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短切玄武巖纖維混凝土基本力學(xué)性能的尺寸效應(yīng)
玄武巖纖維混凝土(BFRC)以普通混凝土為基材，同樣存在尺寸效應(yīng)問題，以下是小編搜集整理的一篇探究短切玄武巖纖維混凝土基本力學(xué)性能的論文范文，歡迎閱讀參考。
摘要：為了研究短切玄武巖纖維混凝土試件尺寸變化對(duì)其基本力學(xué)性能的影響，對(duì)不同纖維長(zhǎng)度(15，25 mm)、纖維體積摻量(0.1%，0.2%)、基體混凝土強(qiáng)度等級(jí)(C30，C40)的330個(gè)短切玄武巖纖維混凝土(BFRC)試件分別進(jìn)行了立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，以尺寸效應(yīng)度反映尺寸效應(yīng)規(guī)律。研究結(jié)果表明：玄武巖纖維混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試件的尺寸換算系數(shù)受混凝土的強(qiáng)度等級(jí)、纖維長(zhǎng)度、纖維體積摻量的影響較小;軸心抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)、纖維長(zhǎng)度、纖維體積摻量的增大均有所提高;劈裂抗拉強(qiáng)度隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)變化，其尺寸效應(yīng)不明顯，但隨纖維長(zhǎng)度的減小及纖維體積摻量的增加，尺寸效應(yīng)有增大趨勢(shì);混凝土強(qiáng)度等級(jí)和纖維長(zhǎng)度的改變對(duì)混凝土彎曲抗拉強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)影響不大，但隨纖維體積摻量的增加，尺寸換算系數(shù)先減小后變大。
關(guān)鍵詞：玄武巖纖維;混凝土;力學(xué)性能;尺寸效應(yīng)
1、引言
混凝土是土木工程的主導(dǎo)材料，但傳統(tǒng)混凝土的抗拉強(qiáng)度較低，耐久性較差，使得很多結(jié)構(gòu)物由于混凝土性能不良而過早破壞，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1]。在混凝土中摻入細(xì)的、短切亂向均勻分布的纖維，可起到防裂、增強(qiáng)和增韌的效果。纖維主要通過物理力學(xué)作用改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而不改變混凝土中各種材料本身的化學(xué)性能。玄武巖纖維(Basalt Fiber)作為一種原料廣泛且擁有優(yōu)良性價(jià)比的無機(jī)纖維材料，具有與混凝土天然的相容性、耐化學(xué)腐蝕性、熱穩(wěn)定性等性能，使得玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土有廣泛的應(yīng)用前景，已經(jīng)成為各國(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn)[27]。
對(duì)混凝土這類準(zhǔn)脆性材料而言，尺寸效應(yīng)是其固有特征，材料的尺寸效應(yīng)是指隨著結(jié)構(gòu)尺寸變化，其強(qiáng)度的試驗(yàn)測(cè)試值呈現(xiàn)出有規(guī)律的下降或上升的現(xiàn)象[8]。鋼纖維混凝土復(fù)合材料的尺寸效應(yīng)換算系數(shù)已經(jīng)有相關(guān)的文獻(xiàn)規(guī)范給出，其尺寸效應(yīng)換算系數(shù)較普通混凝土(NSC)的尺寸效應(yīng)換算系數(shù)有較明顯的變化[9]，聚丙烯纖維混凝土復(fù)合材料的尺寸效應(yīng)換算系數(shù)研究資料相對(duì)缺乏，并沒有給出相應(yīng)換算系數(shù)[10]。
