短切玄武岩纤维增强混凝土力学性能试验研究.pdf

2 0 1 4年 第 1 O 期 (总 第 3 0 0 期 ) Nt m a b e r 1 0 i n 2 0 1 4 ( T o ml No 3 0 0 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 MATERI AL AND ADM I NI CL E d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 4 1 0 0 2 7 短切玄武岩纤维增强混凝土力学性能试验研究 吴江 ，李玉香，陈雅斓 ，马雪 ，柯倩倩 ( 西南科技大学 四川省非金属复合与功能材料重点实验室，四川 绵阳 6 2 1 0 1 0 ) 摘要 ： 考察 了玄武岩纤维混凝土( b a s a l t fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ， B F R c) 各项力学性能。 对 B F R C抗压强度值进行数理统计， 分析 表明： 玄武岩纤维长度对 B F R C抗压强度无显著影响 ， 体积掺量对 B F R C抗压强度有显著影响， 两者对 B F R C抗压强度值有显著的 交互作用。 长度 1 8 m i l l 的玄武岩纤维， 体积掺量为 0 1 时， 对 B F R C的抗折强度 、 初裂能耗和破坏能耗增强果最显著。 玄武岩纤维能 减缓 B F R C的早期开裂。 关键词 ： 玄武岩纤维 ；混凝土 ；抗压强度 ；抗折强度 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 1 0 0 0 9 9 0 4 St u d y o n t he me c h a n i c a l b e h a v i o r o f c h o p p e d ba s a l t f i b e r r e i n f o r c e d c on c r e t e WUJ i a n g， L I Yu x i a n g ， C HE N Y a l a n ， MA Xu c ， I C EQi a n q i a n ( S t a t e K e y L a b o r a t o r y C u l t i v a t i o n B a s e f o r N o n me tal C o m p o s i t e a n d F u n c t i o n a l Ma t e r i a l s ， S o u t h w e s t U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Mi a n y a n g 6 2 1 0 1 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n v e s t i g a t e t h e me c h a n i c a l b e h a v i o r o f b a s a l t fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e ( BF RC) ， t h r o u the ma the ma t i c a l s tat i s t i c s a n a l y s i s o f c o mp r e s s i v e s t r e n g t h v a lu e o f BF R C， i t s h o ws tha t t h e l e n g t h o f b a s t fi b e r h a s n o o b v i o u s e f f e c t o n t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f B F RC， b u t thed o s a g e d o e s ， a n dt h e yh a v e s i g n i fi c ant i n t e r a c t i o n o nthe c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f BF RC F o r t h efl e x u r a l r e s i s t anc e ， i