文章通過形態(tài)破壞和力學(xué)強度試驗,研究了摻玄武巖纖維對混凝土抗壓強度和劈拉強度的影響規(guī)律。結(jié)果表明:增大玄武巖纖維摻量會導(dǎo)致混凝土密實度先增加后減小,抗壓強度也表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律,而劈拉強度則表現(xiàn)出逐漸上升趨勢;體積摻量達(dá)到0.2%時的抗壓強度最大,達(dá)到0.6%時的劈拉強度最高。研究結(jié)果為結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計以及解決低溫或寒冬地區(qū)混凝土凍害問題提供參考。
玄武巖纖維;抗壓強度;劈拉強度;作用機理;混凝土
U414.1A040114
基金項目:
廣西重點研發(fā)計劃“雙層濕-濕連接水泥混凝土復(fù)合式路面研究”(編號:桂科AB20159036)
作者簡介:
萬發(fā)明(1985—),碩士,高級工程師,主要從事道路工程設(shè)計和施工工作。
0" 引言
在夜晚低溫或寒冷地區(qū),混凝土構(gòu)筑物常常面臨著凍害的威脅,由于凍害現(xiàn)象的頻繁發(fā)生,工程結(jié)構(gòu)可能會過早發(fā)生破壞倒塌[1]。這是因為凍結(jié)作用下混凝土中的水分會發(fā)生相變形成膨脹應(yīng)力,加之基體內(nèi)毛細(xì)水運動造成的液體壓力易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的破壞[2]。而摻加纖維可以有效改善凍害情況,因具有抗裂性好、耐腐蝕性強、性價比和抗拉強度高等特點,玄武巖纖維逐漸成為實際工程中廣泛應(yīng)用的材料。在寒冷地區(qū)或冬季施工中,道路和橋梁等交通基礎(chǔ)設(shè)施亦經(jīng)常受到凍害的影響,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞和維護成本增加。通過摻入玄武巖纖維的混凝土,可以提高混凝土抗壓和劈拉強度,從而增強交通基礎(chǔ)設(shè)施的耐久性和抗凍性能。
我國諸多學(xué)者從不同角度深入探究了玄武巖纖維,如王瑞珍等[3]認(rèn)為摻入適量玄武巖纖維能夠提高混凝土抗折、抗壓強度和抗凍性能;李智睿等[4]通過試驗表明,混凝土受鹽凍侵蝕的損傷要高于清水凍融,纖維能夠降低鹽凍條件下的基體強度衰減速率,大大提升其強度和耐久性;王海龍等[5]研究表明水環(huán)境會降低混凝土的抗壓強度及開裂應(yīng)力,而孔隙水壓力將加速裂紋的擴展及試件損傷;段運等[6]研究了負(fù)溫條件下混凝土抗?jié)B性及孔結(jié)構(gòu),結(jié)果發(fā)現(xiàn)負(fù)溫環(huán)境會增大孔徑,降低材料的抗?jié)B性;Zeng等[7]通過微觀結(jié)構(gòu)觀察和力學(xué)性能試驗,研究了單面鹽凍干濕循環(huán)對混凝土抗壓及劈拉強度的劣化作用,結(jié)果發(fā)現(xiàn)其力學(xué)性能與孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān);甘磊等[8]認(rèn)為在混凝土內(nèi)部玄武巖纖維發(fā)揮著橋接傳力作用,可以延緩硫酸鹽侵蝕下表層水泥漿體脫落,其相對質(zhì)量增長率隨侵蝕齡期的延長逐漸放緩。雖然在普通混凝土中摻入玄武巖纖維可以形成綜合性能更優(yōu)的新型材料,但進一步研究其力學(xué)特性及配比優(yōu)化設(shè)計的較少。因此,本文通過試驗探討了體積摻量分別為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%和0.6%的玄武巖纖維對混凝土基體強度及破壞形態(tài)的影響,并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)提出最優(yōu)摻量,以期為交通基礎(chǔ)設(shè)施工程結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計以及解決低溫或寒冷地區(qū)混凝土凍害問題提供參考。
