譚 燕,胡安迪,趙遠(yuǎn)浪,易晨光,童 瑤

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430068)

玄武巖纖維(continuous basalt fiber, CBF)是一種金褐色的無機(jī)無污染纖維材料,原材料來源于因火山噴發(fā)而形成的玄武巖,經(jīng)過鉑銠合金拔絲、漏板,經(jīng)過1 450～1 500 ℃融化拉拔而成,具有極強(qiáng)的耐腐蝕和耐高溫能力。玄武巖纖維生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)潔,成本低廉,應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊,常用于建筑、道路、橋梁、飛機(jī)場(chǎng)等。

鑒于玄武巖纖維經(jīng)濟(jì)環(huán)保和優(yōu)良的力學(xué)性能,近年來在混凝土中摻加短切玄武巖纖維成為工程材料領(lǐng)域的研究熱門,但實(shí)際工程實(shí)例較少,目前仍然處于初級(jí)階段,需要大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)予以理論支持。王意[1]認(rèn)為,玄武巖纖維混凝土(basalt fiber reinforced concrete,BFRC)普通力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)同時(shí)受纖維長(zhǎng)度與纖維摻量影響,過量的纖維摻量影響混凝土的成型情況,降低工作性能。李為民[2]研究表明,CBF摻量為0.1%時(shí),不僅韌性較好,混凝土抗壓強(qiáng)度也提高26%,當(dāng)CBF摻量為0.2%左右時(shí),混凝土強(qiáng)度有小幅度增強(qiáng),韌性無明顯變化。再生骨料的研究早于20世紀(jì)80年代,建筑垃圾的再利用有利于生態(tài)循環(huán)?；艉殒耓3]用C20到C35強(qiáng)度等級(jí)的廢舊混凝土制備再生骨料替代天然粗骨料,結(jié)果表明,再生骨料混凝土力學(xué)性能隨再生骨料摻量增加而降低。周浩[4]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)玄武巖纖維體積摻量為0.3%、0.4%時(shí),混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、韌度指數(shù)、斷裂能、折壓比的提高度最大,并且玄武巖纖維與混凝土的黏結(jié)性能良好,同時(shí)可以明顯改善混凝土的破壞形態(tài)。高銀[5]認(rèn)為,玄武巖纖維再生混凝土立方體摻用長(zhǎng)度為12 mm,體積為0.3%的纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度的提高最佳。

目前,國(guó)內(nèi)外均缺少玄武巖纖維混凝土的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),關(guān)于BFRC疲勞性能的研究較少。試驗(yàn)以20%替代率的再生骨料混凝土作為研究對(duì)象,調(diào)整纖維長(zhǎng)度與纖維摻量,研究疲勞性能變化情況。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,符合《通用硅酸鹽水泥》[6],攪拌用水來自武漢當(dāng)?shù)刈詠硭?。參考武漢當(dāng)?shù)財(cái)嚢枵镜呐浜媳仍O(shè)計(jì),添加一定量的Ⅰ級(jí)粉煤灰與S95級(jí)礦粉以替代水泥,用Ⅱ級(jí)機(jī)制砂替代一部分江砂,以符合實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益,短切玄武巖纖維力學(xué)性能見表1,實(shí)物圖見圖1.

表1 玄武巖纖維性能指標(biāo)Table 1 Performance indicators of CBF

圖1 玄武巖纖維(CBF)Fig.1 CBF

1.2 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以20%再生骨料摻量的C30混凝土作為研究對(duì)象,纖維長(zhǎng)度分別設(shè)置為6 mm、9 mm、12 mm,纖維摻量設(shè)置為0.1%、0.2%、0.3%(體積法),配合比如表2所示,試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm.試驗(yàn)在基本應(yīng)力水平0.75、0.80、0.85三種狀態(tài)下進(jìn)行單軸抗壓疲勞性能試驗(yàn)。

表2 配合比設(shè)計(jì)Table 2 Design of mix proportion

1.3 疲勞設(shè)備

疲勞設(shè)備為通用型立式MTS Landmark電液伺服疲勞試驗(yàn)系統(tǒng),試驗(yàn)機(jī)極限荷載達(dá)1 000 kN,設(shè)備如圖2所示?；炷羶蓚?cè)粘貼電阻式應(yīng)變片,用于觀測(cè)動(dòng)荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變情況如圖3所示。MTS設(shè)備所加載的動(dòng)荷載波形如圖4所示,為避免受“沖擊”作用及“反彈”現(xiàn)象產(chǎn)生,荷載加載比設(shè)計(jì)為0.1,即Smin/Smax=fmin/fmax=0.1.