玄武巖纖維混凝土(BFRC)以普通混凝土為基材，同樣存在尺寸效應(yīng)問題。通過改變基體混凝土強(qiáng)度等級(jí)、纖維體積摻量、纖維長(zhǎng)度等重要參數(shù)，研究試件不同尺寸對(duì)混凝土的抗壓、軸壓、劈拉、彎拉強(qiáng)度等力學(xué)性能的影響;玄武巖纖維混凝土基本力學(xué)性能尺寸效應(yīng)的相關(guān)研究尚未見系統(tǒng)報(bào)道，且強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)取值尚未有明確規(guī)范可查，因而有必要進(jìn)行玄武巖纖維混凝土基本力學(xué)性能尺寸效應(yīng)試驗(yàn)研究。基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，尋找這種纖維混凝土各強(qiáng)度指標(biāo)的尺寸效應(yīng)影響規(guī)律，獲得這種纖維混凝土不同試件尺寸間的換算關(guān)系。通過電鏡掃描(SEM)，分析不同參數(shù)變化試件的微觀結(jié)構(gòu)和裂縫發(fā)展?fàn)顩r。
2、材料與試驗(yàn)方法
1.1 原材料
水泥選用哈爾濱水泥有限公司生產(chǎn)的天鵝牌普通硅酸鹽水泥(P.O 42.5)，物理力學(xué)性能見表1;中砂，物理性能見表2;碎石為連續(xù)級(jí)配，物理性能見表3;減水劑為遼寧省鵬源混凝土外加劑公司生產(chǎn)的PC1型聚羧酸系高效減水劑，減水率為35%;玄武巖纖維選用四川拓鑫玄武巖實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的短切玄武巖纖維[11]，物理力學(xué)性能見表4。
每組拌和物進(jìn)行纖維含量試驗(yàn)2次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。2種纖維摻量情況下，纖維體積摻量為0.1%的實(shí)際質(zhì)量為2.65 kg・m-3，玄武巖纖維的實(shí)測(cè)結(jié)果分別為2.48 kg・m-3和2.62 kg・m-3。纖維體積摻量為0.2%的實(shí)際質(zhì)量為5.3 kg・m-3，玄武巖纖維的實(shí)測(cè)結(jié)果分別為5.28 kg・m-3和5.33 kg・m-3。從實(shí)測(cè)結(jié)果可知計(jì)算纖維摻量與實(shí)測(cè)的纖維摻量差別不大。
3、試驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及尺寸效應(yīng)評(píng)定
3.1.1 試驗(yàn)現(xiàn)象
短切玄武巖纖維的摻入使得混凝土的受力特征及其破壞形態(tài)有所變化。
立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，普通混凝土試件破壞時(shí)呈現(xiàn)沿角部斜向破壞，最終的破壞形式為“沙漏狀”;摻入玄武巖纖維的混凝土試件，開裂后表面僅有少量混凝土剝落，裂縫寬度明顯比普通混凝土減小，直到極限荷載時(shí)，邊界區(qū)混凝土開裂破壞，但試件內(nèi)部的完整性較好，脆性明顯減弱。
軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，普通混凝土試件受壓達(dá)到開裂荷載時(shí)，有清脆的試件開裂聲音，形成對(duì)角裂縫且寬度明顯，直到達(dá)極限荷載時(shí)，裂縫貫通，從試件中部破壞;摻入玄武巖纖維的混凝土試件，破壞時(shí)僅是試件中部表層的混凝土剝落，試件最終的完整性較好。
劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)中，當(dāng)達(dá)到開裂荷載時(shí)，普通混凝土試件立即破壞;摻入玄武巖纖維的混凝土試件，開裂后在繼續(xù)受荷的情況下，仍能夠保持裂而不壞，通過應(yīng)力重分布，將能量轉(zhuǎn)移到裂縫兩側(cè)試件，繼續(xù)受荷。
彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)中，當(dāng)達(dá)到開裂荷載時(shí)，普通混凝土試件裂縫迅速貫通，隨即破壞;摻入玄武巖纖維的混凝土試件，開裂后有一段裂而不壞的持續(xù)現(xiàn)象，能夠繼續(xù)承受部分荷載。
玄武巖纖維混凝土各類型試件破壞形態(tài)見圖1，試驗(yàn)結(jié)果見表7。
3.1.2 尺寸效應(yīng)評(píng)定
尺寸效應(yīng)評(píng)定是通過纖維混凝土與普通混凝土尺寸換算系數(shù)的差值體現(xiàn)。該差值在一定的區(qū)間范圍內(nèi)，這一區(qū)間是在以普通混凝土尺寸換算系數(shù)為基點(diǎn)的某一定值的一維坐標(biāo)軸上。理想化分析的差值應(yīng)在單側(cè)區(qū)間，小尺寸纖維混凝土試件的尺寸換算系數(shù)比普通混凝土試件尺寸換算系數(shù)的規(guī)范值越小，相應(yīng)的偏離程度越大，則尺寸效應(yīng)就越顯著。相反，大尺寸纖維混凝土試件的尺寸換算系數(shù)比普通混凝土試件尺寸換算系數(shù)的規(guī)范值越大，相應(yīng)的偏離程度越大，則尺寸效應(yīng)就越顯著。實(shí)際情況存在影響因素較多，數(shù)值只要偏離基點(diǎn)程度不大，出現(xiàn)在異側(cè)區(qū)間內(nèi)亦可接受。
