在凍融環(huán)境下的力學(xué)性能,為混凝±材料的使用提供參考。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)制備的混凝±采用P. O42.5 硅酸鹽水泥,粒徑為0.25～0.5mm 的優(yōu)質(zhì)河砂,粒徑為5～20mm 的花崗石碎石,采用日常用水為混凝±攪拌水,摻入的玄武巖纖維長(zhǎng)度25mm,物理特征見表1。

表1 玄武巖纖維物理性能

本次試驗(yàn)以C40 素混凝±為基礎(chǔ),摻入一定量的玄武巖纖維制備玄武巖纖維混凝±,摻入量分別為0. 045%、0. 09%、0. 135%、0. 18%。 以此4 類玄武巖纖維混凝±和素混凝±(纖維摻入量0.0%)共5 類混凝±作為試驗(yàn)對(duì)象,進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。 素混凝±的配合比見表2。

2.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)混凝±力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn),制作素混凝±和玄武巖纖維混凝±。 首先制備3 組素混凝±和不同纖維摻量的玄武巖纖維混凝±試件,有效尺寸長(zhǎng)×寬×高為100mm×100mm×400mm,每組5 個(gè),共15 個(gè)混凝±試件,用作混凝±抗折和靜態(tài)耐久性試驗(yàn)。 再制作6 組素混凝±和不同纖維摻量的玄武巖纖維混凝±試件,有效尺寸長(zhǎng)×寬×高為100mm×100mm×100mm,每組5 個(gè),共30 個(gè)混凝±試件,用作抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)。 混凝±使用材料的總量精確至±0.4%范圍,水泥和骨料精確至±1.2%范圍。

本次凍融試驗(yàn)采用混凝±快速凍融試驗(yàn)箱。在進(jìn)行試驗(yàn)前,將制備好的5 類混凝±試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)23 天,然后取出后放入不同的凍融介質(zhì)里浸泡5 天,當(dāng)齡期為28 天后進(jìn)行凍融試驗(yàn)。試驗(yàn)所用的凍融介質(zhì)分別為清水、3% NaCl 溶液、4% Na2SO4溶液。 將試件放入凍融介質(zhì)后,維持設(shè)備凍融循環(huán)測(cè)試部件4h/次,并且設(shè)備維持凍結(jié)中心有效溫度為-18℃,融化中心有效溫度為5℃,保持測(cè)試部件維持凍融狀態(tài),使其效果一致。 試驗(yàn)每25 次凍融循環(huán)后對(duì)混凝±進(jìn)行測(cè)試,當(dāng)相對(duì)動(dòng)彈性模量降低至45%、實(shí)際質(zhì)量損失達(dá)到10%時(shí),試驗(yàn)結(jié)束。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量分析

根據(jù)凍融循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù),素混凝±和玄武巖纖維混凝±在不同凍融介質(zhì)中,其相對(duì)動(dòng)彈性模量隨著凍融次數(shù)的變化曲線見圖1。

圖1 混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量曲線

由圖1(a)可知,素混凝±和纖維摻入量分別為0.045%、0.09%、0.135%、0.18%的玄武巖纖維混凝±,在清水介質(zhì)凍融環(huán)境下,凍融循環(huán)25 次時(shí),相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為99.9%、99.9%、99.9%、100%、99.9%;凍融循環(huán)75 次時(shí),相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為93.3%、94.4%、94.8%、96.4%、95.7%;凍融循環(huán)150 次時(shí),相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為64.1%、71.4%、73.1%、80.8%、78.1%。 由此可知,前50 次凍融循環(huán)時(shí),素混凝±和4 類玄武巖纖維混凝±的相對(duì)動(dòng)彈性模量均變化較小,曲線基本為直線;50 次凍融循環(huán)后,素混凝±和4 類玄武巖纖維混凝±的相對(duì)動(dòng)彈性模量均快速減小,其中素混凝±變化最快,摻量為0.135%的玄武巖纖維混凝±變化最慢。

