李海光，孫文智，邱慶莉，王潤建

(1.金華市公路管理局，浙江 金華 321013;2.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058；3.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所，北京 100088)

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玄武巖混合纖維混凝土彎曲韌性特征研究

李海光1，孫文智1，邱慶莉2，王潤建3

(1.金華市公路管理局，浙江 金華 321013;2.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058；3.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所，北京 100088)

通過方板彎曲能量韌性試驗(yàn)和三分點(diǎn)梁彎曲韌性試驗(yàn)，研究了玄武巖纖維和鋼纖維混合對(duì)混凝土韌性特征的影響。對(duì)混合纖維混凝土進(jìn)行抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)比玄武巖纖維混凝土強(qiáng)度，研究?jī)煞N纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響。借鑒歐洲EFNARC韌度等級(jí)劃分和美國規(guī)范ASTM C1018韌性指數(shù)等標(biāo)準(zhǔn)，在彎曲韌性試驗(yàn)中獲得變形能量值和韌性指數(shù)，評(píng)價(jià)玄武巖混合纖維混凝土的彎曲韌性特征。試驗(yàn)結(jié)果表明，混合纖維混凝土方板能量值達(dá)500 J以上，韌性能量等級(jí)達(dá)到B級(jí)，3根試驗(yàn)梁韌性指數(shù)比接近100，韌度值均達(dá)到優(yōu)秀，兩個(gè)韌性試驗(yàn)均表現(xiàn)出混合纖維混凝土的良好韌性特征；玄武巖纖維混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度較素混凝土增長(zhǎng)比例達(dá)11%以上，與鋼纖維混合作用時(shí)，混凝土強(qiáng)度增加更為明顯，強(qiáng)度增長(zhǎng)比例達(dá)16%～20%。

隧道工程；彎曲韌性；韌性試驗(yàn)；纖維混凝土；強(qiáng)度；玄武巖纖維；鋼纖維

0 引言

玄武巖纖維(Basalt fiber，簡(jiǎn)稱BF)以天然玄武巖礦石為原料，經(jīng)1 450～1 500 ℃熔窯熔融后拉絲制成連續(xù)纖維，是21世紀(jì)新型的環(huán)保型纖維。與其他纖維相比，玄武巖纖維具有突出的力學(xué)性能，化學(xué)性能穩(wěn)定，生產(chǎn)原料來源廣泛，具有較好的性價(jià)比。作為一種典型的硅酸鹽纖維，玄武巖纖維與混凝土混合時(shí)容易分散，與混凝土具有天然的相容性，在混凝土工程中的應(yīng)用和研究越來越受到關(guān)注。

Morova對(duì)玄武巖纖維瀝青混凝土進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定性試驗(yàn)，研究了玄武巖纖維在熱拌瀝青混凝土路面中應(yīng)用的可行性[1]。Asprone通過準(zhǔn)靜態(tài)彎拉試驗(yàn)得出玄武巖纖維在砂漿中有橋梁作用，與素砂漿相比表現(xiàn)出更強(qiáng)的韌性和高應(yīng)變速率敏感性[2]。Kabay試驗(yàn)結(jié)果表明玄武巖纖維即使在低摻量下也能提高混凝土的韌性強(qiáng)度、抗裂性能及抗磨蝕性能[3]。Najafi研究認(rèn)為玄武巖纖維能明顯增強(qiáng)混凝土沖擊韌性，與碳纖維混合時(shí)表現(xiàn)出更強(qiáng)的韌性特征，沖擊能量值最大達(dá)到219 kJ/m2，是建筑結(jié)構(gòu)中非常有前景的復(fù)合材料[4]。玄武巖纖維對(duì)混凝土或砂漿的強(qiáng)度、耐久性、增韌和沖擊變形等性能的影響，在國內(nèi)也得到了廣泛的研究[5-9]。