為清晰表述，把各類尺寸換算系數(shù)用符號(hào)表示，見表8。
引入尺寸效應(yīng)度γ對(duì)混凝土各類試件尺寸效應(yīng)進(jìn)行定量描述。以邊長(zhǎng)150 mm的混凝土立方體試件為基準(zhǔn)尺寸試件，定義非標(biāo)試件強(qiáng)度和基準(zhǔn)試件強(qiáng)度的差值與基準(zhǔn)試件強(qiáng)度的百分率為尺寸效應(yīng)度。立方體抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)度計(jì)算公式為
由尺寸效應(yīng)度的概念界定可知，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)度值越大，表明立方體抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象越顯著。
3.2 立方體抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)
通過試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到邊長(zhǎng)為100，200 mm的αfcu分別為：fcu，15/fcu，10=0.952，fcu，15/fcu，20=1.053，fcu，10，fcu，15，fcu，20分別為邊長(zhǎng)100，150，200 mm試件的普通混凝土立方體抗壓強(qiáng)度。與《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]中給出的0.95和1.05相差不多。
當(dāng)其他參數(shù)相同，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，玄武巖纖維混凝土邊長(zhǎng)為100 mm非標(biāo)準(zhǔn)試件的αffcu略有減小，而200 mm邊長(zhǎng)試件的αffcu則有所增大，如圖2所示;當(dāng)僅改變纖維長(zhǎng)度時(shí)，對(duì)玄武巖纖維混凝土立方體抗壓強(qiáng)度尺寸變化關(guān)系影響不明顯，如圖3所示;當(dāng)僅改變纖維體積摻量時(shí)，對(duì)試件尺寸效應(yīng)略有改善，但隨纖維體積摻量的增加改善效果并不理想，如圖4所示。
為與規(guī)范[15]相吻合，將所有變化參數(shù)均考慮在內(nèi)，取表7中摻入玄武巖纖維的各組試件尺寸換算系數(shù)平均值，得到邊長(zhǎng)為100，200 mm立方體試件的αffcu分別為0.941和1.069，若取95%的保證率，則可分別取值為0.935和1.061，普通混凝土和玄武巖纖維混凝土試件立方體抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)度見表9，試件尺寸大小對(duì)玄武巖纖維混凝土尺寸效應(yīng)度均較普通混凝土有所增大。
3.3 軸心抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)
經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算基體混凝土棱柱體試件軸心抗壓強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)為0.952，與規(guī)范吻合良好[15]。
由于棱柱體受壓時(shí)橫向變形大于立方體受壓的橫向變形，短切玄武巖纖維的摻入可以有效起到增強(qiáng)混凝土抗拉能力，抑制混凝土的開裂作用，纖維的亂向分布對(duì)混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的提高作用更為明顯。當(dāng)其他參數(shù)相同時(shí)，αffc隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高而減小，表明基體混凝土強(qiáng)度等級(jí)較高時(shí)，試件軸向受壓橫向變形對(duì)尺寸效應(yīng)有增強(qiáng)作用;當(dāng)僅改變纖維長(zhǎng)度時(shí)，lf=25 mm較lf=15 mm的αffc表現(xiàn)出纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)，尺寸效應(yīng)有增大趨勢(shì);當(dāng)僅改變纖維摻量時(shí)，αffc隨摻量增加而減小，尺寸效應(yīng)現(xiàn)象更顯著，相關(guān)數(shù)據(jù)見表10。
