【中圖分類號(hào)】:TU528.58 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】:A 【文章編號(hào)】:1008-3197(2025)04-75-06
【DOI編碼】:10.3969/j.issn.1008-3197.2025.04.017
Flexural Properties and Toughness Performance of Basalt Fiber Reinforced Concrete
YU Zhilong 12,ZHANG Tianfu1,XIA Junli 2,LI Jiawei 1*
(1.SchoolofCiilnEngOnUsitygao,a;igana Center,Lianyungang ,China)
【Abstract】:Toinvestigatethe variationand mechanismofflexural propertiesand toughness ofbasalt fberreinforcedconcrete,basalt fibers with lengths of12 mm,18 mm and 24 mm were incorporated into concrete at volume fractions of 0.1% 0.15% , 0.2% , 0.25% and 0.3% using volumetric addition method.The results showed that the 18 mm basalt fiber demonstrated the most significant improvement in the flexural strength of concrete,with enhancement proportional to the fiber content.The improvementof the12 mm fiber on the flexural strength is close to that of the 18 mm fiber.The24 mm fiber at 0.1% content has a minor effect on flexural strength.With theincrease of dosage,theenhancement offlexural strength exhibits fluctuating changes.The flexural stiffness of concrete materials increases with increasing fiberlength.The18mmfiberprovides the best overall enhancement in the flexural toughnessofconcrete.The initial flexural toughness index,Re,p,is proportional to the amount of basalt fiber content,showing amarked increase .The 12 mm fiber has a significant increase inthe improvement of the flexural toughness within the dosage range of 0.1% ~0.25%.However,the enhancement effect slowsdownat 0.3% content,whichisessentiallyequivalent tothatat 0.25% . Theflexural toughnessof 24mm fiber reinforced concrete shows a fluctuating change,with the enhancement effect showing intermittent decreases.The correlation between the increasing trendand the fiber content is noticeably influenced by the fiber length.The optimumimprovement in flexural toughness occurs at 0.25% :
【Key words】: basalt fiber ;concrete ;flexural strength ;toughness performance