混凝土材料本身固有抗拉強(qiáng)度低、韌性差、易開裂且裂后裂縫寬度難以控制等突出缺點(diǎn)，使得混凝土結(jié)構(gòu)存在許多安全隱患。提高混凝土韌性，有效限制早期收縮裂縫，使混凝土材料具備高耗能能力，無疑成為未來混凝土的發(fā)展方向[10]。

彎曲韌性是衡量纖維混凝土耗能能力的重要指標(biāo)，目前許多國家已經(jīng)推出了纖維混凝土韌性標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如美國ASTM C1018規(guī)范的彎曲韌性指數(shù)、歐洲噴射混凝土標(biāo)準(zhǔn)EFNARC的韌度等級(jí)劃分、日本JSCE SF4方法的等效抗彎強(qiáng)度及國內(nèi)纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)等，這些指標(biāo)都是針對(duì)鋼纖維混凝土在彎曲荷載下韌性性能提出的[11-12]，能夠很好地描述纖維混凝土的韌性水平。

與普通混凝土相比，鋼纖維混凝土強(qiáng)度高，抗?jié)B性和抗沖擊性能好，已廣泛運(yùn)用在混凝土結(jié)構(gòu)中[13]。但是鋼纖維混凝土造價(jià)高、回彈大，高摻量鋼纖維噴射混凝土施工難度大。本文以某公路隧道修復(fù)加固工程為背景，在試驗(yàn)段鋼纖維噴射混凝土襯砌中摻入玄武巖纖維形成混合纖維襯砌，參考國內(nèi)外韌性特征評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，探究玄武巖混合纖維對(duì)混凝土韌性特征的影響。研究結(jié)果將改善鋼纖維混凝土的不足，為提高混凝土韌性特征，推廣玄武巖混合纖維在混凝土結(jié)構(gòu)中，特別是隧道襯砌噴射混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)試件取自隧道試驗(yàn)段初期支護(hù)噴射混凝土，強(qiáng)度設(shè)計(jì)為C30，切割而成。膠凝材料采用P.O42.5R水泥(符合GB175 2007的規(guī)定)，粗骨料采用5～10 mm碎石，最大粒徑不超過10 mm，粒徑連續(xù)，級(jí)配合理；細(xì)骨料采用河砂，細(xì)度模數(shù)大于2.5；拌和水采用飲用水，添加劑有JZ-C減水劑，液體TY-3速凝劑。鋼纖維采用YSF0530鋼纖維，直徑0.55 mm，長(zhǎng)度30 mm；玄武巖纖維采用GBF501YE1短切玄武巖纖維，長(zhǎng)度30 mm，直徑18 μm。試驗(yàn)配合比按C30噴射混凝土設(shè)計(jì)，見表1。

表1 C30噴射混凝土配合比

1.2 試件成型和養(yǎng)護(hù)

隧道試驗(yàn)段初襯噴射時(shí)，將試驗(yàn)?zāi)０逶谒淼乐兄畏€(wěn)定。混凝土拌和時(shí)，首先投入砂、石、鋼纖維和部分水，初拌30 s；再加入玄武巖纖維攪拌30 s；最后加入水泥、剩余水、減水劑攪拌60 s，液體速凝劑在噴射機(jī)噴嘴處摻入。噴射設(shè)備采用ZSP濕噴機(jī)，噴射時(shí)受噴面與水平成135°夾角，噴槍垂直模板，與噴射面距離保持在1 m左右。

自然養(yǎng)護(hù)14 d后進(jìn)行切割加工，共3塊邊長(zhǎng)為100 mm、長(zhǎng)400 mm的梁式試件(編號(hào)BFB-1，BFB-2，BFB-3)，和3塊邊長(zhǎng)600 mm、厚100 mm的方板試件(編號(hào)BFP-1，BFP-2，BFP-3)，加工后繼續(xù)在相同環(huán)境下養(yǎng)護(hù)，齡期達(dá)到90 d時(shí)取出擦干進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)加載程序1.3.1 方板彎曲韌性試驗(yàn)