為與規(guī)范相吻合，考慮所有變化參數(shù)，αffc在0.945～0.892范圍變化。通過計(jì)算得αffc為0.921，取95%的保證率，則其值為0.892，由此得抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)度γf為8.65%，較試驗(yàn)所得普通混凝土抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)度5.15%有所提高，表明玄武巖纖維混凝土尺寸效應(yīng)較普通混凝土更為顯著。
3.4 劈裂抗拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)
經(jīng)計(jì)算，邊長(zhǎng)為100，200 mm立方體試件的αft分別為0.851和1.10，與規(guī)范值相差不大[15]。
由于玄武巖纖維對(duì)混凝土抗拉增強(qiáng)作用較抗壓增強(qiáng)作用更為突出，從而使得玄武巖纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度顯著提高。同時(shí)，由于玄武巖纖維體積摻量增大使單位體積內(nèi)玄武巖纖維數(shù)量增多，分布更加均勻、廣泛，能進(jìn)一步使玄武巖纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度增大。
由表7可以看到，玄武巖纖維混凝土立方體試件劈裂抗拉強(qiáng)度均有所提高，但不同尺寸試件強(qiáng)度增長(zhǎng)程度不同。當(dāng)其他參數(shù)相同時(shí)，玄武巖纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)變化，反映出無論試件尺寸大小，αfft都比αft有所降低，如圖5所示，其中，fft，10，fft，15，fft，20分別為邊長(zhǎng)100，150，200 mm試件普通混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度;當(dāng)僅改變纖維長(zhǎng)度時(shí)，2種纖維長(zhǎng)度均使αfft減小，但lf=15 mm對(duì)尺寸效應(yīng)影響顯著，如圖6所示;當(dāng)僅改變纖維體積摻量時(shí)，隨纖維體積摻量增大，尺寸效應(yīng)提高明顯，如圖7所示。
普通混凝土和玄武巖纖維混凝土試件劈裂抗拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)度見表11，小尺寸試件的玄武巖纖維混凝土尺寸效應(yīng)度較普通混凝土增大更為明顯。
3.5 彎曲抗拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)
經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算普通混凝土試件的αftm為0.855，略高于規(guī)定值[15]。
提高玄武巖纖維混凝土強(qiáng)度等級(jí)，αfftm有所增大，但增量微小;當(dāng)僅改變纖維長(zhǎng)度時(shí)，玄武巖纖維長(zhǎng)度lf=15，25 mm的αfftm分別為0.851和0.859，表明纖維長(zhǎng)度的改變對(duì)彎曲抗拉強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)影響不大;當(dāng)僅改變纖維摻量時(shí)，αfftm隨著纖維體積摻量的增加有先減小后增大的變化，表明低纖維摻量下，彎曲抗拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)顯著，見表12。
計(jì)算得αftm為0.860，若取95%的保證率，則其值為0.845，所得纖維混凝土彎曲抗拉尺寸效應(yīng)度為16.24%。
3.6 機(jī)理分析
