玄武岩纤维双快水泥混凝土力学性能试验研究.pdf

2 0 1 3年第 6期 6月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C ONC RE T E AND CE MEN T P R0DUC T S 2 01 3 No 6 J u n e 玄武岩纤维双快水泥混凝土力学性能试验研究 阚泽宝 ， 李艳茹 ，一 ， 薛 凯 ， 赵 志勇 ( 1 海军工程大学勤务学院， 天津 3 0 0 4 5 0 ； 2 天津大学建筑工程学院， 3 0 0 0 7 2 ) 摘要 ： 针 对玄武岩纤维双 快水泥混凝 土的抗 压及抗 弯性 能， 在 0 1 一 0 3 体积掺 量下进行 了立方体抗 压强度 试 验 ， 利 用 动 态 应 变 仪 测 量 了 4点 弯 曲状 态 下 的 应 力 一应 变 关 系 ， 并 对 0 4 、 0 4 5、 o 5三 种 水 灰 比试 件 的抗 压 及 抗 折 强度进行 了对 比。 试验结果表明 。 掺入 玄武岩 纤维在一定程度上提 高了双快 水泥混凝 土的抗压 强度 。 同时提 高弯拉 强度 5 一 2 0 ； 弯 曲状 态下 ， 应 力一 应 变关 系曲线表明 玄武岩纤 维双快水 泥混 凝土存在 明显的屈服 点。 极 限拉 应变 可达 6 5 0 x1 0 - 9 3 5 x1 0 。 关键 词 ： 玄武岩纤 维； 双快水泥混凝 土 ； 抗压强度 ； 应 力一 应 变曲线； 弯曲韧性 Ab s t r a c t ： r h e c o mp r e s s i v e a n d fl e x u r 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 f a s t s e t t i n g a n d h a r d e n i n g c o n c r e t e i s i n - v e s t i g a t e d wi t h t h e c o n t e n t of b a s a l t fi b e r f r o m 0 1 t o O 3 b y v o l u me I 1 1 e c u b i c c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d t h e s t r e s s - s t r a i n c u I v e u n d e r b e n d i n g s t a t e a r e me a s u r e d b y a d y n a mi c s t r a i n i n d i c a t o r a n d the c u b i c c o mp r e s s i v e a n d b e n d i n g s t r e n gth o f c o n c r e t e wi t h t h me d i ff e r e n t w a t e r c e me n t r a t i o s ： 0 4、 0 4 5、 0 5 a r e als o c o mp a r e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e a d d i t i o n o f b a s a l t fi b e r c a n e n h a n c e t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f t h e f a s t s e t t i n g a n d h a r d e n i n g c o n c r e t e t o a c e r t a i n e x - t e n t a n d a t t h e s a me t i me c a n i mp mv e i t s f l e x u r a l t e n s i l e s t r e n g t h f r o m 5 t o 2 O T h e s t r e s s s t r a i n c u r v e e x h i b i t s a s i g n i fi c a n t