參考?xì)W洲噴射混凝土規(guī)程(EFNARC)的試驗(yàn)方法，對(duì)玄武巖混合纖維噴射混凝土方板中心加荷，記錄荷載和板的中心撓度曲線，計(jì)算25 mm撓度值下承載板變形的能量來評(píng)定纖維混凝土的韌性，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[14]見表2。

本文平板法彎曲韌性試驗(yàn)采用250 kN的普通液壓試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)上下壓板與剛性組件及壓力傳感器之間均加鋼墊板。方板試件的支座為型鋼制作的正方形鋼框，內(nèi)邊長(zhǎng)500 mm，有足夠的剛度確保加載過程中不產(chǎn)生附加變形。鋼制加載墊塊，截面為正方形，邊長(zhǎng)100 mm，對(duì)方板試件中心進(jìn)行加載，加載詳圖見圖1。全程采用位移控制加載速率，恒為1.5 mm/min，試驗(yàn)進(jìn)行至方板中心處撓度為25 mm為止。

表2 板變形能力要求和韌性分級(jí)

圖1 方板彎曲韌性試驗(yàn)裝置Fig.1 Bending toughness test device for square plate

1.3.2 三分梁彎曲韌性試驗(yàn)

采用Instron25 t力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行三分梁彎曲韌性試驗(yàn)，試驗(yàn)方法參考美國ASTM C1018規(guī)范試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)跨度為300 mm的梁三分點(diǎn)位置進(jìn)行加載，記錄梁中點(diǎn)的荷載-撓度曲線。在荷載-撓度曲線中，設(shè)初裂荷載對(duì)應(yīng)撓度為δcr，計(jì)算δcr，3δcr，5.5δcr，15.5δcr倍數(shù)撓度下荷載-撓度曲線的面積Ωcr，Ω3cr,Ω5.5cr,Ω15.5cr，求出彎曲韌性指數(shù)[15]I10,I30,R30/10，其中I10=Ω5.5cr/Ωcr,I30=Ω15.5cr，R30/10=I30/I10，按該規(guī)范韌度綜合指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表3)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表3 濕噴鋼纖維混凝土彎曲韌度指數(shù)建議參考值

加載試驗(yàn)時(shí)初裂前的加載速度取0.05～0.08 MPa/s，初裂后加載速率按位移控制，恒定為0.1 mm/min，加載詳圖見圖2，荷載精度0.1 kN，位移精度0.01 mm。

圖2 三分梁彎曲韌性試驗(yàn)裝置Fig.2 Three-point beam bending toughness test device

2 方板彎曲韌性試驗(yàn)結(jié)果及分析

隨著荷載逐漸增大，平板先在板底跨中位置出現(xiàn)細(xì)微裂縫，當(dāng)荷載達(dá)到最大值后，板跨中點(diǎn)撓度進(jìn)一步增大，明顯表現(xiàn)出一定的延性特征，3塊方板BFP試件的荷載-撓度曲線，見圖3。

圖3 方板試件中心荷載-撓度曲線Fig.3 load-deflection curves of midpoint of square plates

用數(shù)值積分法求出板中心點(diǎn)處撓度為25 mm時(shí)，板所吸收的能量值，見圖4，試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值見表6。

圖4 方板試件中心能量-撓度曲線Fig.4 Energy-deflection curves of midpoint of square plates

由表4中數(shù)據(jù)可知，3塊混合纖維混凝土板的能量值W均達(dá)到500 J以上，甚至接近于700 J，按歐洲噴射混凝土規(guī)程(EFNARC)韌性劃分標(biāo)準(zhǔn)(表2)，玄武巖纖維(BF)摻量為5 kg/m3、鋼纖維摻量為30 kg/m3下的混合纖維混凝土韌性能量等級(jí)達(dá)到B級(jí)，有較好的韌性特征。