由于混凝土強(qiáng)度等級(jí)變化的幅度相對(duì)較低，硬化后的水泥砂漿基體與骨料變形協(xié)調(diào)良好，從而使得試件的均質(zhì)度和整體性較好，因此，混凝土基體強(qiáng)度等級(jí)的改變對(duì)立方體抗壓與棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)影響不大。區(qū)別于立方體抗壓試驗(yàn)試件受套箍作用的影響，棱柱體軸壓試驗(yàn)試件中部為純壓力作用區(qū)段，試件破壞時(shí)，中間部位橫向變形較明顯，故混凝土基體強(qiáng)度等級(jí)變化對(duì)棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)影響顯著。荷載作用下，大尺寸試件受到夾箍作用較小，同時(shí)，在試件內(nèi)部，以骨料和水泥砂漿之間的粘結(jié)帶抗拉強(qiáng)度最低，故易出現(xiàn)由粘結(jié)帶開裂。試件尺寸越大，骨料含量越多，粘結(jié)帶形成的薄弱面亦越多，越容易受荷開裂。因此，立方體劈拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)隨混凝土基體強(qiáng)度等級(jí)變化表現(xiàn)為小尺寸試件尺寸效應(yīng)顯著。
玄武巖纖維作為一種不連續(xù)的分散相，摻入混凝土后會(huì)使界面增多，相應(yīng)的微缺陷也隨之增加，受荷后纖維與基體混凝土產(chǎn)生滑移，從而導(dǎo)致立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)受纖維長(zhǎng)度的改變并沒有達(dá)到預(yù)期的效果。由于纖維與基體混凝土粘結(jié)錨固區(qū)段較短，當(dāng)試件受荷后，纖維變形不足以耗散此部分能量，為尋求新的穩(wěn)定平衡狀態(tài)，纖維斷裂，呈現(xiàn)出拔斷破壞，或纖維與基體混凝土兩端粘結(jié)情況相差較大，粘結(jié)性能較小一側(cè)產(chǎn)生滑移，呈現(xiàn)出拔出破壞，致使試件強(qiáng)度降低程度較明顯。因此，短纖維對(duì)立方體劈裂抗拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)影響較大。相反，長(zhǎng)纖維使棱柱體軸心抗壓和彎曲抗拉強(qiáng)度的強(qiáng)度值較大，從而尺寸效應(yīng)較好。
纖維摻量的改變使得玄武巖纖維混凝土立方體抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)比普通混凝土提高顯著，但纖維摻量的變化未引起尺寸效應(yīng)改變，是由于纖維摻量的增加致使基體混凝土中產(chǎn)生眾多的薄弱界面，未能形成整體空間網(wǎng)架導(dǎo)致的。棱柱體軸心抗壓、立方體劈裂抗拉和彎曲抗拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)均隨纖維摻量的增加而更加優(yōu)良，這是因?yàn)閱挝惑w積內(nèi)能夠承擔(dān)試件受拉應(yīng)力的纖維較多，顯著提高混凝土的韌性，從而強(qiáng)度的增幅更顯著。
考慮工程實(shí)際應(yīng)用，對(duì)試驗(yàn)試件實(shí)測(cè)強(qiáng)度值取95%保證率獲得標(biāo)準(zhǔn)值，考慮相關(guān)因素得到設(shè)計(jì)值，從而建立試驗(yàn)試件與工程設(shè)計(jì)的關(guān)系。通過統(tǒng)計(jì)分析對(duì)軸壓比公式中的系數(shù)進(jìn)行修正得
4、結(jié) 語(yǔ)
(1)玄武巖纖維的摻入使混凝土軸心受壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象最為明顯，尺寸效應(yīng)系數(shù)為0.892，其尺寸效應(yīng)度為8.65%。立方體抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)度略有提高。
(2)玄武巖纖維的摻入對(duì)混凝土劈裂抗拉和彎曲抗拉強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)均有影響，尺寸效應(yīng)系數(shù)分別為0.817，1.076和0.845，影響程度較好。
(3)對(duì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別為C30和C40的玄武巖纖維混凝土，立方體抗壓尺寸換算系數(shù)分別為0.935，1.061，軸心抗壓尺寸換算系數(shù)為0.892，劈裂抗拉尺寸換算系數(shù)分別為0.817，1.076，彎曲抗拉強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)為0.845。
(4)玄武巖纖維混凝土復(fù)合材料的軸壓比αc1取值為0.83，略高于普通混凝土的0.76。
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