丁傳海

(中交一公局第三工程有限公司，北京 101102)

0 引言

國(guó)內(nèi)外關(guān)于玄武巖纖維混凝土進(jìn)行了相關(guān)研究，如盧睿[1]通過(guò)研究短切玄武巖纖維自密實(shí)混凝土的抗壓、劈裂抗拉及彎拉強(qiáng)度，得到最佳摻量和最佳長(zhǎng)徑比作用下，短切玄武巖纖維混凝土的力學(xué)特性；葉邦土等[2]針對(duì)大摻量(礦物摻合料)高強(qiáng)度混凝土增加玄武巖纖維后開(kāi)裂特性進(jìn)行了研究，并提出高強(qiáng)混凝土摻入0.3%的玄武巖纖維后，其開(kāi)裂指數(shù)降低為普通混凝土的93.3%；何松華[3]研究得出，玄武巖纖維摻量體積0.08%～03%對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響不明顯，但長(zhǎng)度為18，12mm的玄武巖纖維使得其抗壓強(qiáng)度有所下降，隨著纖維摻量的增加，劈裂抗拉強(qiáng)度和拉壓比均有所提高；吳釗賢等[4]研究得出，隨著玄武巖纖維摻量的增加，試樣混凝土的早期強(qiáng)度增加明顯，其抗壓強(qiáng)度也有所提高，但其坍落度值有所下降；趙星等[5]研究發(fā)現(xiàn)，隨著摻加玄武巖纖維長(zhǎng)徑比的增加，泡沫混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度逐漸增加；王學(xué)志等[6]研究得出，摻加纖維的混凝土可很大程度改善基體混凝土的彎曲性能，但混雜比例會(huì)造成基體混凝土的韌性降低；阮明和等[7]、張?zhí)m芳等[8]研究提出，玄武巖纖維摻量與混凝土的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)呈正相關(guān)，與混凝土的脆性呈負(fù)相關(guān)；另外一些學(xué)者也得到，在輕骨料混凝土中摻入聚丙烯纖維，可很好地提高輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度、改善脆性[9-12]。

由分析可知，關(guān)于玄武巖纖維摻入混凝土后的力學(xué)性能進(jìn)行了一系列研究，但關(guān)于纖維長(zhǎng)度、摻量比例影響下混凝土的抗壓強(qiáng)度、破壞特征及狀態(tài)過(guò)渡等方面的研究較少，其最優(yōu)摻量確認(rèn)方法更是少之又少；而針對(duì)大跨結(jié)構(gòu)混凝土工程中，玄武巖纖維摻入量影響較大，對(duì)其抗壓、抗折及破壞特征與規(guī)律的研究意義重大。本文以濟(jì)南地區(qū)某大跨綜合管廊結(jié)構(gòu)為背景，系統(tǒng)研究不同纖維長(zhǎng)度、摻入量玄武巖纖維混凝土在受壓、受彎狀態(tài)下的最優(yōu)摻量，并從破壞特征、斷裂位移特征分析玄武巖纖維摻入對(duì)抗壓、抗折性能的影響原因，其研究成果可為類(lèi)似工程項(xiàng)目應(yīng)用提供依據(jù)，具有廣闊的應(yīng)用和推廣前景。

1 試驗(yàn)概況

為分析混凝土抗壓、抗折等力學(xué)性能、變形破壞特征規(guī)律受玄武巖纖維的影響，制作的玄武巖纖維混凝土試樣僅改變其中纖維長(zhǎng)度和摻量而不改變基準(zhǔn)混凝土配合比，其中纖維長(zhǎng)度分別考慮6，12mm 2種，體積摻量考慮0，0.2%，0.4%，0.6% 4種，具體工況如表1所示。