3 三分梁彎曲韌性試驗(yàn)結(jié)果分析

如圖5所示，將直尺與試驗(yàn)梁荷載-撓度曲線的線性部分重疊放置確定初裂點(diǎn)，混合纖維混凝土梁達(dá)開裂點(diǎn)后，梁荷載-撓度曲線開始明顯脫離初始彈性段，由于混合纖維的橋聯(lián)作用，裂縫寬度較長(zhǎng)時(shí)間維持在較細(xì)的水平(約0.2 mm)，表現(xiàn)出明顯的延性特征。

圖5 梁荷載-撓度曲線Fig.5 Load-deflection curves of beams

3根試驗(yàn)梁的初始裂縫均在試件中點(diǎn)位置，發(fā)生最終破壞時(shí)初始裂縫位置處形成一條主要的集中裂縫，見圖6。

圖6 梁試件的跨中開裂Fig.6 Midspan cracks of beams

按美國規(guī)范ASTM C1018對(duì)彎曲韌度指數(shù)I的定義，由各梁實(shí)測(cè)的荷載-撓度曲線計(jì)算初裂強(qiáng)度fcru=Fcra/bh2和各給定撓度值的韌度指數(shù)I，其中Fcra為初裂荷載。

3根試驗(yàn)梁BFB的韌性指數(shù)結(jié)果，見表5。

表5 試驗(yàn)梁彎曲韌性計(jì)算結(jié)果

若試驗(yàn)的材料為理想的彈塑性體，韌度綜合指標(biāo)R30/10的值為100。對(duì)一種實(shí)際材料而言，這個(gè)值代表了該材料在規(guī)定撓度范圍內(nèi)(5.5Fcra～15.5Fcra)所承受的平均荷載與其初裂荷載的比值，該值越接近100，越具有彈塑性特征。如表5所示，本試驗(yàn)中的3塊混合纖維梁R30/10值均比較接近100，表明該梁表現(xiàn)出良好的韌性特征。

參考美國ASTM C1018規(guī)定的韌度等級(jí)劃分(表3)，3根試驗(yàn)梁的韌度值均達(dá)到優(yōu)秀，說明混合纖維梁(BF摻量5 kg/m3、鋼纖維摻量30 kg/m3)也同樣具有很好的韌性特征。

4 玄武巖纖維對(duì)強(qiáng)度的影響

方板及三分梁彎曲韌性試驗(yàn)結(jié)果均表明BF摻量5 kg/m3、鋼纖維摻量30 kg/m3的混合纖維噴射混凝土具有良好甚至優(yōu)秀的韌性特征，因此該混合纖維摻量有利于襯砌噴射混凝土的延性破壞。為了進(jìn)一步研究鋼纖維混凝土中摻入玄武巖纖維是否會(huì)對(duì)強(qiáng)度有削弱或者增強(qiáng)的效果，在同一配合比(表3)僅纖維摻量不同的前提下，設(shè)計(jì)了室內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)，包括立方體抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)方法參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)[16]進(jìn)行。

成型試件室內(nèi)標(biāo)養(yǎng)完成后，達(dá)28 d齡期后取出在數(shù)顯壓力試驗(yàn)機(jī)YES—2000上進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，在JES—300型試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行抗折試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

在表6中，以素混凝土強(qiáng)度為基數(shù)，BF混凝土及混合纖維混凝土的立方體抗壓、抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)比例均達(dá)到1.11以上，混合纖維混凝土比玄武巖纖維混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)還要大5%以上。只摻玄武巖纖維的混凝土與混合纖維混凝土提高素混凝土的強(qiáng)度達(dá)11%以上，混合纖維混凝土甚至可以提高20%左右。這說明玄武巖纖維有助于混凝土強(qiáng)度的提高，與鋼纖維混合更能表現(xiàn)出其增強(qiáng)效果。

表6 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

注：抗壓試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm；抗折強(qiáng)度試件尺寸為400 mm×100 mm×100 mm，已考慮了尺寸換算系數(shù)。