y i e l d i n g l i mi t o f b a s a l t fi b e r r e i n f o r c e d f a s t s e t t i n g a n d h a r d e n i n g c o n c r e t e s p e c i me n e u l t i ma t e t e n s i l e s t r a i n o f f o u r p o i n t b e n d i n g t e s t c a n r e a c h 6 5 0 x 1 0 9 3 5 1 0 Ke y wo r d s ：B a s a l t fi b e r ；F a s t s e t t i n g a n d h a r d e n i n g c o n c r e t e ；Co mp r e s s i v e s t r e n gth ； S t r e s s - s t r a i n c u e ；Be n d i n g d u c t i l i t y 中图分类号 ： T U 5 2 8 5 7 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 - 4 6 3 7( 2 0 1 3 ) 0 6 4 3 0 4 0前言 快硬高强水泥按性能一般可分为两类 ： 一类为 快 硬 水 泥 ， 另 一 类 为 快 凝 快 硬 水 泥 ， 即双 快 水 ” 。 双快水泥 的主要特点是凝结硬化快 、小 时强度高 ， 于 1 9 7 8年通过我 国的部级技术鉴定 ，同年获得全 国科 学 大会成 果 奖 。由双快水 泥 制作 而成 的混凝 土 称为快硬早强混凝土 。 是一种用于快速抢修的特种 混凝土 。快硬早强混凝土主要应用在公路桥梁 、 机 场道面 、码头 以及地下工程等 的抢修加 固当中， 如 高速公路 、 机场道面需要及时快速抢修以便尽快地 开放交通 另外 ， 用于涵洞隧道等抢修 中的喷射混 凝 土 亦属这 类 。 普通 的快硬早强混凝土仍是一 种低拉脆性材 料 且脆性随着混凝土强度的提高而上升。为在保 证强度的同时提高混凝土 的韧性 ， 常常采用添加纤 维 的方 法 。 目前 已有对 快 硬硫铝 酸 盐水 泥混凝 土 中 掺加钢纤维 的研究和应用实例 ， 实践证 明， 其混凝 土工程 质 量达 到 了较高 的水 平2 。 玄武岩纤维作为一种环保型材料 。 具有 良好 的 力 学 与 物理 性 能 ，且 与混 凝 土具 有 良好 的相 容性 。 近年来 ， 玄武岩纤维混凝土得到 了广泛 的研究和应 用 ， 但对于玄武岩纤 维双快水泥混凝土 的研究仍处 于空 白阶段 。为 推进 玄武 岩纤维 在 土木工 程 中的应 用 ， 本文以不 同玄武岩纤维掺量下的混凝土试件为 研究对象 ， 测定 了其抗压强度及抗 折强度 ， 并对利 用 四点弯 曲试验所测得 的试件在弯曲状态下 的应 力应变 曲线 量化地说明了玄武岩纤维双快水泥混 凝 土的 弯 曲韧性 特征 。 1 试 验部 分 1 1 原材料 玄武岩纤维 ： 选用江苏某公司生产的短切玄武 岩纤 维 ， 长度 1 8 mm， 具体 性能 指标见 表 1 。 水 泥 ：中 国建 筑 材 料 科 学研 究 总 院 提 供 的 2 # 双快水 泥 ， 其 物理力 学性 能指 标见 表 2 。 表 1 玄武岩纤维性 能参数 4 3 阚泽 宝 ， 李艳 茹 ， 薛 凯 ， 等 玄武 岩纤 维双 快水 泥混凝 土 力学性 能试 验研 究 抗压强度 以及弯拉强度 的折算系数分别取 0 9 5和 0 8 5 t 4 1 ， 对掺加纤维 的混凝土 ， 折算 系数分别取 0 9 0 和 0 8 2 3 。 从表 4可以看出， 当玄武岩纤 维体积掺量增加 时 其抗压强度 随掺量高低起伏 ，在纤维掺量为 0 1 0 3 的范 围内大致呈先 增高后 降低 的趋势 。 与基 准混 凝 土相 比。 B l 一 0 4 5 、 B 2 0 4 5 、 B 3 0 4 5组 试 件 的 1 2 h抗压 强度 变化 率分 别为 5 8 、 9 8 和一 9 3 。笔者认为。 