由圖1(b)可知,素混凝±和纖維摻入量分別為0.045%、0.09%、0.135%、0.18%的玄武巖纖維混凝±,在3% NaCl 溶液介質(zhì)凍融環(huán)境下,凍融循環(huán)25 次時(shí),相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為97. 9%、98.3%、99.1%、99.2%、99%;凍融循環(huán)75 次時(shí),相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為86. 2%、87%、87. 6%、90.4%、89.2%;凍融循環(huán)150 次時(shí),相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為44.1%、44.3%、48.3%、56.4%、51.4%。由此可知,前50 次凍融循環(huán)時(shí),纖維摻量為0.09%、0.135%、0. 18%玄武巖纖維混凝±的相對(duì)動(dòng)彈性模量均變化較小;50～100 次凍融循環(huán)階段,混凝±相對(duì)動(dòng)彈性模量逐漸減小;100 次凍融循環(huán)后,混凝±損害較嚴(yán)重,相對(duì)動(dòng)彈性模量快速減小。 隨著凍融循環(huán)的增加,素混凝±和纖維摻量為0.045%玄武巖纖維混凝±,其相對(duì)動(dòng)彈性模量下降迅速,其曲線變化程度基本一致。

由圖1(c)可知,素混凝±和纖維摻入量分別為0.045%、0.09%、0.135%、0.18%的玄武巖纖維混凝±,在4% Na2SO4溶液介質(zhì)凍融環(huán)境下,凍融循環(huán)25 次時(shí),相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為98.9%、99.4%、99.4%、99.4%、99.4%;凍融循環(huán)75 次時(shí),相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為88.7%、90.7%、93.1%、94.2%、93%;凍融循環(huán)150 次時(shí),相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為46.9%、47.7%、56.2%、60.2%、57.1%。 由此可知,前50 次凍融循環(huán)時(shí),素混凝±和4 類玄武巖纖維混凝±的相對(duì)動(dòng)彈性模量均變化較小,曲線較平緩;50 次凍融循環(huán)后,混凝±的相對(duì)動(dòng)彈性模量均快速減小,其中素混凝±的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化最快,摻量為0.135%的玄武巖纖維混凝±變化最慢。

由圖1 可知,纖維摻量分別為0.09%、0.135%、0.18%的玄武巖纖維混凝±,在不同介質(zhì)凍融環(huán)境下,前50 次凍融循環(huán)時(shí),其相對(duì)動(dòng)彈性模量均變化較小,曲線較平緩;50 次凍融循環(huán)后,其相對(duì)動(dòng)彈性模量均快速減小;在50～100 次凍融循環(huán)階段,混凝±損傷嚴(yán)重：在150 次凍融循環(huán)時(shí),混凝±試件主體破壞。 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,素混凝±和摻量為0.045%的玄武巖纖維混凝±相對(duì)動(dòng)彈性模量均快速減小,變化較明顯。 在相同凍融循環(huán)條件下,素混凝±的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化最快,摻量為0.135%的玄武巖纖維混凝±變化最慢。

3.2 混凝土抗壓強(qiáng)度分析

根據(jù)凍融循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù),素混凝±和玄武巖纖維混凝±在不同凍融介質(zhì)中,其抗壓強(qiáng)度隨著凍融次數(shù)的變化曲線見圖2。

圖2 混凝土抗壓強(qiáng)度曲線

由圖2(a)可知,素混凝±和纖維摻入量分別為0.045%、0.09%、0.135%、0.18%的玄武巖纖維混凝±,在清水介質(zhì)凍融環(huán)境下,凍融循環(huán)25 次時(shí),混凝±的抗壓強(qiáng)度分別為36. 5、37、38.1、39.8 和38.8MPa;凍融循環(huán)75 次時(shí),混凝±的抗壓強(qiáng)度分別為33. 5、34. 9、36. 7、38. 6 和37.3MPa;凍融循環(huán)150 次時(shí),混凝±的抗壓強(qiáng)度分別為24.6、24.8、27.7、30.3 和29.5MPa。 由此可知,前50 次凍融循環(huán)時(shí),素混凝±和4 類玄武巖纖維混凝±的抗壓強(qiáng)度均逐漸降低,曲線較平緩;50 次凍融循環(huán)后,混凝±的抗壓強(qiáng)度均快速降低,表明其內(nèi)部損傷增加較快。 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,素混凝±的抗壓強(qiáng)度降低最快;纖維摻量為0.135%的玄武巖纖維混凝±,其抗壓強(qiáng)度降低最慢。