在素混凝土中摻加玄武巖纖維后，混凝土內(nèi)形成一定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，協(xié)同骨料受力，當(dāng)應(yīng)力自基體傳遞給纖維時(shí)，纖維因變形而消耗能量，提高了混凝土韌性的同時(shí)提高了混凝土的強(qiáng)度。玄武巖纖維與鋼纖維混合后，相互黏結(jié)，使三維亂向分布更加復(fù)雜多樣，增強(qiáng)兩種纖維對(duì)骨料的咬合，使強(qiáng)度進(jìn)一步提高。

5 結(jié)論

本文對(duì)玄武巖纖維及鋼纖維混合混凝土的彎曲韌性特征開展了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，主要結(jié)論如下：

(1) 玄武巖纖維摻量為5 kg/m3，鋼纖維摻量為30 kg/m3的混合纖維噴射混凝土方板韌性試驗(yàn)表明，方板中心撓度達(dá)到25 mm時(shí)吸收的能量值達(dá)到歐洲噴混凝土韌性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的B級(jí)，表明該板韌性良好。

(2) 同配合比下，三分梁韌性試驗(yàn)由荷載-撓度曲線，計(jì)算得到彎曲韌性系數(shù)I，按美國規(guī)范，該噴混凝土韌性特征優(yōu)秀，具有很好的韌性特征，能使混凝土產(chǎn)生延性破壞。

(3) 混凝土受力時(shí)，玄武巖纖維形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，協(xié)同鋼纖維受力變形增加耗能，使混凝土表現(xiàn)出明顯的韌性特征，有利于混凝土結(jié)構(gòu)的延性破壞。

(4)玄武巖纖維在混凝土中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，協(xié)同骨料受力，能增強(qiáng)素混凝土立方體抗壓、抗折強(qiáng)度，增長(zhǎng)比例達(dá)11%以上；玄武巖纖維同時(shí)黏結(jié)亂向的鋼纖維，進(jìn)一步增強(qiáng)混凝土的立方體抗壓、抗折強(qiáng)度，增長(zhǎng)比例達(dá)16%～20%。

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Study on Flexural Toughness Property of Basalt Fiber Concrete Mixed with Steel Fiber

LI Hai-guang1,SUN Wen-zhi1,QIU Qing-li2,WANG Run-jian3

(1. Jinhua Highway Administration Bureau，Jinhua Zhejiang 321013, China; 2. School of Civil Engineering and Architecture,Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310058, China; 3. Research Institute of Highway, Ministry of Transport,Beijing 100088, China)

By square plate bending energy toughness test and three-point beam bending toughness test, the effect of basalt fiber and steel fiber on concrete toughness is studied. The compressive and the flexural bending strength tests of the mixed fiber concrete are carried out, and the strengths of basalt fiber concrete are compared, therefore the effect of basalt fiber and steel fiber on concrete strength is studied. Referencing the toughness grades division in Europe EFNARC and the toughness indexes in ASTM C1080, the deformability energy and toughness index are obtained in flexural toughness test to evaluate the flexural toughness properties of basalt fiber concrete mixed with steel fiber. The test result indicates that (1) the energy of mixed fiber-reinforced concrete plates reaches more than 500 J, and the toughness property reaches level B; (2) the toughness indexes of 3 tested beams are close to 100, indicating the excellent flexural toughness features, and the results of the 2 toughness tests show the good property of flexural toughness of mixed fiber concrete; (3) the compressive and flexural strengths of basalt fiber concrete increase by more than 11% compared with plain concrete; (4) mixed with steel fiber, the strength increment of basalt fiber mixed reinforced concrete is obvious, and flexural strength increase by 16%-20%.

tunneling engineering; flexural toughness; toughness test; fiber reinforced concrete;strength; basalt fiber；steel fiber

2015-01-20

浙江省交通運(yùn)輸廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(2010H61)

李海光(1978-)，男，浙江永康人，高級(jí)工程師.(zjyk-lhg@163.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.09.013

TU528.572

A

1002-0268(2016)09-0078-06