1" 試驗方案
1.1" 配合比設(shè)計
考慮混凝土使用環(huán)境條件、配合比設(shè)計規(guī)范和原材料特性,確定設(shè)計強度等級為C40,設(shè)計纖維摻量分別為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%和0.6%,其中摻量0屬于基準(zhǔn)對照組普通混凝土。各原材料用量見表1。
1.2" 試驗方法
(1)在試件制作之前,一般要將簇狀玄武巖纖維打散才能使用,然后在稱量好的河砂中加入玄武巖纖維并攪拌均勻,使用振搗棒振動和手工揉搓的方式使玄武巖纖維充分離散,通過河砂的摩擦力使其均勻分布于細(xì)骨料內(nèi)。
(2)將稱量好的水泥、碎石、水、減水劑等原材料依次放入攪拌機進行攪拌,直至攪拌均勻形成均勻混合物。采用直徑為50 mm×高為100 mm、直徑為50 mm×高為50 mm兩種規(guī)格的模具,并確保模具干凈、平整,在內(nèi)壁涂上薄層油或潤滑劑,以防止混凝土粘附。把攪拌好的拌和物分次倒入模具中,填充至模具頂部,避免出現(xiàn)空隙,可以使用振搗棒充分振搗以排出混凝土中的氣泡,提高密實度;選用刮板修整表面,使其平整并與邊緣齊平。在模具上注明相應(yīng)的標(biāo)記信息,如試塊編號、澆筑時間等。根據(jù)養(yǎng)護要求,采用塑料薄膜覆蓋帶模試塊表面,以防止水分的過早流失,一般室溫條件下的帶模養(yǎng)護時間為24 h,使其逐漸凝固硬化。
(3)在室溫養(yǎng)護24 h達(dá)到一定強度后,拆除模具。該過程要小心地進行拆卸,以防對試塊造成損傷。然后把脫模后的試塊放入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護至28 d,完成養(yǎng)護后取出進行切割打磨,以備后續(xù)試驗使用。
采用體積摻量分別為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%以及0.6%的玄武巖纖維混凝土試件,每種摻量制備5個試件,共計70個。研究選用35個100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件進行劈裂抗拉測試,選取直徑50 mm×高100 mm的圓柱體試件進行單軸抗壓測試。試件外觀形式如圖1所示。
(a)劈裂抗拉試件
(b)單軸抗壓試件
2" 試驗結(jié)果與分析
2.1" 物理指標(biāo)分析
試驗測試不同摻量下,各組試件在自然狀態(tài)的密度、質(zhì)量和縱波波速。主要物理參數(shù)見表2。
由表2可知,隨著纖維體積摻量的增加,試件密度整體呈小幅下降趨勢。這是因為在制作過程中,由于操作不當(dāng)使得纖維的分散性較差,從而形成一定的結(jié)團現(xiàn)象,這些結(jié)團會導(dǎo)致內(nèi)部孔隙率增加,從而影響試件的整體密度。然而,這個密度減小的差異一般很小,且不會顯著改變混凝土的性能[9-10]。另外,纖維的結(jié)團現(xiàn)象隨著摻量的增加更加明顯,但其對試件密度的影響有限,纖維摻量的最大變化量所引起的密度改變不超過3%,且玄武巖纖維摻量對試件縱波坡度的影響可以忽略不計。
2.2" 抗壓強度分析
纖維摻量分別為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%及0.6%時制備的混凝土28 d抗壓強度見表3,抗壓破壞形式如圖2所示。
根據(jù)表3試驗檢測數(shù)據(jù),J1~J6組試件強度依次分別為54.88 MPa、57.70 MPa、56.62 MPa、52.51 MPa、46.08 MPa和46.95 MPa,摻玄武巖纖維組試件相比于基準(zhǔn)對照組試件的強度(43.91 MPa)分別增加24.98%、31.41%、28.95%、19.59%、4.94%、6.92%。極限狀態(tài)下,摻量分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%及0.6%時制備的混凝土試塊應(yīng)變依次分別為3.86×10-3、4.25×10-3、4.52×10-3、4.17×10-3、3.75×10-3和3.81×10-3,摻玄武巖纖維組試件相比于基準(zhǔn)對照組試件的應(yīng)變(3.36×10-3)分別增加14.88%、26.49%、34.52%、24.11%、11.61%、13.39%。