纖維混凝土是由普通混凝土改良后形成的復(fù)合材料,由于良好的阻裂、增韌效果,在工程材料領(lǐng)域日益受到重視。按纖維材質(zhì)劃分,當(dāng)前針對(duì)鋼纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維等材料研究較為深入[2-5]。近年來,工程領(lǐng)域開始重視對(duì)新型無機(jī)環(huán)保高性能纖維材料的應(yīng)用,部分學(xué)者對(duì)具有強(qiáng)度高、耐磨、耐腐蝕等優(yōu)異性能的玄武巖纖維展開了研究,廉杰等、鄧宗才等、張玉庭等對(duì)不同纖維摻量的玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn),結(jié)果表明玄武巖纖維對(duì)混凝土的拉伸壓縮性能具有改善效果;宋玉劍對(duì)玄武巖纖維混凝土工作性能展開研究,結(jié)果表明玄武巖纖維可以改善混凝土流動(dòng)性的同時(shí)增加了含氣量;李智睿等[對(duì)玄武巖纖維混凝土在凍融循環(huán)和持續(xù)荷載作用下的耦合效應(yīng)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明玄武巖纖維很好的改善了混凝土的耐久性能。相較于其他纖維,針對(duì)于玄武巖纖維混凝土抗彎性能及其韌性研究成果尚顯不足,故本文通過試驗(yàn)研究玄武巖纖維改善混凝王抗彎性能及韌性的影響規(guī)律,為玄武巖纖維在今后工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供相應(yīng)的理論依據(jù)。
1材料與方法
1.1原材料
淮安楚州海螺水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P·042.5普通硅酸鹽水泥;普通I級(jí)粉煤灰;粗骨料為江蘇海通建設(shè)工程有限公司通仁分公司生產(chǎn)的連續(xù)級(jí)配碎石,表觀密度 2719kg/m3 ,堆積密度 1550kg/m3 ;細(xì)骨料為江蘇海通建設(shè)工程有限公司通仁分公司的天然河砂,中砂,細(xì)度模數(shù)2.6,表觀密度 2602kg/m3 ,堆積密度1440kg/m3 ;高性能復(fù)合聚羧酸減水劑,減水率為27% ;江蘇天龍玄武巖連續(xù)纖維股份有限公司生產(chǎn)的短切玄武巖纖維。見表1。
表1玄武巖纖維物理力學(xué)性能指標(biāo)
續(xù)表1
1.2試件配合比
根據(jù)JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》,確定水膠比為0.41;以玄武巖纖維長(zhǎng)度與摻量作為設(shè)計(jì)變量,采用體積外摻法,纖維長(zhǎng)度12、18、24mm ,外摻纖維摻量為 2.7,4.05,5.,6.75,8.1kg/m3 分別對(duì)應(yīng)纖維體積率 0.1%,0.15%,0.2%,0.25% 、0.3% 。BF-0表示未摻玄武巖纖維的素混凝土試件,見表2。
表2基準(zhǔn)配合比 kg/m3
試件為強(qiáng)度等級(jí)C40的 150mm×150mm×550mm 的標(biāo)準(zhǔn)棱柱體。
1.3試驗(yàn)方法
根據(jù)GB/T50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,采用SHT-4305微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)通過三點(diǎn)加載法測(cè)定混凝土抗彎性能。試件強(qiáng)度等級(jí)為C40,立方體抗彎強(qiáng)度 30~60MPa ,確定施加荷載速度為 0.5~0.8MPa/s 。加載點(diǎn)位自左至右保持 50mm (支座點(diǎn)) +150mm (加載點(diǎn)) +150mm+150 mm (加載點(diǎn)) +50mm (支座點(diǎn))不變。一組試件抗彎強(qiáng)度最大值和最小值與中間值之差均未超過中間值15% ,可記3個(gè)試件算數(shù)平均值為該組試件抗彎試驗(yàn)結(jié)果測(cè)定值,試件經(jīng)28d齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后開展混凝土抗彎試驗(yàn)。