这是由于随着玄武岩纤维的掺入， 玄 武 岩 纤 维 在 混 凝 土 内部 均 匀 分 散 形成 相 当 于 微 型 箍筋 的纤 维 网格 ， 有 效地 阻 止 了混 凝 土 内部 微 裂 缝的产生和发展 。从而到达了一定 的增强作用 ， 起 到了补强增韧的效果。然而，随着玄武岩纤维掺量 的增加 ， 分散的纤维在混凝土搅拌过程中结 团的几 率也相应增加 ， 导致混凝土内部孔隙率增大 ， 在准 静态荷载的作用下 ， 有足够 的时间在孔隙周 围形成 应 力 集 中 。从 而 影 响 了 纤 维 一基 体 界 面 的 力 学性 能 。 添加短切玄武岩纤维后 ， 各个龄期 的弯拉强度 均有不 同程度 的提高 ，其 中 2 8 d的最大增 幅达 到 1 7 2 。此外 ， 通过不同掺量玄武岩纤维混凝土之间 的对比可以看出在体积掺量为 0 1 0 3 的范围 内 随着短切玄武岩纤维掺量的增加 。 玄武岩纤维 双快水 泥混凝土 的弯拉强度也不断增加 。笔者认 为 。 掺人玄武岩纤维后 ， 在 四点弯 曲试验 中， 玄武岩 纤维在混凝土基体 内起到 了微钢筋的作用 ， 从试件 破 坏 的截 面上 可 以 明显 地 看 出玄 武 岩 纤 维 被 拔 出 的现象 。 图 2和图 3为各龄期试 件抗 压强度和弯拉强 度的变化情况 。从强度 的发展来看 ， 掺入玄武岩纤 维可在一定程度上延缓双快水泥混凝土强度 的发 展。从结果试验可知， 掺量为 0 2 的玄武岩纤维双 快 水 泥 混 凝 土 1 2 h的抗 压 强 度 和 弯拉 强 度 分 别 占 芝 嘿 玄武岩纤维体积掺量 图 2不同龄期试件 的抗压强度 5 _ 0 4 5 童4 。0 警3 5 蠡3 0 25 20 0 1 O2 O _ 3 玄武岩纤维体积掺量 不同龄期试 件的弯拉 强度 其 2 8 d强度 的 7 2 9 和 8 7 4 ，而基准 混凝 土 占 7 5 0 和 8 9 0 。 2 3 水灰 比对 双快 水泥混 凝 土强度 的影 响 本次试验通过改变玄武岩纤维双快水泥混凝 土 的水灰 比 对 比了不 同水灰 比情况 下 ，试 件 1 2 h 与 2 8 d的强度 以探求水灰 比对纤维双快水泥混凝 土抗压强度和抗折强度 的影响 试验结果如表 5所 示 表 5不同水灰 比的强度 比较 从 表 5可 以看 出 。 随 着 水 灰 比的增 大 ， 试 件 的 抗压强度和抗折强度都呈降低趋势。此外 ， 我们还 可以看 出 。 水灰 比为 0 4 O时 。 试件 的强度与水灰比 为 O 4 5试件的强度之间存在较大差别 ， 而水灰 比为 O 4 5的试件与水灰 比为试件 0 5 0之 间的差别较小。 笔者认为 ， 这是 由于 0 5 0的水 灰 比已偏大 ， 在试验 搅拌过程 中泌水性较大 ， 水分 的流失 ， 直接降低 了 试件 的水 灰 比 从 而 导致 与水 灰 比为 0 4 5的试 件强 度 差别较 小 。 2 4 纤 维掺 量对 双快 水 泥混凝 土弯 曲性 能 的影 响 表 6为四点弯曲下应变的试验结果。从表 6可 以看出 ， B 1 0 4 5 、 B 2 0 4 5 、 B 3 0 4 5试件的极限拉应 变 分 别 为 基 准 混 凝 土 极 限 拉 应 变 的 2 2 4 、 2 5 7和 3 2 2倍 。这 表 明 ， 短切 玄武 岩 纤 维 的掺 人 大 大增 加 了 双 快水 泥混 凝 土 的极 限变 形 能 力 ， 而且 ， 在 纤 维 体积 掺量 为 0 1 O 3 的范 围内 ，随着短切 玄 武岩 纤维掺量的增 加 试件 的极 限变形能力也不断增 加。 4 5 3 图 O 2 0 1 3年第 6期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 6期 表 6 四点弯曲试验结果 图 4为典型纤维混凝土应力一 应变曲线的几何 特征圈 其 中 O B段为弹性应变阶段 ， O C段为塑性变 形阶段 。B点为初裂点 ， 该点的应变为初裂应变 ， 表 明试件 已经处 于开裂 的 临界状 态 。 C点为极 限点 ， 该 点 的应 变 为极 限应 变 ，是 试 件破 坏 时 的 最大 应 变 。 通过对 曲线进行积分得到曲线下的面积 ， 即试件的 受 弯应 变 能 。图 4中 O B段下 的面积 ( A E ) 为混 凝 土 的弹性 应变 能 ， O C段 下 的面积 ( A P ) 为混 凝土 塑性应 变能。