通過觀察試件破壞形態(tài),摻玄武巖纖維組與基準(zhǔn)對照組試件均發(fā)生了剪切破壞,在試驗過程中基準(zhǔn)組試件的裂縫發(fā)展快、破碎程度高,在一瞬間發(fā)生破壞。摻玄武巖纖維混凝土試件的裂縫發(fā)展速度相對減慢,試驗過程中能夠看到裂縫的擴張過程,因內(nèi)部纖維承擔(dān)了一定拉力作用,其破碎程度相對較低,且破碎后較完整,其完整度隨玄武巖纖維摻量的增加而降低,尤其是摻量達(dá)到0.5%~0.6%時的完整度較好,試件被破碎成多個小塊,整體破碎程度也較低。
從圖3可以看出,初期隨著纖維摻量增加,混凝土的強度和應(yīng)變性能得到增強,即纖維能有效地抵抗裂紋擴展,從而延緩試件的破壞。然而,過多的纖維會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部構(gòu)造的不均勻性增加,甚至影響到混凝土的流動性和成型性。具體而言,纖維摻量為0.2%時的強度最高,與基準(zhǔn)組相比提高31.41%;持續(xù)增大纖維摻量至0.3%時試件強度有所下降,從0.3逐漸增加到0.5%時試件強度持續(xù)降低,并且降幅逐漸增加,進一步增加纖維摻量達(dá)到0.5%和0.6%時的強度相差不大。
極限狀態(tài)下試件的應(yīng)變隨玄武巖纖維體積摻量的增加也表現(xiàn)出先上升后降低的變化規(guī)律。纖維摻量從0.1%增大到0.3%時,試件的應(yīng)變逐漸提高,摻量為0.3%時的應(yīng)變達(dá)到最大,此時的應(yīng)變相較于基準(zhǔn)對照組提高34.52%;從0.3%持續(xù)增大纖維摻量至0.5%,極限狀態(tài)下試件的應(yīng)變逐漸降低;纖維摻量從0.5%增大到0.6%,對應(yīng)的試件應(yīng)變未發(fā)生明顯改變,此時相較于基準(zhǔn)對照組的應(yīng)變近提高13.39%。由于試件制作過程中可能存在玄武巖纖維分布不均問題,使得纖維極易結(jié)團,增大內(nèi)部孔隙率,并且這種結(jié)團現(xiàn)象隨纖維摻量的增加更加明顯。因此,裂縫在荷載作用下容易沿空隙快速擴展,使得抗壓強度下降更易引起破壞。
總體上,體積摻量為0.2%和0.3%時玄武巖纖維的增強效果最好,其中摻0.2%玄武巖纖維時試件強度達(dá)到最高,而摻0.3%玄武巖纖維時試件的極限應(yīng)變達(dá)到最高。由于玄武巖纖維體積摻量為0.2%與0.3%時的強度相差不大,綜合考慮強度和應(yīng)變確定其最優(yōu)體積摻量為0.3%。
2.3" 劈拉強度分析
纖維摻量分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%及0.6%時制備的混凝土28 d劈拉強度見表4,劈拉破壞形式如圖4所示。
由表4可知,摻量分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%及0.6%時制備的混凝土28 d劈拉強度依次為3.17 MPa、3.45 MPa、3.66 MPa、3.72 MPa、3.78 MPa和3.86 MPa,摻玄武巖纖維組試件相比于基準(zhǔn)對照組試件的強度(2.91 MPa)分別增加8.93%、18.56%、25.77%、27.84%、29.90%、32.65%,隨纖維摻量的增加劈拉強度呈不斷上升趨勢。
試驗過程中發(fā)現(xiàn),在加載初期基準(zhǔn)組試件表現(xiàn)出較少的變形,直到達(dá)到極限抗拉強度時,突然出現(xiàn)裂縫,并伴隨脆響迅速擴展至破壞,這表明試件具有較低的延展性,一旦出現(xiàn)裂縫,破壞過程非常迅速。
相比之下,摻入玄武巖纖維的試件在劈拉過程中表現(xiàn)出不同的破壞特征,例如摻0.3%纖維試件在極限荷載下表現(xiàn)出較短時間的自身強度保持,這表明纖維在一定程度上延緩了裂紋擴展的速度,試件發(fā)生一定程度的變形,然后才發(fā)生破壞。當(dāng)摻量增至0.6%時,試件強度保持時間進一步延長,在達(dá)到極限荷載后經(jīng)歷更大的變形,才最終發(fā)生破壞,這表明增加纖維摻量能夠顯著提高混凝土的延展性和耐久性,使得試件在承受極限荷載時能夠更長時間地維持自身結(jié)構(gòu)完整性。