2結(jié)果與討論
2.1抗彎試驗(yàn)
試件整體表現(xiàn)為脆性破壞,自加載起始至破壞無明顯預(yù)兆,下緣斷裂位置均位于兩個(gè)集中荷載的作用線之間。見圖1。
圖1試件破壞特征
根據(jù)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集器收集的儀器加荷過程中起始位移曲線,通過origin數(shù)據(jù)分析,確定峰值荷載對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)抗彎試塊撓度。見表3和圖2。
表3抗彎強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果
圖2玄武巖纖維對(duì)混凝土抗彎強(qiáng)度影響
2.1.1纖維摻量對(duì)混凝土抗彎強(qiáng)度的影響
采用 12,18mm 纖維時(shí),混凝土抗彎強(qiáng)度與纖維摻量呈正比,即 0.1% 摻量時(shí) 12,18mm 玄武巖纖維混凝土抗彎強(qiáng)度增益最小,分別為 4.98AA.5.07MPa ,相較于基準(zhǔn)混凝土抗彎強(qiáng)度提升 10.7%.12.77%;0.3% 摻量的玄武巖纖維時(shí)混凝土抗彎強(qiáng)度增益最大,12、18mm 纖維對(duì)應(yīng)的增益強(qiáng)度分別達(dá)到 5.67,5.82MPa ,相較于基準(zhǔn)混凝土抗彎強(qiáng)度提升 25.93%.29.33% ;摻加24mm 纖維混凝土的抗彎強(qiáng)度在摻量為 0.25% 時(shí)達(dá)到峰值,為 5.57MPa ,相較基準(zhǔn)混凝土提高 23.88% ,纖維摻量增至 0.3% ,增益效果回落,抗彎強(qiáng)度回落至5.51MPa ??傮w上玄武巖纖維的摻人可以在一定程度上提高混凝土的密實(shí)度,減少結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂隙的生成與發(fā)展,增加混凝土抗彎強(qiáng)度。
2.1.2纖維長(zhǎng)度對(duì)混凝土抗彎強(qiáng)度的影響
不同纖維尺寸對(duì)于混凝土抗彎強(qiáng)度的增益效果存在一定差異。不同摻量的 18mm 纖維對(duì)混凝土抗彎強(qiáng)度增益影響最明顯, 0.3% 摻量的 18mm 纖維對(duì)混凝土抗彎強(qiáng)度的增益最大,為 5.82MPa 。 12mm 纖維對(duì)混凝土的增益效果整體上略低于 18mm 纖維,不同摻量下 12mm 纖維對(duì)混凝土抗彎強(qiáng)度增益趨勢(shì)近似于 18mm 纖維,表明 12,18mm 纖維在混凝土三維空間體系中均可以有效提高混凝土內(nèi)部薄弱黏結(jié)界面的黏結(jié)能力,提高混凝土抗彎強(qiáng)度,該尺寸范圍內(nèi),纖維長(zhǎng)度的增加對(duì)混凝土抗彎強(qiáng)度的增益效果并不明顯;隨著纖維摻量的增加,兩種混凝土抗彎強(qiáng)度增益趨勢(shì)無明顯波動(dòng),趨勢(shì)平穩(wěn),纖維與混凝土共同攪拌成模過程中,纖維摻量的增加沒有對(duì)混凝土內(nèi)部空間纖維單絲分布的均勻性造成負(fù)面影響,玄武巖纖維在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部可以保持一種較為理想的分布狀態(tài),能夠隨著纖維摻量的增加,保證存在持續(xù)增量的纖維有效橋接填充混凝土內(nèi)部裂隙結(jié)構(gòu)。
摻加 24mm 纖維混凝土的抗彎強(qiáng)度增益趨勢(shì)與12,18mm 纖維差異明顯,纖維與混凝土攪拌成模過程中,過長(zhǎng)纖維尺寸對(duì)混凝土內(nèi)部空間分布率存在負(fù)面影響,纖維過長(zhǎng)在混凝土空間內(nèi)部易混摻聚團(tuán),無法穩(wěn)定均勻地橋接混凝土內(nèi)部空間裂隙,從而影響24mm 纖維對(duì)混凝土抗彎強(qiáng)度增益效果的整體穩(wěn)定性。
2.2彎曲韌性分析
