2.6　玄武巖纖維水工混凝土的抗剪性能

混凝土是一種抗拉強度低、抗壓強度高的脆性材料。造成混凝土開裂的原因是混凝土局部拉應力或剪應力過大,其主拉應力超過了抗拉強度,將混凝土拉裂。混凝土的韌性是指材料或結構在荷載作用下到失效為止吸收能量的能力,可用應力-應變曲線或荷載-變形曲線所圍面積表示[84-85]。混凝土抗剪性能不僅與材料的強度有關,而且還取決于構件開裂后的變形能力。

纖維混凝土的抗剪強度是評價其工程力學性能的一項基本參數,對研究纖維在混凝土結構中抗剪的貢獻有重要意義。但到目前為止,關于纖維混凝土抗剪強度和剪切韌性的研究成果及文獻尚不多見。目前,國內外大部分規范都未給出相應的抗剪強度設計指標,在這方面的研究與試驗工作很少,得出的結論之間的差別也比較大,有待于更多的試驗驗證。本節以試驗的方法,研究在混凝土中摻入不同長度和體積摻量的短切玄武巖纖維水工混凝土的抗剪性能,分析不同長度的纖維摻入對玄武巖混凝土抗剪強度性能的影響,不同體積摻量下的抗剪強度值的變化以及水灰比對其抗剪強度性能影響程度,以便為玄武巖纖維在實際混凝土工程中的應用提供更多的依據。

2.6.1　玄武巖纖維水工混凝土的抗剪性能試驗

2.6.1.1　試驗混凝土原材料與配合比

本試驗為錢潮牌P32.5復合硅酸鹽水泥,粗骨料是表觀密度為2700kg/m3、粒徑不大于40mm的碎石,細骨料是表觀密度2600kg/m3、細度模數2.50的中細砂,拌和及養護用水為當地自來水。試驗所用玄武巖纖維與上述其他性能試驗的纖維相同。

為尋求短切玄武巖纖維混凝土抗剪強度增強效果的主要影響因素,共設計了2種水灰比、6種體積摻量以及2種短切長度的試驗。抗剪試驗混凝土為水灰比0.50(A組)和0.60(B組),其配合比設計與表2.2相同。具體方案與編號列入表2.23。

2.6.1.2　試驗方法與試驗結果的處理

本試驗的設備采用某公司生產的STYE-2000J型巖石抗剪抗壓試驗儀,其最大垂直荷載2000k N,最大水平推力500k N,壓力為數顯式,水平力最小讀數0.01k N,可進行最大邊長為150mm的立方體和直徑150mm的圓柱體混凝土和巖石試件的抗剪試驗,剪力盒在水平推力下摩擦力可忽略不計。

按照《水工混凝土試驗規程》(SL/T 352—2006),試件尺寸為150mm×150mm×150mm立方體標準試件,一次成型15個,試件制作的方法和養護條件同普通混凝土一致。混凝土抗剪強度試驗的法向荷載均分五級,本試驗具體設計0.4MPa、0.8MPa、1.2MPa、1.6MPa、2.0MPa五級施加,在剪切過程中,應保證法向應力的恒定,施加剪切荷載的速率為0.4MPa/min,每級荷載下試驗三個試件[81]。試驗時,將已養護28d的混凝土試件放入剪力盒中,剪力盒自帶了傳力板和滾軸排,安裝時要保證法向力和剪切力的合力通過剪切面的中心點。

試驗結果按下列公式計算各級法向荷載下的法向應力和剪應力值,取3個試件測值的算術平均值為本級法向荷載下的剪應力[9]:

式中:σi為法向應力,MPa;τi為剪應力,MPa;P為總法向荷載,N;Q為剪切荷載,應扣除滾軸排摩擦阻力,N;A為剪切面面積,mm2。

根據各級法向荷載下的法向應力和剪應力,作σ-τ直線,并用作圖法或最小二乘法求出f'和c'值,再按式(2.8)計算出極限抗剪強度值[81]。

式中:τ為極限抗剪強度,MPa;σ為法向應力,MPa;f'為摩擦系數;c'為黏聚力,MPa。

2.6.2　試驗結果

試驗結束后,代入式(2.6)和式(2.7),計算出混凝土的各級法向應力和極限剪切應力值。表2.24是水灰比0.50、摻加纖維長度分別為20mm和10mm的玄武巖纖維混凝土的抗剪強度,其中A0組為未摻纖維的對比組[86]。

表2.25是水灰比0.60、摻加纖維長度分別為20mm和10mm的玄武巖纖維混凝土的法向應力值,其中B0組為未摻纖維的對比組。

以表2.24和表2.25中的各混凝土的極限剪應力和法向應力,分別作各試驗組在各法向應力下的σ-τ圖,并將圖形擬合成直線,求出各組對應的f'和c'值,再將結果代入式(2.8),得出各極限抗剪強度的計算值。

