2.2　玄武巖纖維水工混凝土的抗壓性能

玄武巖纖維水工混凝土的抗壓增強(qiáng)性能試驗(yàn)所用的水泥、粗骨料、細(xì)骨料、拌和水、硅粉、外加劑、粉煤灰和玄武巖纖維與2.1節(jié)相同。

2.2.1　與摻加硅粉的混凝土抗壓性能的比較

混凝土的抗壓(及劈裂抗拉)的試件按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL/T 352—2006)進(jìn)行制作、測定混凝土拌和物的和易性及養(yǎng)護(hù)。抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)每組試件3個,均為150mm×150mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)試模制備;試件制作完成后1d拆模,在20℃的靜水中養(yǎng)護(hù)28d后,按《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL/T 352—2006)測試立方體抗壓強(qiáng)度(及劈裂抗拉強(qiáng)度)。試驗(yàn)結(jié)果的處理按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL/T 352—2006),以3個試件測值的平均值作為該組試件的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果,即單個測值與平均值允許差值為±15%,超過時應(yīng)將該測值剔除,取余下兩個試件值的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。如一組中可用的測值少于兩個時,該組試驗(yàn)應(yīng)重做。

與文獻(xiàn)[54]等研究的結(jié)論類似,各種水灰比下的玄武巖纖維混凝土試件的抗壓破壞的形態(tài)表現(xiàn)為由脆性向延性轉(zhuǎn)變,其立方體抗壓強(qiáng)度均比相同水灰比時的素混凝土抗壓強(qiáng)度高。試驗(yàn)結(jié)論還表明,水灰比是最大的影響因素,硅粉的摻入增加了混凝土的抗壓強(qiáng)度,玄武巖纖維的摻入也增加混凝土的抗壓強(qiáng)度,但其增加的比例小于硅粉混凝土的。

2.2.1.1　纖維體積摻量的影響

以試驗(yàn)結(jié)果中的玄武巖纖維長度為15mm為例[43,79],不同體積摻量(纖維長度15mm)對混凝土抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果的分析如表2.4所示。

表2.4表明,除個別試件外(可能是纖維未分散引起的原因),玄武巖纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度總體是增加的,而且隨著水灰比的增加,其增強(qiáng)性能有所加強(qiáng)。不過,玄武巖纖維混凝土的增強(qiáng)效果比硅粉混凝土的增強(qiáng)效果差。

表2.5是玄武巖纖維混凝土的抗壓增強(qiáng)效果(3種體積摻量的平均增長值)與硅粉混凝土的增強(qiáng)效果的比較。

表2.5的結(jié)論表明,無論是玄武巖纖維混凝土還是硅粉混凝土,水灰比0.55之后的增強(qiáng)效果減緩;玄武巖纖維混凝土增強(qiáng)效果大致是硅粉混凝土增強(qiáng)效果的一半左右。表2.6是以不同水灰比、但相同摻量的抗壓強(qiáng)度增長率平均值比較。結(jié)果表明,玄武巖纖維的體積摻量增加到0.3%,其抗壓強(qiáng)度的平均增長率有所減少,原因可能是纖維的分散效果不好所致。

與素混凝土比較,上述所有摻加玄武巖纖維的混凝土抗壓強(qiáng)度平均增長率為16.79%,而所有硅粉混凝土的增長率平均值為38.19%,其增強(qiáng)效果優(yōu)于玄武巖纖維混凝土的增強(qiáng)效果。

試驗(yàn)結(jié)論還表明,水灰比是最大的影響因素,硅粉的摻入增加了混凝土的抗壓強(qiáng)度,玄武巖纖維的摻入也增加了混凝土的抗壓強(qiáng)度,但其增加的比例小于硅粉混凝土的。

2.2.1.2　纖維長度的影響

表2.7是相同纖維體積摻量和不同長度玄武巖纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度平均增強(qiáng)效果分析。