n i t i a l an df i n a l e ne r gy c o ms ump t i o n o fc r a c k i ng ofBFRC the o p t i mum vo l u mefra c t i o n o fba s a l tfi be ri s 0 1 a n dthel e ng t h o fwh i c hi s 1 8mi l 1 Ba s a l t f i b e r C an s l o w d o wn the e a r l y c r a c ki n g of BF RC K e y wor d s ： b a s a l t fi b e r ； c o n c r e t e ； c o mp r e s s i v e s tr e n g t h ； fl e x u r a l r e s i s t a n c e 0引言 1 试验 纤维增强水 泥基复合材料被公认 为是 目前最具发展 前景的绿色高性能材料1 - 4 。 大量研究表明， 纤维对于抑制 混凝土收缩、 提高混凝 土抗裂性具有 明显的作用效果阎 。 纤 维 具有抑制混凝土收缩 、 提高混凝土抗拉强度 、 增加混凝 土韧性的作用 ， 能够解决高强高性能混凝土 中出现的拉压 比低 、 韧性差和收缩大等问题 6 - 7 。 玄武岩纤维( B F ) ， 是以火 山岩为原料 ， 在 1 4 5 0 1 5 0 0 熔融后 ， 通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维 。 除具有高技术 、 高强度 、 高模 量的特点外 ， 还具有耐酸碱 、 抗氧化 、 抗辐射 、 绝热隔音 、 防火阻燃 、 过滤性好 、 抗压缩强 度和剪切强度高， 适应于各种环境下使用等优异性能， 近 年来 ， 正成为工程界研究的热点【8 。 本 试验研究 了不 同长 径比的短切玄武岩纤维在不同体积掺量条件下对 C 4 0混 凝土抗压强度 、 抗折强度的影响及其作用机制， 同时还研 究 了长 1 8 m l T l 的短切玄武岩纤维对混凝土抗冲击性能和 抗早期开裂性能的影响。 收稿 日期：2 0 1 4 - 0 4 1 0 基金项目：四川省教育厅项目( 1 3 Z A 0 1 5 9 ) 1 1 原材料及 配合 比 水 泥 ： P 0 4 2 5 R， L J l J 中联水 泥有限公司生产 ， 其 化 学成分和物理性能分别如表 l 和表 2 所示 ； 砂 ， 涪城河 沙 ， 细度模数 3 1 ； 石子， 5 1 0 mm， 1 0 2 0 m m两个级配； 减水剂， 德 国 B A S F 一 德 固萨公 司生产的 B AS F me l fl u x 1 6 4 1 f 高效 聚羧酸 固体减水剂 ； 自来水 ； 玄武岩纤维 ， 四川航天拓鑫玄 武岩实业有限公 司生产 ， 其性能指标如表 3 。 表 1 P O 4 2 5 R的化学成分 成分 S i O 2 A1 2 O 3 F e 2 O 3 C a O Mg O R 2 0 L o s s 其他 含 量 2 1 3 5 5 4 7 3 O 4 5 8 2 3 2 5 5 1 0 9 2 9 1 5 3 6 9 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 3玄武岩纤维主要物理性能 直径 长度 密度 弹性模量 拉伸强度 断裂伸长 线膨胀系数 Ix m m m l ( g c m3 )t G P a MP a 率 ( 1 0 k ) 1 5 6、 1 2、 l 8 2 6 5 98 1 1 3 8 0 29 39 5 5 对比混凝土试件的设计强度等级为C 4 0 ， 混凝土配合 比如表 4 。 表 4 对比混凝土配合比 k g m 1 2 试件制作及试验 三种不同长度的玄武岩纤维分别 以 0 、 0 0 5 、 0 1 0 、 0 1 5 、 0 2 0 、 0 2 5 的体积掺量加入。 抗压强度和抗折强度 试验参照 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ( 普通混凝土力学性能试验方 法标准 进行 ， 抗压强度试验采用 1 0 0 m mx l O 0 m mx 1 0 0 mm 试件 ， 抗折强度试验采用 1 0 0 mm l O 0 m mx 4 0 0 mm， 每组 试验 3 个试件 ， 取其 平均值作 为强度指标 ， 抗 冲击 性试验 采用王璋水 、 邓宗 才弯 曲冲击试验法 1 1 所用试件 尺寸为 1 0 0 m m 1 O 0 m mx 4 0 0 m m， 每组 6 个试件 ， 如 图 1 所示 。 