2.2　玄武岩纤维水工混凝土的抗压性能

玄武岩纤维水工混凝土的抗压增强性能试验所用的水泥、粗骨料、细骨料、拌和水、硅粉、外加剂、粉煤灰和玄武岩纤维与2.1节相同。

2.2.1　与掺加硅粉的混凝土抗压性能的比较

混凝土的抗压(及劈裂抗拉)的试件按照《水工混凝土试验规程》(SL/T 352—2006)进行制作、测定混凝土拌和物的和易性及养护。抗压强度试验每组试件3个,均为150mm×150mm×150mm的标准试模制备;试件制作完成后1d拆模,在20℃的静水中养护28d后,按《水工混凝土试验规程》(SL/T 352—2006)测试立方体抗压强度(及劈裂抗拉强度)。试验结果的处理按照《水工混凝土试验规程》(SL/T 352—2006),以3个试件测值的平均值作为该组试件的抗压强度试验结果,即单个测值与平均值允许差值为±15%,超过时应将该测值剔除,取余下两个试件值的平均值作为试验结果。如一组中可用的测值少于两个时,该组试验应重做。

与文献[54]等研究的结论类似,各种水灰比下的玄武岩纤维混凝土试件的抗压破坏的形态表现为由脆性向延性转变,其立方体抗压强度均比相同水灰比时的素混凝土抗压强度高。试验结论还表明,水灰比是最大的影响因素,硅粉的掺入增加了混凝土的抗压强度,玄武岩纤维的掺入也增加混凝土的抗压强度,但其增加的比例小于硅粉混凝土的。

2.2.1.1　纤维体积掺量的影响

以试验结果中的玄武岩纤维长度为15mm为例[43,79],不同体积掺量(纤维长度15mm)对混凝土抗压强度增强效果的分析如表2.4所示。

表2.4表明,除个别试件外(可能是纤维未分散引起的原因),玄武岩纤维混凝土的抗压强度总体是增加的,而且随着水灰比的增加,其增强性能有所加强。不过,玄武岩纤维混凝土的增强效果比硅粉混凝土的增强效果差。

表2.5是玄武岩纤维混凝土的抗压增强效果(3种体积掺量的平均增长值)与硅粉混凝土的增强效果的比较。

表2.5的结论表明,无论是玄武岩纤维混凝土还是硅粉混凝土,水灰比0.55之后的增强效果减缓;玄武岩纤维混凝土增强效果大致是硅粉混凝土增强效果的一半左右。表2.6是以不同水灰比、但相同掺量的抗压强度增长率平均值比较。结果表明,玄武岩纤维的体积掺量增加到0.3%,其抗压强度的平均增长率有所减少,原因可能是纤维的分散效果不好所致。

与素混凝土比较,上述所有掺加玄武岩纤维的混凝土抗压强度平均增长率为16.79%,而所有硅粉混凝土的增长率平均值为38.19%,其增强效果优于玄武岩纤维混凝土的增强效果。

试验结论还表明,水灰比是最大的影响因素,硅粉的掺入增加了混凝土的抗压强度,玄武岩纤维的掺入也增加了混凝土的抗压强度,但其增加的比例小于硅粉混凝土的。

2.2.1.2　纤维长度的影响

表2.7是相同纤维体积掺量和不同长度玄武岩纤维混凝土的抗压强度平均增强效果分析。

上述结果说明,玄武岩纤维的长度对混凝土抗压强度的增强效果影响并不明显。在纤维掺量较少时,长度15mm的纤维混凝土效果明显些;随着纤维掺量增加,长度大的纤维反而使混凝土的抗压增强效果降低。原因可能是纤维掺量的增加使得长度大的纤维分散不均而产生了众多的薄弱界面,降低了其增强效果。