1.4 試件的成型與養(yǎng)護(hù)

首先對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行預(yù)處理,并濕潤(rùn)混凝土攪拌裝置(HJW-30),以防止材料粘黏內(nèi)壁。然后將粗骨料、細(xì)骨料、水和減水劑依次加入攪拌機(jī)內(nèi)攪拌180 s,攪拌期間緩慢均勻加入玄武巖纖維。結(jié)束后將混凝土裝入150 mm×150 mm×150 mm規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)模具中振搗成型,振搗時(shí)間隨纖維摻量增多而加長(zhǎng),最后對(duì)混凝土表面進(jìn)行覆膜養(yǎng)護(hù)。成型2 d脫模后置于22 ℃溫度98%濕度的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 疲勞壽命分析

混凝土經(jīng)不同應(yīng)力水平的循環(huán)荷載施壓時(shí),結(jié)構(gòu)內(nèi)部首先會(huì)出現(xiàn)微小裂縫,反復(fù)的施壓會(huì)使裂縫不斷擴(kuò)張形成通縫,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞,破壞時(shí)所承受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)即為混凝土的疲勞壽命,記錄循環(huán)次數(shù),數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)處理后如圖5所示。

(a)6 mm短切纖維玄武巖纖維摻量與疲勞壽命

如圖5中(a)、(b)、(c)所示,整體上,隨應(yīng)力水平提高,疲勞壽命逐步降低。

0.85應(yīng)力水平下,6 mm、9 mm、12 mm短切玄武巖纖維摻量對(duì)抗壓疲勞壽命影響較小,6 mm、9 mm組最優(yōu)摻量均為0.2%,12 mm組最優(yōu)摻量為0.1%.

0.8應(yīng)力水平下,6 mm短切纖維隨摻量增加呈先增后降的趨勢(shì),摻量為0.2%時(shí),疲勞壽命為71 140次,達(dá)到疲勞峰值,0.2%纖維摻量相比空白組疲勞壽命提高了近6倍,相比0.1%摻量與0.3%摻量疲勞壽命提高了2倍。9 mm短切纖維隨摻量增加呈初始變化不明顯,0.3%摻量時(shí)出現(xiàn)猛增達(dá)到疲勞壽命峰值25 464次,疲勞壽命提高了1倍。12 mm短切纖維隨纖維摻量增加同樣出現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)。0.1%摻量時(shí)增長(zhǎng)幅度最大,同時(shí)達(dá)到疲勞壽命峰值,相比空白對(duì)照組疲勞壽命提高7倍,纖維摻量繼續(xù)提高后,疲勞壽命出現(xiàn)小幅度下降,0.3%摻量時(shí)下降幅度最大。

0.75應(yīng)力水平下,疲勞壽命變化幅度較大。6 mm與9 mm短切纖維隨摻量增加呈現(xiàn)出降—升—降的變化趨勢(shì),最高疲勞壽命分別為214 824次與125 700次,均出現(xiàn)在0.2%摻量處。6 mm纖維組疲勞壽命提高了1倍;9 mm纖維組疲勞壽命提高不明顯。12 mm短切纖維在0.1%摻量時(shí)疲勞壽命增長(zhǎng)1倍,該摻量增長(zhǎng)幅度最大,當(dāng)纖維摻量繼續(xù)提高時(shí),疲勞壽命有小幅度增長(zhǎng),最佳摻量為0.3%.綜上所述,各應(yīng)力水平纖維摻量改性情況如表3所示。