玄武巖纖維對(duì)混凝土性能的增益效果與材料的受荷階段存在一定關(guān)系,理論上纖維材料在混凝土峰值荷載前主要改善混凝土的峰值彎曲強(qiáng)度、峰值位移和韌性,對(duì)峰值荷載后的改善主要表現(xiàn)在提高混凝土的殘余彎曲強(qiáng)度與持荷能力。本次試驗(yàn)試件呈脆性破壞,故結(jié)合CECS13:2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》及CECS38:2004《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對(duì)玄武巖纖維混凝土受荷至峰值荷載時(shí)該階段的彎曲韌性進(jìn)行分析。
根據(jù)理論計(jì)算要求及彎曲韌性相關(guān)性研究,基于初始彎曲韌度比 Re,p 來表征玄武巖纖維混凝土達(dá)到峰值荷載撓度前的彎曲韌性。該方法可以確定初裂點(diǎn)及荷載-撓度曲線斜率變化的影響,適用于玄武巖纖維體積率較小的情形,可以更真實(shí)地反應(yīng)玄武巖纖維混凝土的彎曲韌性水平。從物理角度講, .Re,p 越大,玄武巖纖維對(duì)混凝土的彎曲韌性增強(qiáng)效果越顯著。
Re,p=fe,p/f?m
式中 :f?m 為玄武巖纖維混凝土彎曲強(qiáng)度, MPa;fe,p 為玄武巖纖維混凝土等效初始彎曲強(qiáng)度, MPa 。
式中: 為韌度,即峰值撓度 δp 前荷載-撓度曲線下的面積, kN?mm;δp 為峰值荷載撓度, mm;L 為支座間跨度。 Mm;b,h 分別為試件截面平均寬度、斷裂截面平均高度, mm 。
結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù),計(jì)算出各組試件的 ,見表4。
表4韌度、等效初始彎曲強(qiáng)度、初始彎曲韌度比計(jì)算結(jié)果
2.2.1纖維對(duì)混凝土抗彎剛度的影響
收集試驗(yàn)機(jī)傳感器自加載至峰值荷載階段的荷載-撓度曲線,從材料角度出發(fā),試件荷載-撓度曲線的斜率變化一定程度上反映了材料的抗彎剛度變化趨勢(shì)。見圖3。
a) 12mm 纖維長(zhǎng)度
圖3玄武巖纖維對(duì)混凝土荷載-撓度影響趨勢(shì)
試件加載至峰值荷載階段,玄武巖纖維混凝土荷載-撓度曲線斜率整體隨著纖維尺寸的增加呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì),表4中 12、18、24mm 纖維峰值荷載-撓度均值分別為 2.24,2.14,1.99mm ,混凝土峰值荷載下的變形能力減小,表明混凝土材料的抗彎剛度隨著纖維尺寸的增加而上升。
12mm 纖維混凝土 0.25% 摻量下抗彎剛度始終保持較高的水平; 0.2%.0.3% 摻量下纖維混凝土在荷載撓度加載至約 1.5mm 階段內(nèi)抗彎剛度較高,隨著加載至峰值荷載階段逐漸低于基準(zhǔn)混凝土,保持適中水平;0.1%.0.15% 摻量纖維混凝土盒荷載-撓度曲線發(fā)展趨勢(shì)相近,整體加載階段保持較低水平的抗彎剛度。18mm 纖維混凝土抗彎剛度在 0.1% 、 0.2% 摻量下變化趨勢(shì)相近,整體保持較高剛度; 0.15%.0.3% 纖維摻量下混凝土荷載撓度加載至約 1.7mm 階段內(nèi)抗彎剛度較高,兩者曲線發(fā)展趨勢(shì)接近,加載至峰值荷載階段逐漸低于基準(zhǔn)混凝土,保持適中水平; 0.25% 纖維材料混凝土在荷載撓度加載至約 1.5mm 階段內(nèi)抗彎剛度較高,隨著加載至峰值荷載階段逐漸低于基準(zhǔn)混凝土,相較于同尺寸其他纖維摻量, 0.25% 摻量下玄武巖纖維混凝土抗彎剛度降幅更明顯。 24mm 纖維混凝土在 0.2% 摻量下抗彎剛度自加載至峰值荷載階段整體明顯高于同尺寸其他纖維摻量; 0.1%.0.25%.0.3 整體趨勢(shì)接近,相較于基準(zhǔn)混凝土保持較高水平; 0.15% 纖維混凝土材料加載至 1.5mm 階段時(shí)抗彎剛度高于基準(zhǔn)混凝土材料,隨著加載至峰值荷載階段逐漸趨近于基準(zhǔn)混凝土,保持適中水平。
2.2.2纖維對(duì)混凝土彎曲韌性的影響
影響混凝土結(jié)構(gòu)韌性的參數(shù)包括但不限于抗彎強(qiáng)度、抗彎剛度、峰值荷載撓度;還需進(jìn)一步考慮荷載-撓度曲線積分面積,即韌度,表征混凝土受荷變形時(shí)材料吸收能力的指標(biāo);此外還需考慮混凝土結(jié)構(gòu)的尺寸等因素。在多方面物理參數(shù)耦合的基礎(chǔ)上,本文最終以CECS13:2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中初始彎曲韌度比的相關(guān)理論來分析彎曲韌性。見圖4。