表1 玄武巖纖維混凝土工況

1)單軸壓縮試驗(yàn) 利用位移控制的電液伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，通過(guò)控制位移加載速率。需在試樣的上下端涂抹凡士林以消除端部效應(yīng)的影響。試驗(yàn)進(jìn)行前選取符合GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的3個(gè)試樣算術(shù)平均值作為其抗壓強(qiáng)度值。考慮本試驗(yàn)試件為非標(biāo)準(zhǔn)件，其抗壓強(qiáng)度還須乘以尺寸換算系數(shù)0.95，最終結(jié)果精確到0.1MPa。

2)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn) 采取5N/s的加載速率進(jìn)行試驗(yàn)加載，待試樣發(fā)生破壞后的力值回歸到100N時(shí)為止；借助CCD相機(jī)采集、監(jiān)測(cè)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程。

2 玄武巖纖維混凝土抗壓強(qiáng)度及破壞特征規(guī)律分析

2.1 抗壓強(qiáng)度分析

玄武巖纖維混凝土抗壓強(qiáng)度規(guī)律如圖1所示，由分析可知：①玄武巖纖維長(zhǎng)度為6mm時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度隨著玄武巖纖維摻量的增大，其抗壓強(qiáng)度先增大后降低，最后保持穩(wěn)定，抗壓強(qiáng)度最大值為玄武巖纖維體積摻量在0.2%時(shí)，其值為不摻加玄武巖纖維混凝土的1.26倍，最小值為不摻加玄武巖纖維混凝土的1.18倍；②玄武巖纖維長(zhǎng)度為12mm時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度隨著玄武巖纖維摻量的增大，其抗壓強(qiáng)度先增大后降低，抗壓強(qiáng)度最大值為玄武巖纖維體積摻量在0.4%時(shí)，其值為不摻加玄武巖纖維混凝土的1.36倍；最小值為不摻加玄武巖纖維混凝土的1.28倍。這說(shuō)明玄武巖纖維可有效提高混凝土抗壓強(qiáng)度。

圖1 玄武巖纖維混凝土抗壓強(qiáng)度規(guī)律

2.2 抗壓強(qiáng)度破壞特征規(guī)律研究

單軸抗壓試驗(yàn)破壞塊體粒徑分布規(guī)律如圖2所示，由分析可知：

圖2 單軸抗壓試驗(yàn)破壞塊體粒徑分布

1)纖維長(zhǎng)度為6mm的玄武巖纖維混凝土試塊，單軸壓縮破壞后玄武巖纖維混凝土破壞塊體粒徑分布出現(xiàn)2個(gè)峰值，其中一個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的粒徑為2.5～5mm，另一個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的粒徑為<1.25mm。摻量為0的玄武巖纖維混凝土破壞試塊2.5～5mm粒徑峰值占比為80%，而<1.25mm粒徑峰值相對(duì)較小，僅為12%；隨著玄武巖纖維摻量的增大，破壞塊體粒徑2.5～5mm占比先降低(0.2%)后增大(0.4%～0.6%)；抗壓強(qiáng)度最優(yōu)體積摻量(0.2%)峰值位置發(fā)生變化，為破壞試塊粒徑峰值>16mm(最大粒徑)，其值為55%，其他基本保持均勻分布。

2)纖維長(zhǎng)度為12mm的玄武巖纖維混凝土試塊，受單軸壓縮破壞后玄武巖纖維混凝土破壞塊體粒徑分布出現(xiàn)2～3個(gè)峰值，峰值分布差異性相對(duì)較大。摻量為0的玄武巖纖維混凝土峰值為2.5～5mm，摻量為0.2%的玄武巖纖維混凝土破壞試塊粒徑峰值>16mm，摻量為0.4%～6%的混凝土破壞試塊粒徑峰值為5～7mm。

整體而言，玄武巖纖維摻量為0.2%，混凝土試塊破壞塊體粒徑主要集中在>16mm；最優(yōu)摻量玄武巖纖維混凝土破壞塊體主粒徑分布均呈現(xiàn)集中分布，其他呈波狀分布，進(jìn)一步驗(yàn)證玄武巖纖維混凝土整體依然表現(xiàn)為脆性破壞；但玄武巖纖維摻入后使得局部受到一定約束，故由脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)變，造成部分破壞塊體粒徑呈波狀分布。