2.4" 纖維的增強阻裂作用機理
摻0.2%玄武巖纖維混凝土裂縫如圖5所示,從圖5可以看出,玄武巖纖維的直徑小且抗拉強度高,可以填補內(nèi)部的微觀空隙,增加基體的密實性和黏結(jié)性。另外,均勻分布的纖維形成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以使得混凝土試件內(nèi)部各種材料間形成更緊密的聯(lián)系,有利于增強結(jié)構(gòu)的整體性能。在單軸壓縮試驗過程中,試件初始加載時,由于加載還不足以引起顯著應(yīng)力集中或裂紋擴展,試件主要表現(xiàn)出縱向變形,而橫向變形較少,這是因為玄武巖纖維尚未完全發(fā)揮作用,其抗拉強度并未充分發(fā)揮出來,因此未能有效地約束試件的橫向變形。隨著加載的持續(xù)進行,試塊開始發(fā)生縱向變形,同時伴隨著試件的橫向膨脹變形,這時玄武巖纖維的作用逐漸顯現(xiàn),在試件內(nèi)部承擔(dān)橫向膨脹變形的部分應(yīng)力,這種約束作用有助于抑制橫向變形和微小裂縫的擴展,在一定程度上保持試件的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。當(dāng)試件接近破壞時,橫向膨脹變形變得更加顯著,而玄武巖纖維能夠承擔(dān)橫向膨脹過程中的應(yīng)力,從而減緩微小裂縫的擴展速度,即纖維具有較高的抗拉強度,能夠有效地約束試件的橫向變形,防止裂紋過早擴展,最終提高試件的抗壓強度。
(a)
(b)
玄武巖纖維的阻裂作用機制主要體現(xiàn)在以下幾個方面:摻入的纖維可以在混凝土中均勻分散,在纖維之間形成一種交織的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)可以有效地抑制裂紋的擴展,使得裂紋無法迅速傳播,從而提高試件的抗裂性能。此外,纖維本身具有較高的抗拉強度,在試件受到拉應(yīng)力時能夠承擔(dān)一部分拉力,從而有效阻止裂紋的擴展,延緩試件的破壞過程。同時,纖維本身具有一定的延展性,在一定程度上進行變形,吸收外部作用力,提高試件的耐久性和韌性。因此,控制玄武巖纖維的摻量可以調(diào)節(jié)其在混凝土中形成的網(wǎng)絡(luò)密度和作用效果,適當(dāng)?shù)膿搅靠梢宰畲蠡浞懒押驮鰪娮饔?,使得試件的劈拉強度達(dá)到最佳狀態(tài)。然而,過高的纖維摻量可能導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻性問題,從而影響到阻裂性能表現(xiàn),在工程實踐中需要進行綜合考慮和優(yōu)化。
3" 結(jié)語
(1)隨著纖維體積摻量的增加,混凝土密度整體呈小幅下降趨勢,且這個密度減小的差異一般很小,不會顯著改變混凝土的性能。
(2)增加玄武巖纖維摻量會使混凝土抗壓強度先增加后減小,并且纖維摻量增大到0.2%時達(dá)到最大值,此時相較于基準(zhǔn)對照組增大31.41%,進一步增大摻量至0.3%時的強度有所下降。這是因為試件制作過程中可能存在玄武巖纖維分布不均問題,使得纖維極易結(jié)團,增大內(nèi)部孔隙率,且這種結(jié)團現(xiàn)象隨纖維摻量的增加更加明顯。因此,內(nèi)部裂縫在荷載作用下容易沿空隙快速擴展,使得抗壓能力下降更易引起破壞。
(3)混凝土劈拉強度隨玄武巖纖維摻量的增加逐漸增加,摻量為0.6%時的劈拉強度相比于基準(zhǔn)對照組增大32.65%。這是由于玄武巖纖維具有較高的抗拉強度和較小的直徑,摻入后可以形成類似網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),抑制細(xì)微裂縫的發(fā)展,且纖維承受了一部分的拉應(yīng)力,由于具有較高的抗拉強度,使得混凝土劈拉強度明顯提升。
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20240420