圖4玄武巖纖維對(duì)混凝土彎曲韌性影響趨勢(shì)
1)纖維長(zhǎng)度對(duì)混凝土彎曲韌性的影響。各纖維長(zhǎng)度下混凝土彎曲韌性均有一定提高,其中 18mm 纖維混凝土初始彎曲韌度比值最高, 24mm 纖維混凝土初始彎曲韌度比值次之。混凝土材料受荷階段內(nèi)部孔隙逐漸發(fā)展,當(dāng)混凝土內(nèi)部裂隙擴(kuò)大至纖維發(fā)揮橋接作用時(shí),纖維過短不易保證與混凝土材料有充分的黏結(jié)性,受力時(shí)易被拔出,無法充分發(fā)揮玄武巖纖維在混凝土內(nèi)部的韌性改善能力;纖維長(zhǎng)度為 18mm 時(shí),玄武巖纖維一定程度上在混凝土內(nèi)部可以保證足夠的黏結(jié)性能,充分發(fā)揮橋接功能,從而提高混凝土材料的彎曲韌性;纖維長(zhǎng)度增長(zhǎng)至 24mm 混凝土 Re,p 稍有回落,分析認(rèn)為,部分纖維作為有效纖維與混凝土材料充分黏結(jié),還存在一部分纖維由于過長(zhǎng),在混凝土攪拌及成模階段聚團(tuán),無法發(fā)揮玄武巖纖維單絲在混凝土內(nèi)部的橋接作用。
2)纖維摻量對(duì)混凝土彎曲韌性的影響。 18mm 纖維混凝土 Re,p 與玄武巖纖維摻量呈正比,近線性增長(zhǎng),當(dāng)摻量為 0.3% 時(shí),玄武巖纖維混凝土彎曲韌性較基準(zhǔn)混凝土增幅最大,為 18.49% 。當(dāng)摻人 12mm 纖維時(shí),混凝土 Re,p 與玄武巖纖維摻量呈正比,摻量為 0.3% 時(shí),玄武巖纖維混凝土彎曲韌性較基準(zhǔn)混凝土增幅最大,為 10.64% ;摻量由 0.25% 增至 0.3% 時(shí), Re,p 增幅并不明顯,表明摻人 12mm 短纖維時(shí), 0.3% 摻量對(duì)混凝土彎曲韌性改善較之于 0.25% 摻量不明顯,可見纖維摻量過多并不能更有效提高混凝土材料的彎曲韌性。當(dāng)摻入 24mm 纖維時(shí),混凝土 Re,p 波動(dòng)變化,趨勢(shì)并不穩(wěn)定,摻量由 0.15% 增至 0.2% 時(shí), Re,p 降低;摻量由0.2% 增至 0.25% 時(shí), Re,p 增幅最大為 15.41% ;摻量增至0.3% 時(shí), Re,p 再次回落,由于 24mm 纖維較長(zhǎng),集料干拌打散不均勻、局部聚絨,完全解決該問題存在一定局限,隨著進(jìn)一步拌和成模,混凝土拌和物中部分纖維聚團(tuán)物,因此無法保證彎曲韌性隨著纖維摻量的變化而穩(wěn)定變化。
3結(jié)論
1) 18mm 長(zhǎng)度玄武巖纖維對(duì)混凝土抗彎強(qiáng)度增益效果最明顯,增益效果與纖維摻量呈正比,增長(zhǎng)趨勢(shì)穩(wěn)定; 12mm 長(zhǎng)度纖維對(duì)混凝土抗彎強(qiáng)度增益趨勢(shì)與18mm 相近; 24mm 長(zhǎng)度纖維對(duì)混凝土抗彎強(qiáng)度增益發(fā)展趨勢(shì)存在波動(dòng)性,纖維摻量 0.25% 時(shí)增幅最大。
2)混凝土材料的抗彎剛度隨著纖維長(zhǎng)度的增加而增大。
3) 18mm 纖維對(duì)混凝土彎曲韌性整體提升效果最佳,混凝土 Re,p 與玄武巖纖維摻量呈正比; 0.1% ~0.25% 摻量范圍內(nèi), 12mm 纖維對(duì)混凝土彎曲韌性增益效果與纖維摻量呈正比,增幅明顯,纖維摻量由0.25% 過渡到 0.3% 時(shí),混凝土彎曲韌性并沒有隨纖維摻量的增加表現(xiàn)出明顯的變化,表明短纖維摻量過多并不能更有效提升混凝土材料的彎曲韌性; 24mm 纖維混凝土彎曲韌性呈波動(dòng)變化,纖維摻量在 0.15%~ 0.2%.0.25%~0.3% 過渡階段相較其他摻量均有所回落,摻量 0.25% 時(shí)對(duì)混凝土彎曲韌性增益效果最佳。
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收稿日期:2024-07-14 作者簡(jiǎn)介:于志龍(1974—),男,碩士,黑龍江哈爾濱人,高級(jí)工程師,從事建筑材料研究工作。 通信作者:李家偉(1975—),男,碩士,江蘇人,研究員級(jí)高級(jí)工程師,研究方向?yàn)榈缆贰蛄汗こ獭?/p>