上述結(jié)果說明,玄武巖纖維的長度對混凝土抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果影響并不明顯。在纖維摻量較少時,長度15mm的纖維混凝土效果明顯些;隨著纖維摻量增加,長度大的纖維反而使混凝土的抗壓增強(qiáng)效果降低。原因可能是纖維摻量的增加使得長度大的纖維分散不均而產(chǎn)生了眾多的薄弱界面,降低了其增強(qiáng)效果。

2.2.2　與摻加碳纖維的混凝土抗壓性能的比較

為比較玄武巖纖維混凝土與碳纖維混凝土的抗壓增強(qiáng)效果,進(jìn)行了與摻加碳纖維的混凝土抗壓增強(qiáng)效果的比較試驗(yàn)。試驗(yàn)原材料和配合比見表2.2。

采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌制混凝土,混凝土抗壓和抗彎試件每組3個,其尺寸均為150mm×150mm×150mm;纖維混凝土的制備、試驗(yàn)方法與試驗(yàn)結(jié)果處理方法同上述2.2.1;抗彎試件每組3個,其尺寸為100mm×100mm×400mm。同種摻量、配合比抗壓試件與抗彎試件同時成型,成型后1d拆模,在20℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度及抗彎性能測試。測試抗彎強(qiáng)度的同時,測試試件的彎曲拉伸應(yīng)變。在試件底面中間段受拉側(cè)粘貼電阻應(yīng)變片,連接應(yīng)變儀,每加載1000 N測讀并記錄應(yīng)變值。之后,根據(jù)所記錄的荷載和應(yīng)變值,繪制混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。

纖維混凝土的抗壓試件和抗彎試件制作和試驗(yàn)測試,試驗(yàn)測試的結(jié)果(抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度與抗彎彈性模量)的計(jì)算等均按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL/T 352—2006)執(zhí)行,其中混凝土抗彎強(qiáng)度按式(2.1)計(jì)算(準(zhǔn)確至0.01MPa)[81]:

式中:ff為混凝土抗彎強(qiáng)度,MPa;P為破壞荷載,N;l為支座間距(即跨度),l=3h,mm;b為試件截面寬度,mm;h為試件截面高度,mm。

如果彎斷面位于兩個集中荷載之外(以受拉區(qū)為準(zhǔn)),則該試件作廢。如果有兩個試件的彎斷面均位于兩個集中荷載之外,則試驗(yàn)應(yīng)重做。

混凝土的抗彎彈性模量按式(2.2)計(jì)算(準(zhǔn)確至100MPa)[81]:

式中:Ef為混凝土抗彎彈性模量,MPa;σ0.5為50%的破壞應(yīng)力,MPa;ε0.5為σ0.5所對應(yīng)的應(yīng)變值。

應(yīng)力按式(2.3)計(jì)算(準(zhǔn)確至0.01MPa):

式中:σf為彎曲應(yīng)力,MPa;P為彎曲荷載,N;l、b和h均與式(2.1)相同。

混凝土抗彎彈性模量取應(yīng)力0～0.5ft破壞應(yīng)力的割線彈性模量。表2.8～表2.11是測試結(jié)果[8]。

表2.8是水灰比為0.50摻玄武巖纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗彎性能試驗(yàn)結(jié)果,其中C編號為未摻纖維混凝土試件(對比組)的結(jié)果。

表2.9是水灰比為0.60摻玄武巖纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗彎性能。

表2.10是水灰比為0.50摻碳纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗彎性能,其中C21是未摻纖維試件(對比組)。

表2.11是水灰比為0.60摻碳纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗彎性能,其中C22是未摻纖維試件(對比組)。

2.2.2.1　與碳纖維混凝土增強(qiáng)效果的比較

以摻加20mm短切纖維、水灰比為0.50的混凝土試件的測試結(jié)果為例,玄武巖纖維和碳纖維不同纖維摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如圖2.3所示[8]。