3 玄武巖纖維混凝土抗折強(qiáng)度及破壞規(guī)律

3.1 抗折強(qiáng)度分析

分析表2中玄武巖纖維混凝土抗折特性可知：①玄武巖纖維摻量增大時(shí)，混凝土的起裂荷載、起裂韌度變化相對(duì)較小，進(jìn)一步說(shuō)明變形較小時(shí)，玄武巖纖維所起作用不明顯；②玄武巖纖維混凝土失穩(wěn)荷載變化相對(duì)較大，且失穩(wěn)斷裂韌度變化較大，說(shuō)明在變形較大時(shí)，玄武巖纖維所起作用明顯。

表2 玄武巖纖維混凝土抗折性能參數(shù)

3.2 破壞特征規(guī)律研究

根據(jù)玄武巖纖維混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果匯總得到表3，由分析可知：

表3 抗折試驗(yàn)位移云圖

1)摻量為0的玄武巖纖維混凝土位移云圖中，在預(yù)制裂紋兩側(cè)均出現(xiàn)明顯位移差異，且在預(yù)制裂紋單側(cè)存在2個(gè)位移差異區(qū)域。

2)對(duì)于摻入玄武巖纖維長(zhǎng)度為6，12mm的玄武巖纖維混凝土，其預(yù)制裂紋兩側(cè)均出現(xiàn)明顯位移差異，且預(yù)制裂紋單側(cè)均存在3個(gè)位移差異區(qū)域。

3)對(duì)比不同摻量玄武巖纖維混凝土的斷裂破壞位移云圖可知：①對(duì)于摻入玄武巖纖維長(zhǎng)度6mm的玄武巖纖維混凝土，摻入玄武巖纖維致使其預(yù)制裂紋單側(cè)差異區(qū)域由2個(gè)位移差異區(qū)域變?yōu)?個(gè)，且差異區(qū)域隨著玄武巖纖維摻量增大，由底部逐漸向頂部移動(dòng)；摻量為0.6%試樣位移差異區(qū)域由水平轉(zhuǎn)變?yōu)榇瓜颍虎趯?duì)于摻入玄武巖纖維長(zhǎng)度12mm的玄武巖纖維混凝土，預(yù)制裂紋單側(cè)差異區(qū)域也是由2個(gè)位移差異區(qū)域變?yōu)?個(gè)，且隨著玄武巖纖維摻量增大，位移云圖差異區(qū)域的差異性越來(lái)越小。

4)摻入玄武巖纖維混凝土與普通混凝土的位移云圖差異性小，說(shuō)明其破壞本質(zhì)由脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)變，最優(yōu)摻量混凝土位移云圖差異性分布更加均勻，使得應(yīng)力集中現(xiàn)象更加不明顯，從而使混凝土有較高強(qiáng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

1)玄武巖纖維混凝土較普通混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度均有提高，其次玄武巖纖維混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的最優(yōu)摻量范圍在0.2%～0.4%，且纖維長(zhǎng)度和受力狀態(tài)均對(duì)其最優(yōu)摻量有影響。

2)玄武巖纖維摻入混凝土后改變了局部應(yīng)力與應(yīng)變集中狀態(tài)，增強(qiáng)了局部抵抗應(yīng)力與應(yīng)變的能力，致使其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均有提高。

3)摻入玄武巖纖維的混凝土呈脆性破壞特征，但局部伴有延性破壞。

4)由三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)可知，摻入玄武巖纖維后的混凝土預(yù)制裂縫兩側(cè)位移差值均降低，單側(cè)位移差異區(qū)域分布也呈緩慢階梯變化；而未摻入玄武巖纖維混凝土則是單側(cè)位移差異區(qū)域急劇變化。