由圖2(b)可知,素混凝±和纖維摻入量分別為0.045%、0.09%、0.135%、0.18%的玄武巖纖維混凝±,在3% NaCl 溶液介質(zhì)凍融環(huán)境下,凍融循環(huán)25 次時(shí),混凝±的抗壓強(qiáng)度分別為36. 5、37.1、37.6、39.6 和38.2MPa;凍融循環(huán)75 次時(shí),混凝±的抗壓強(qiáng)度分別為29、30.2、31.3、34.6 和33.7MPa;凍融循環(huán)150 次時(shí),混凝±的抗壓強(qiáng)度分別為17、18、19、23 和21MPa。 由此可知,前25 次凍融循環(huán)時(shí),素混凝±和4 類玄武巖纖維混凝±的抗壓強(qiáng)度均逐漸降低,降低幅度基本一致;在25～75 次凍融循環(huán)階段,纖維摻量分別為0.09%、0.135%、0.18%的玄武巖纖維混凝±,其抗壓強(qiáng)度降低幅度變化不大,素混凝±和纖維摻量為0.045%的玄武巖纖維混凝±則快速降低;75 次凍融循環(huán)后,素混凝±和4 類玄武巖纖維混凝±的抗壓強(qiáng)度均快速降低,表明混凝±試件在此階段內(nèi)部產(chǎn)生了嚴(yán)重的破壞。

由圖2(c)可知,素混凝±和纖維摻入量分別為0.045%、0.09%、0.135%、0.18%的玄武巖纖維混凝±,在4% Na2SO4溶液介質(zhì)凍融環(huán)境下,凍融循環(huán)25 次時(shí),混凝±的抗壓強(qiáng)度分別為36.3、37.3、37.9、39.7 和38.6MPa;凍融循環(huán)75 次時(shí),混凝±的抗壓強(qiáng)度分別為32.6、33.1、36、38.3 和36.8MPa;凍融循環(huán)150 次時(shí),混凝±的抗壓強(qiáng)度分別為18.9、19.2、21.1、23.7 和22.2MPa。 由此可知,前75 次凍融循環(huán)時(shí),素混凝±和4 類玄武巖纖維混凝±的抗壓強(qiáng)度均逐漸降低,曲線較平緩;75 次凍融循環(huán)后,混凝±的抗壓強(qiáng)度均快速降低,表明其內(nèi)部損傷開始增大。 在相同凍融循環(huán)次數(shù)條件下,素混凝±的抗壓強(qiáng)度降低最快;纖維摻量0.135%的玄武巖纖維混凝±抗壓強(qiáng)度降低最慢。

由圖2 可知,在清水介質(zhì)和3% NaCl 溶液介質(zhì)凍融環(huán)境下,前50 次凍融循環(huán)時(shí),素混凝±和4 類玄武巖纖維混凝±的抗壓強(qiáng)度均逐漸降低,曲線較平緩。 在4% Na2SO4溶液介質(zhì)凍融環(huán)境下,前75 次凍融循環(huán)時(shí),素混凝±和4 類玄武巖纖維混凝±的抗壓強(qiáng)度均逐漸降低。 在相同凍融循環(huán)次數(shù)條件下,素混凝±的抗壓強(qiáng)度降低最快;纖維摻量0.135%的玄武巖纖維混凝±抗壓強(qiáng)度降低最慢。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)不同介質(zhì)的凍融循環(huán)試驗(yàn),對(duì)素混凝±和不同纖維摻量的玄武巖纖維混凝±的力學(xué)特征進(jìn)行了分析,結(jié)論如下：

1)在不同介質(zhì)凍融環(huán)境下,纖維摻量分別為0.09%、0.135%、0.18%的玄武巖纖維混凝±,前50 次凍融循環(huán)時(shí),其相對(duì)動(dòng)彈性模量均變化較小;50 次凍融循環(huán)后,其相對(duì)動(dòng)彈性模量均快速減小。 而素混凝±和摻量為0.045%的玄武巖纖維混凝±相對(duì)動(dòng)彈性模量,隨著凍融次數(shù)的增加均快速減小。

2)在清水介質(zhì)和3% NaCl 溶液介質(zhì)凍融環(huán)境下,前50 次凍融循環(huán)時(shí),素混凝±和纖維摻量分別為0.45%、0.09%、0.135%、0.18%的玄武巖纖維混凝±的抗壓強(qiáng)度均逐漸降低;50 次凍融循環(huán)后,抗壓強(qiáng)度快速降低。 在4% Na2SO4溶液介質(zhì)凍融環(huán)境下,前75 次凍融循環(huán)時(shí),素混凝±和玄武巖纖維混凝±的抗壓強(qiáng)度降低緩慢。

3)在相同凍融循環(huán)次數(shù)條件下,素混凝±相對(duì)動(dòng)彈性模量變化最快;纖維摻量0.135%的玄武巖纖維混凝±的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化最慢。素混凝±的抗壓強(qiáng)度降低最快;纖維摻量0.135%的玄武巖纖維混凝±抗壓強(qiáng)度降低最慢。