早 期抗裂试验参照G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ( 普通混凝土长期性能 和耐久性能试验方法标准 ， 采用尺寸为 8 0 0 m mx 6 0 0 mmx 1 0 0 m m的平面薄版型试件， 在试件成型 3 0 mi n 后， 调整风 扇位置和风速 ， 使试件表面 中心正上方 1 0 0 mm处 风速 为 ( 5 0 5 ) m s ， 用放大镜测量混凝 土浇筑 2 4 h后的裂缝数据 来计算平均开裂面积 ， 单位面积的裂缝数 目和单位面积上 的总开裂面积 。 混凝 土试 件 应 变片 图 1 落锤 套筒 广垫板 弯 曲冲击试验法示意图 支 座 2结果 与讨论 2 1 玄武岩纤维对混凝土抗压强度的影响 图 2 所示为玄武岩纤维混凝 土抗压强度 ， 由图可 以看 出， 不同长度和体积掺量的玄武岩纤维对混凝土抗压强度 的作用效果是不一样的， 且其抗压强度值分布较为离散。 6 O 45 美3 0 15 O 1 00 o 1 o o 1 5 o 2 0 o 2 5 纤维体 积掺 量 玄武岩纤维混凝土抗压强度柱 为考查玄武岩纤维长度 和体积掺量 两个因素对混凝 土抗 压强度的影响是否显著 ， 如表 5所示 ， 对玄武岩纤维 混凝土抗压强度值做数理统计分析 。 表 5 长度 L 、 掺量 对抗压强度值的二因素分析表 纤维长度因子 L取 6 、 1 2 、 1 8 mm三种水平 ， 体积掺量因 子 取 0 , 0 0 5 、 0 1 0 、 0 1 5 、 0 2 0 、 0 2 5 六 种水平 ， 抗 压强度值均为 6 次测试数据所取的平均值， 可视为重复试验 二元方差分析， 统计数据服从 F分布， 给定显著水平 ： 5 。 根据重复试验二元方差分析计算原理 2 1 ， 分别计算 、 两 种影 响因子及 其交互 作用条件下玄武岩纤维混凝土抗 压 强度值 的离差平方 和 、 自由度 、 均方离 差 、 F值 ， 计 算结 果 如表 6 所示 。 表 6 抗压强度值二元方差分析计算表 来源 自由度 均方离差 F值 由 = 5 ， 查 阅 F分布上侧分位数表可知 ， R ( 2 ， 3 6 ) = ( 3 2 3 ， 3 3 2 ) ， ( 5 ， 3 6 ) = ( 2 4 5 ， 2 5 3 ) ， ( 1 0 ， 3 6 ) = ( 2 0 8 ， 2 1 6 ) ， 比较得知 F F o 0 5 ( 5 ， 3 6 ) ， F F o ( 1 0 ， 3 6 ) ， 即 表示玄武岩纤维长度对混凝土抗压强度无显著影响， 体积 掺量对混凝 土抗压强度有显著影响 ， 纤维长度和体积掺量 对混凝土有显著的交互作用。 2 2 玄武岩纤维对混凝土抗折强度的影响 图3 所示为不同长度和体积掺量条件下玄武岩纤维 混凝土抗折强度变化趋势 图。 不难看 出 ， 玄 武岩纤维的掺 入 ， 可提高混凝土抗折强度 ， 且不 同体积掺量增 强效果 不 一 样。 当掺入玄武岩纤维时 ， 随着掺量 的增加 ， 玄武岩纤维 混凝土抗折强度增幅逐渐增大 ， 掺量为 0 1 0 时 ， 增强 幅度 最大 ， 长度 1 8 i n m 的玄武岩纤维最大增幅可达 2 2 8 ， 随着 掺量的进一步增加 ， 增强幅度逐步 降低 ， 并渐渐趋于平缓。 纤维体积掺量 ， 图 3 玄武岩纤维混凝土抗折强度变化 2 图 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 不同长度的玄 武岩纤维对混凝 土抗折 强度 的增 强效 果 也不一样 ， 纤维越长 ， 增 强幅度越大 ， 长 度 6 、 1 2 、 1 8 m m 的玄武岩纤维最大增强幅度分别为 1 1 7 、 1 7 3 、 2 2 8 。 玄武岩纤维对混凝土 的增强效果主要取决 于纤维 的 掺量、 纤维的几何特征、 纤维的分散型及其与水泥浆体的相 容性、 纤维在混凝土中的分布以及纤维与水泥浆体黏结界 面 等因素 。 研究表 明 1 3 】 ， 纤维混凝土试件 的破 坏主要是 因 为纤维拔 出或脱黏 ， 因此可用纤维拔 出所 吸收的能量 G 。 来 表征玄武岩纤维在混凝 土试件 承受载荷破坏 过程 中所起 的作用。 