表 6为四点弯曲试验结果 。 p 善 b 盯 E 0 s E 8， 1 0 _ 6 图 4纤 维 混 凝 土 典 型 应 力一 应 变几 何 特 征 曲线 图 5为 四点弯 曲下混凝土试件的应力一 应变曲 线关系。从图 5可以看 出， 各组玄武岩纤维双快水 泥混凝土试件的初裂应变大致与基准混凝 土的极 限应变相当。这说明当基准混凝 土破坏时 ， 玄武岩 纤维混凝土仍具有一定 的承载能力。此外 ， 我们还 可 以用 弹性 应 变 能 与塑 性 应 变 能 之 和 与 弹 性 应 变 芝 b 46 e 1 0 - 6 图 5 四点 弯 曲 的应 力 一 应 变 曲 线 能的比值 A + A P A 来定量地说明玄武岩纤维双快 水泥混凝土的弯曲韧性与变形能力 6 1 。由表 6可见 ， 各组试件的弹性应变能相差不大 ， 但各组试件的塑 性应变能存在较大的差异 ， 且随着纤维体积掺量的 增加 ， 塑性应变能呈现上升 的趋势 ， 说明试件 吸收 应变能的能力不断增长 。其 中。 当玄武岩纤维的体 积掺量为 0 3 时 ， A + A P A E 的 比值 已达到 6 7 7 ， 这 说 明玄 武 岩纤 维 双 快 水 泥 混 凝 土 具 有 良好 的弯 曲 韧性与变形能力。 3 结论 ( 1 ) 立方体抗压强度试验验结果表 明 ， 掺加玄 武岩纤维后 ， 在体积掺量为 O 1 0 3 范围内， 双快 水泥混凝土的抗压强度先增大后减小 ， 在 0 2 附近 取得最大值 ， 1 2 h强度的增幅为 9 8 。 ( 2 ) 掺人玄武岩纤维在一定程度上可以提 高双 快 水 泥 混 凝 土 的抗 折 强 度 ，在 体 积 掺 量 为 0 1 0 3 范围内 随着纤维掺量的增加而增 大 ， 其提高 幅度 大致 为 5 2 O 。 ( 3 ) 玄 武岩 纤维 双快 水 泥混 凝 土 的水 灰 比不 宜 大 于 0 5 0 。 ( 4 ) 掺入玄武岩纤维能较好地提高双快水泥混 凝土的弯 曲性能 ， 在弯 曲状态下的玄武岩纤维双快 水泥 混凝 土 试件 具 有屈 服 现象 发 生 。 能 吸 收较 多 的 塑形应变能 ， 弯曲韧性能够稳定提高 3 7倍 。 参 考 文 献 ： 【 1 】 千杰 超早强水 泥基修补材 料作用 机理及应 用技术研 究 【 D 】 西安 ： 长安大学硕士学位论文， 2 0 1 1 【 2 杨 荣俊， 李彦 昌， 张 春林 ， 等 钢纤 维快 硬硫铝 酸盐水 泥混 凝 土性 能研究及在桥 梁伸缩缝 改造工程 中 的应 用 J 混凝 土 2 o o 3 ( 1 1 ) ： 5 4 - 5 6 【 3 】 哈尔滨 建筑 工程学 院 C E C S 1 3 8 9钢 纤维混 凝土 试验方 法【 S 北京： 中国计划出版社， 1 9 9 6 【 4 】中国建筑科学研 究 院 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【 S 】 北京 ： 中国计划 出版社， 2 0 0 2 5 】 朱 涵， 刘 春生， 张永 明， 等 橡胶 集料掺 量对混 凝 土压弯 性能的影响 J 】 天津大学学报， 2 0 0 7 ， 4 0 U ) ： 7 6 1 7 6 5 6 T o p c u I B A s s e s s m e n t o f t h e b ri t t l e n e s s i n d e x o f mb b e ri z e d c o n c r e t e【 J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 7 ， 2 7 ) ： 1 7 7 - 】 8 3 收 稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 4 2 6 作 者 简 介 ： 阚泽 宝 ( 1 9 8 9 一) ， 男 ， 硕 士 。 通讯地 址 ： 天津 市塘沽 区河北路 1号 ， 海军 工程大 学勤 务学院军港 系( 3 0 0 4 5 0 ) 联 系 电话 ： 1 5 8 2 2 6 3 3 0 4 8 E- ma i l ： k a n z e b a o 1 6 3 c o m