圖2.10和圖2.11分別是水灰比0.50和0.60,短切玄武巖纖維混凝土(對比組)的σ-τ圖。

表2.26是所有試件試驗結果σ-τ關系和f'及c'值。表2.26中,決定系數R2接近于1,說明試驗結果的σ-τ關系可以采用線性關系描述。

2.6.3　玄武巖纖維水工混凝土抗剪強度的影響因素

2.6.3.1　纖維摻量對玄武巖纖維混凝土抗剪強度的影響

將法向應力為2.0MPa代入各自的試驗值回歸擬合方程后,得到的計算值列入表2.27。

由表2.26和表2.27可知,相同水灰比的混凝土,玄武巖纖維的摻量影響混凝土抗剪強度,摻加玄武巖纖維的混凝土極限抗剪強度均大于沒有摻加纖維(對比組)混凝土。在表2.27中,當豎向法向應力同為2.0MPa時,0.50水灰比混凝土各組的極限抗剪應力值均大于5.26MPa,最大達到6.53MPa(比對比組混凝土提高了24.1%)。類似的水灰比0.60混凝土各組的極限抗剪應力值也都大于4.90MPa,最大達到5.68MPa(比對比組混凝土提高了15.9%)。

表2.26計算的黏聚力中,對比組A0和B0混凝土的黏聚力值分別是1.77MPa和2.08MPa,但在同一水灰比摻加玄武巖纖維的混凝土的黏聚力都要大得多,最大分別達到了2.78MPa、2.60MPa。主要原因是由于混凝土中摻加玄武巖纖維后,均勻摻加的纖維會在混凝土內部相對均勻分布,當試件在法向荷載作用下,施加水平方向的剪切力在將混凝土試塊剪切破壞時,部分纖維發揮了遏制剪裂的作用,從而提高了混凝土的抗剪能力。因此,玄武巖纖維的體積摻量在不大于1%之內,玄武巖纖維混凝土的抗剪強度隨著纖維摻量的增加而增大。

2.6.3.2　水灰比對玄武巖纖維混凝土抗剪強度的影響

試驗混凝土中,未摻纖維組和纖維摻量最大組,在試驗法向最小和最大荷載下的混凝土抗剪應力如表2.28所示。

圖2.12為相同纖維摻量(最小和最大摻量),在同一試驗法向應力(2.0MPa)的條件下,玄武巖纖維混凝土極限剪切應力值與水灰比之間的關系圖。

上述結論表明,水灰比0.50玄武巖纖維混凝土(纖維長度10mm、20mm),在試驗法向荷載下的極限剪切應力值,比相同條件下0.60水灰比纖維混凝土的要大,說明玄武巖纖維混凝土的抗剪強度隨水灰比的增大而降低。

另外,從上述結果還可知,水灰比0.50,在同一方向應力下,摻加0.9%的玄武巖纖維混凝土的剪切應力值,要比未摻混凝土的提高22%左右;而在相同條件下,水灰比0.60的玄武巖纖維混凝土的剪切應力值僅比未摻混凝土的提高了10%左右。因此,相同條件下,水灰比較小時,摻加玄武巖纖維的抗剪強度增強效果比水灰比大的混凝土要好,這與有關其他纖維的混凝土抗剪性能的研究結論也是類似的[87]。

2.6.3.3　纖維長度對玄武巖纖維混凝土抗剪強度的影響

取兩種長度的纖維混凝土中有代表性的組,以黏聚力和試驗最大法向應力下的極限剪切應力為主要分析對象,結果列入表2.29。

表2.29結果說明,摻加兩種長度對玄武巖纖維混凝土的抗剪強度和黏聚力有一定影響,相同條件下,20mm纖維混凝土的抗剪強度較高,但黏聚力的規律性不強。

2.6.4　抗剪強度與軸心抗壓強度的關系

為比較玄武巖纖維混凝土的抗剪強度與抗壓強度之間的關系,在上述試驗中每組都制備了3塊150mm×150mm×150mm立方體標準試塊,成型養護28d后,用于測定該組混凝土的軸心抗壓強度。每組混凝土的黏聚力和28d軸心抗壓強度值列入表2.30。

上述試驗混凝土的抗壓強度與其纖維體積摻量關系如圖2.13所示。

上述試驗結果說明,混凝土的抗壓強度和抗剪強度都會隨著玄武巖纖維的摻量增加而增大,并且混凝土強度值越大,其相應的抗剪強度就會越高,這與試驗混凝土的水灰比對抗剪強度的影響結果也完全一致。另外,試驗纖維混凝土抗剪強度是其抗壓強度的0.074～0.113倍,這一結論大致符合有關研究得到的結果(抗剪強度為抗壓強度的0.056～0.316倍[88-89])。