如圖2.3所示,混凝土中短切纖維含量的不同,對混凝土抗壓強(qiáng)度有一定的影響。當(dāng)摻加短切玄武巖纖維的含量為0.1%～0.5%時,混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著纖維摻量的增加而增大,并在0.5%時達(dá)到最大值。主要原因可能是,纖維混凝土內(nèi)部形成一定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),協(xié)同骨料一起受力,當(dāng)應(yīng)力自基體傳遞給纖維時,纖維因變形而消耗能量,使受壓強(qiáng)度上升[42]。隨后纖維摻量的增加反而使混凝土的抗壓強(qiáng)度降低,原因是纖維摻量的增加使纖維分散不均而產(chǎn)生了眾多的薄弱界面,不能形成具有整體性的空間網(wǎng)架,導(dǎo)致增強(qiáng)效果反而降低[82-83]。

混凝土中摻加0.1%～0.5%的短切碳纖維可使抗壓強(qiáng)度增大。同摻加短切玄武巖纖維類似,當(dāng)摻量為0.5%時達(dá)到增強(qiáng)效果的最大值,并隨著短切碳纖維摻量的繼續(xù)增加而使增強(qiáng)效果降低。為比較兩種纖維的增強(qiáng)效果,抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值時的情況分析如表2.12所示。

上述分析表明,摻加短切玄武巖纖維和短切碳纖維都可增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度。在上述試驗(yàn)條件下,當(dāng)混凝土中摻加纖維含量達(dá)到最優(yōu)值時,玄武巖纖維可使普通混凝土的抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)27.34%,碳纖維則增強(qiáng)13.24%,玄武巖纖維增強(qiáng)效果比碳纖維明顯。同一水灰比0.50,相同纖維長度為10mm和15mm,玄武巖纖維對混凝土抗壓強(qiáng)度的最大增長率都比碳纖維的明顯。

2.2.2.2　纖維長度對混凝土增強(qiáng)效果的比較

上述結(jié)果分析表明,纖維體積摻量對混凝土的抗壓強(qiáng)度有較為明顯的影響。根據(jù)上述結(jié)果,以水灰比0.50為例,計(jì)算得到不同纖維長度、所有摻加纖維的體積摻量(0.1%～0.9%)的混凝土抗壓強(qiáng)度的平均增長率見表2.13。

表2.13分析的結(jié)果表明,在水灰比0.50時,玄武巖纖維混凝土比碳纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果更好。但是,在水灰比為0.60時情況則相反。其原因應(yīng)該是由于混凝土本身隨機(jī)性的影響或試驗(yàn)時纖維的分散程度的影響,另外,由于成型的試件數(shù)量較多,兩種水灰比混凝土是分別成型的,原材料和制作工藝上可能存在差異。這一結(jié)果同時也說明,纖維分散性問題是影響纖維混凝土質(zhì)量的重要問題,在纖維混凝土的制備過程中必須重視,否則效果可能相反。

2.2.3　粉煤灰短切玄武巖纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度

考慮水工混凝土的實(shí)際應(yīng)用要求,進(jìn)行了摻加玄武巖纖維的粉煤灰混凝土抗壓增強(qiáng)效果的比較試驗(yàn)。試驗(yàn)原材料和配合比見2.1.2中的表2.3,試件每組3個(尺寸均為150mm×150mm×150mm),并按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL/T 352—2006)進(jìn)行試驗(yàn)與試驗(yàn)結(jié)果的處理。

試驗(yàn)結(jié)果表明,表2.3的兩種配合比和強(qiáng)度等級混凝土的抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量的增加呈波動狀態(tài),表明纖維摻量對粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度的影響不顯著,無明顯規(guī)律。

另外,對不同齡期(7d、28d、60d、90d和180d)的C30和C20混凝土不摻玄武巖纖維與纖維摻量為3.0kg/m3不同齡期的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的分析也表明,不同齡期玄武巖摻纖維和未摻纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度增長趨勢基本一致。這一結(jié)論表明,摻加玄武巖纖維對粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度沒有明顯的增強(qiáng)效果[43]。