G 。 可用式 ( 1 ) 来计算 ： G c = 曙r L 2 f ( 1 ) 式中 ： V 、 L 、 一分别是纤维的体积掺量 、 长度 、 直径 ； 界面参数。 对于玄武岩纤维混凝土复合体系， G 。 的存在可大大 提高混凝 土的断裂能 G ， 提高载荷下混凝土 的抵抗 能力 ， 断裂能的提高 ， 能增加玄武岩纤维混凝土的特征长度 ， 如式 ( 2) 所示。 鲁 (2 ) 特征长度是对材料脆性 的一种度量 ， 玄武岩纤维的掺 入可增加材料 的特征长度 ， 使混凝土形成更具延性 的体 系， 提高混凝土的韧性。 由式 ( 1 ) 可以看出 ， 体积掺 量 、 长度 决定着 G 。 的 大小 ， 纤维越长， 体积掺量越大， G 。 越大， 即混凝土试件断 裂时纤维拔 出所吸收的能量越大 ， 纤维对混凝土试件 的增 韧增强作 用越好 。 同时 ， 玄武岩纤维在混凝土 中在取 向对 其利用效率有很大的影响 ， 纤维取向与应力方向一致时 ， 其 利用效率高 。 一般 而言 ， 短切纤 维在混凝土中呈三维乱 向 分布， 纤维掺量过大时， 容易黏聚成团， 其利用效率反而降 低 ， 因此纤维增强混凝土存在最佳 掺量 ， 本试验条件下 ， 如 图 3 所示 ， 玄武岩纤维的最佳掺量为 0 1 。 2 3 玄武岩纤维对混凝土抗冲击性的影响 玄武岩纤维混凝土抗 冲击性试验 是在抗 压强度试 验 和抗折强度试验 的基础上 ， 选取直径为 1 8 mm的玄武岩纤 维进行 的， 试验以混凝土初裂和破坏时的冲击耗能衡量混 凝土的抗冲击性能 ， 其计算公式如式( 3 ) ： = J ( 3 ) 式中 ： 纤维混凝土的冲击韧性 ， N m； 破坏时的冲击次数 ； m钢锤 的质量 ； 冲击锤下落高度 ， m； g 9 8 1 m s 。 通过数据处理和公式计算 ， 初裂和破坏时 的冲击试验 结果如表 7 所示。 由表 7的试验结果可知， 玄武岩纤维混 凝土初裂冲击耗能和破坏冲击耗能都随体积掺量的变化 而变化 ， 当玄武岩纤维体积掺量为 0 1 时 ， 初裂耗能 和破 坏耗能均为基体混凝土的 1 5 倍。 这是 因为玄武岩纤维均匀 分散于混凝土中， 与水泥浆体形成黏结界面， 当混凝土试 件受到冲击载荷时 ， 与混凝土紧密黏结在一起 的玄武岩纤 维网络体系 ， 有助于分散能量 ， 延缓混凝 土基体的开裂 ， 提 高纤维混凝土 的初裂能耗 ； 继续施加 冲击载荷 ， 混凝土基 体将应力传递给玄武岩纤维 ， 再 由纤维将应力传递 给尚未 开裂 的混凝 土基体 ， 应力通过玄武岩纤维在混凝土基体间 往返传递 ， 形成大量细裂缝 ， 直至混凝土基体完全丧失承 载能力 ， 玄武岩纤维被拉断 ， 混凝土试件被破坏。 纤维体积 掺量为 0 1 时， 通过搅拌 ， 玄武岩纤维充分分散于混凝 土 中， 充分发挥增韧 的作用 ， 当掺量继续增加 ， 则会因为掺量 过 大而分散 不均 ， 纤 维产生团聚 ， 反而影 响玄武 岩纤维对 混凝土试件抗冲击性韧性 的增强作用。 表 7玄武岩纤维混凝土的弯曲冲击试验结果 餮 ( N 嚣 ( N 薰 掺 量 冲 击 次 数 冲 击 次 数 耗 能 ：_u 耗 能 ： 长 厦 次 次 m ) 比 但 m ) 比 值 2 4 玄武岩纤维对混凝土早期开裂的影响 新拌混凝土浇筑早期因为塑性收缩 和化学 收缩会 导 致混凝土产生早期开裂 ， 本试验 中， 测量混凝土加水搅拌后 2 4 h的早期开裂裂缝 ， 将混凝土试件表面平均划分为 6 个 区域 ， 用放大镜在每个区域 内相 同的位置选取 5 0 张照片 ， 读取 每张照 片上裂缝数 目、 长度 、 宽 度 ， 如 图 4和 图 5 所 示 ， 通过式( 4 ) 、 ( 5 ) 、 ( 6 ) 进行计算并对 每个配合 比进行评 价 ， 如表 8 ： 每条裂缝 的平均开裂面积应按式 ( 4 ) 计算 ： ( x W ) ( 4 ) 单位面积 的裂缝数 目应按式( 5 ) 计算 ： 6 = ( 5 ) A 单位面积上的总开裂面积应按式( 6 ) 计算 ： c = n b ( 6 ) 式中 ： 第 i 条裂缝 的最大宽度 ， mm， 精确到 0 叭 mm； 第 i 条裂缝的长度 ， m m， 精确到 0 0 1 m m； 总裂缝数 目； 表 8 玄武岩纤维混凝土早期开裂评价 1 01 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m