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性能試驗所用的水泥、粗骨料、細骨料、拌和水、硅粉、外加劑、粉煤灰和玄武巖纖維與2.1節相同。

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《水工混凝土試驗規程》(SL/T 352—2006)進行制作、測定混凝土拌和物的和易性及養護。抗壓強度試驗每組試件3個,均為150mm×150mm×150mm的標準試模制備;試件制作完成后1d拆模,在20℃的靜水中養護28d后,按《水工混凝土試驗規程》(SL/T 352—2006)測試立方體抗壓強度(及劈裂抗拉強度)。試驗結果的處理按照《水工混凝土試驗規程》(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度試驗結果,即單個測值與平均值允許差值為±15%,超過時應將該測值剔除,取余下兩個試件值的平均值作為試驗結果。如一組中可用的測值少于兩個時,該組試驗應重做。

與文獻[54]等研究的結論類似,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表現為由脆性向延性轉變,其立方體抗壓強度均比相同水灰比時的素混凝土抗壓強度高。試驗結論還表明,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度,玄武巖纖維的摻入也增加混凝土的抗壓強度,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

以試驗結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)對混凝土抗壓強度增強效果的分析如表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度總體是增加的,而且隨著水灰比的增加,其增強性能有所加強。不過,玄武巖纖維混凝土的增強效果比硅粉混凝土的增強效果差。

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

表2.5的結論表明,無論是玄武巖纖維混凝土還是硅粉混凝土,水灰比0.55之后的增強效果減緩;玄武巖纖維混凝土增強效果大致是硅粉混凝土增強效果的一半左右。表2.6是以不同水灰比、但相同摻量的抗壓強度增長率平均值比較。結果表明,玄武巖纖維的體積摻量增加到0.3%,其抗壓強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%,其增強效果優于玄武巖纖維混凝土的增強效果。

試驗結論還表明,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度,玄武巖纖維的摻入也增加了混凝土的抗壓強度,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度平均增強效果分析。

上述結果說明,玄武巖纖維的長度對混凝土抗壓強度的增強效果影響并不明顯。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生了眾多的薄弱界面,降低了其增強效果。

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效果,進行了與摻加碳纖維的混凝土抗壓增強效果的比較試驗。試驗原材料和配合比見表2.2。

采用強制式攪拌機拌制混凝土,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、試驗方法與試驗結果處理方法同上述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℃的標準養護室養護28d后進行抗壓強度及抗彎性能測試。測試抗彎強度的同時,測試試件的彎曲拉伸應變。在試件底面中間段受拉側粘貼電阻應變片,連接應變儀,每加載1000 N測讀并記錄應變值。之后,根據所記錄的荷載和應變值,繪制混凝土的應力-應變關系曲線。

纖維混凝土的抗壓試件和抗彎試件制作和試驗測試,試驗測試的結果(抗壓強度、抗彎強度與抗彎彈性模量)的計算等均按照《水工混凝土試驗規程》(SL/T 352—2006)執行,其中混凝土抗彎強度按式(2.1)計算(準確至0.01MPa)[81]:

式中:ff為混凝土抗彎強度,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(以受拉區為準),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,則試驗應重做。

混凝土的抗彎彈性模量按式(2.2)計算(準確至100MPa)[81]:

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

應力按式(2.3)計算(準確至0.01MPa):

式中:σf為彎曲應力,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力0～0.5ft破壞應力的割線彈性模量。表2.8～表2.11是測試結果[8]。

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

表2.9是水灰比為0.60摻玄武巖纖維混凝土的抗壓強度和抗彎性能。

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,對混凝土抗壓強度有一定的影響。當摻加短切玄武巖纖維的含量為0.1%～0.5%時,混凝土的抗壓強度隨著纖維摻量的增加而增大,并在0.5%時達到最大值。主要原因可能是,纖維混凝土內部形成一定的網狀結構,協同骨料一起受力,當應力自基體傳遞給纖維時,纖維因變形而消耗能量,使受壓強度上升[42]。隨后纖維摻量的增加反而使混凝土的抗壓強度降低,原因是纖維摻量的增加使纖維分散不均而產生了眾多的薄弱界面,不能形成具有整體性的空間網架,導致增強效果反而降低[82-83]。

混凝土中摻加0.1%～0.5%的短切碳纖維可使抗壓強度增大。同摻加短切玄武巖纖維類似,當摻量為0.5%時達到增強效果的最大值,并隨著短切碳纖維摻量的繼續增加而使增強效果降低。為比較兩種纖維的增強效果,抗壓強度達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混凝土的抗壓強度。在上述試驗條件下,當混凝土中摻加纖維含量達到最優值時,玄武巖纖維可使普通混凝土的抗壓強度增強27.34%,碳纖維則增強13.24%,玄武巖纖維增強效果比碳纖維明顯。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效果的比較

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

表2.13分析的結果表明,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度增強效果更好。但是,在水灰比為0.60時情況則相反。其原因應該是由于混凝土本身隨機性的影響或試驗時纖維的分散程度的影響,另外,由于成型的試件數量較多,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。這一結果同時也說明,纖維分散性問題是影響纖維混凝土質量的重要問題,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度

考慮水工混凝土的實際應用要求,進行了摻加玄武巖纖維的粉煤灰混凝土抗壓增強效果的比較試驗。試驗原材料和配合比見2.1.2中的表2.3,試件每組3個(尺寸均為150mm×150mm×150mm),并按照《水工混凝土試驗規程》(SL/T 352—2006)進行試驗與試驗結果的處理。

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

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不同齡期的抗壓強度試驗結果的分析也表明,不同齡期玄武巖摻纖維和未摻纖維混凝土的抗壓強度增長趨勢基本一致。這一結論表明,摻加玄武巖纖維對粉煤灰混凝土抗壓強度沒有明顯的增強效果[43]。