表3 疲勞壽命提高情況Table 3 Fatigue life improvement

根據(jù)表3所示,9 mm短切纖維0.80應(yīng)力水平下最優(yōu)摻量為0.3%,12 mm短切纖維0.85應(yīng)力水平下最優(yōu)摻量為0.1%,其于各組最優(yōu)摻量均為0.2%.對(duì)應(yīng)力水平比較,各應(yīng)力水平下9 mm短切纖維改進(jìn)效果均較差。0.85應(yīng)力水平下,6 mm短切纖維效果優(yōu)于12 mm短切纖維。0.80、0.75應(yīng)力水平下,12 mm短切纖維略優(yōu)于6 mm短切纖維。

2.2 疲勞應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果分析

疲勞應(yīng)變?yōu)樵嚰?jīng)循環(huán)應(yīng)力作用下的應(yīng)變情況,由應(yīng)變片傳感數(shù)據(jù)所得,處理后如圖6所示,循環(huán)比為當(dāng)前承壓次數(shù)與極限承壓次數(shù)的比值,當(dāng)循環(huán)比到達(dá)1.0時(shí),即承壓次數(shù)到達(dá)疲勞壽命,試件破壞。

試驗(yàn)選取0.75應(yīng)力水平下,不同纖維長(zhǎng)度和纖維摻量的玄武巖纖維再生骨料混凝土作為研究對(duì)像。一般情況下,受循環(huán)動(dòng)荷載作用,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈三段式增長(zhǎng),第一階段內(nèi)部損傷初步形成,第二階段內(nèi)部損傷與裂縫緩慢擴(kuò)張,第三階段內(nèi)部損傷加速發(fā)展,形成貫通性裂縫,致使結(jié)構(gòu)破壞。

如圖6所示,整體來看,6 mm、9 mm、12 mm玄武巖纖維,0.1%摻量與0.2%摻量再生骨料混凝土疲勞應(yīng)變位移均高于0.3%摻量。0.1%與0.2%摻量的再生骨料混凝土疲勞應(yīng)變與彈性模量變化不明顯。添加玄武巖纖維后,不同階段循環(huán)次數(shù)占比出現(xiàn)小幅度變化,見表4.

(a)普通組疲勞應(yīng)變與循環(huán)比關(guān)系

如表4所示,相比空白對(duì)照組,添加纖維組第二階段所占比例都有所提升。且12 mm纖維優(yōu)于9 mm纖維,6 mm纖維提升效果最差。該數(shù)據(jù)說明,裂縫產(chǎn)生與擴(kuò)張的次數(shù)周期被拉長(zhǎng),玄武巖纖維增強(qiáng)了混凝土的韌性,提高了混凝土抵抗循環(huán)動(dòng)荷載的能力。0.1%、0.2%、0.3%的纖維摻量對(duì)混凝土韌性影響較小,抵抗循環(huán)荷載能力隨纖維長(zhǎng)度增加,提高明顯。12 mm纖維效果最好。

表4 各變化階段占整個(gè)循環(huán)周期比例Table 4 The ratio of each change stage to the cycle period

3 結(jié)論

試驗(yàn)通過改變玄武巖纖維混凝土的纖維摻量與纖維長(zhǎng)度,研究不同應(yīng)力水平下的單軸抗壓疲勞壽命,得到以下結(jié)論:

1)隨著應(yīng)力水平提高,玄武巖纖維混凝土單軸抗壓疲勞強(qiáng)度壽命次數(shù)降低明顯。

2)9 mm短切纖維0.80應(yīng)力水平下最優(yōu)摻量為0.3%,疲勞壽命提高1倍。12 mm短切纖維0.85應(yīng)力水平下最優(yōu)摻量為0.1%,疲勞壽命提高了10倍。其余各組最優(yōu)摻量均為0.2%,疲勞壽命最高提高17倍。

3)0.1%纖維摻量與0.2%纖維摻量作用下,再生骨料混凝土疲勞應(yīng)變位移均高于0.3%摻量。

4)玄武巖纖維增強(qiáng)了混凝土的韌性,提高了混凝土抵抗循環(huán)動(dòng)荷載的能力。纖維摻量對(duì)混凝土韌性影 響較小,抵抗循環(huán)荷載能力隨纖維長(zhǎng)度增加,提高明顯。12 mm纖維效果最好。