2.2.2　与掺加碳纤维的混凝土抗压性能的比较

为比较玄武岩纤维混凝土与碳纤维混凝土的抗压增强效果,进行了与掺加碳纤维的混凝土抗压增强效果的比较试验。试验原材料和配合比见表2.2。

采用强制式搅拌机拌制混凝土,混凝土抗压和抗弯试件每组3个,其尺寸均为150mm×150mm×150mm;纤维混凝土的制备、试验方法与试验结果处理方法同上述2.2.1;抗弯试件每组3个,其尺寸为100mm×100mm×400mm。同种掺量、配合比抗压试件与抗弯试件同时成型,成型后1d拆模,在20℃的标准养护室养护28d后进行抗压强度及抗弯性能测试。测试抗弯强度的同时,测试试件的弯曲拉伸应变。在试件底面中间段受拉侧粘贴电阻应变片,连接应变仪,每加载1000 N测读并记录应变值。之后,根据所记录的荷载和应变值,绘制混凝土的应力-应变关系曲线。

纤维混凝土的抗压试件和抗弯试件制作和试验测试,试验测试的结果(抗压强度、抗弯强度与抗弯弹性模量)的计算等均按照《水工混凝土试验规程》(SL/T 352—2006)执行,其中混凝土抗弯强度按式(2.1)计算(准确至0.01MPa)[81]:

式中:ff为混凝土抗弯强度,MPa;P为破坏荷载,N;l为支座间距(即跨度),l=3h,mm;b为试件截面宽度,mm;h为试件截面高度,mm。

如果弯断面位于两个集中荷载之外(以受拉区为准),则该试件作废。如果有两个试件的弯断面均位于两个集中荷载之外,则试验应重做。

混凝土的抗弯弹性模量按式(2.2)计算(准确至100MPa)[81]:

式中:Ef为混凝土抗弯弹性模量,MPa;σ0.5为50%的破坏应力,MPa;ε0.5为σ0.5所对应的应变值。

应力按式(2.3)计算(准确至0.01MPa):

式中:σf为弯曲应力,MPa;P为弯曲荷载,N;l、b和h均与式(2.1)相同。

混凝土抗弯弹性模量取应力0～0.5ft破坏应力的割线弹性模量。表2.8～表2.11是测试结果[8]。

表2.8是水灰比为0.50掺玄武岩纤维混凝土的抗压强度和抗弯性能试验结果,其中C编号为未掺纤维混凝土试件(对比组)的结果。

表2.9是水灰比为0.60掺玄武岩纤维混凝土的抗压强度和抗弯性能。

表2.10是水灰比为0.50掺碳纤维混凝土的抗压强度和抗弯性能,其中C21是未掺纤维试件(对比组)。

表2.11是水灰比为0.60掺碳纤维混凝土的抗压强度和抗弯性能,其中C22是未掺纤维试件(对比组)。

2.2.2.1　与碳纤维混凝土增强效果的比较

以掺加20mm短切纤维、水灰比为0.50的混凝土试件的测试结果为例,玄武岩纤维和碳纤维不同纤维掺量对混凝土抗压强度的影响如图2.3所示[8]。

如图2.3所示,混凝土中短切纤维含量的不同,对混凝土抗压强度有一定的影响。当掺加短切玄武岩纤维的含量为0.1%～0.5%时,混凝土的抗压强度随着纤维掺量的增加而增大,并在0.5%时达到最大值。主要原因可能是,纤维混凝土内部形成一定的网状结构,协同骨料一起受力,当应力自基体传递给纤维时,纤维因变形而消耗能量,使受压强度上升[42]。随后纤维掺量的增加反而使混凝土的抗压强度降低,原因是纤维掺量的增加使纤维分散不均而产生了众多的薄弱界面,不能形成具有整体性的空间网架,导致增强效果反而降低[82-83]。

混凝土中掺加0.1%～0.5%的短切碳纤维可使抗压强度增大。同掺加短切玄武岩纤维类似,当掺量为0.5%时达到增强效果的最大值,并随着短切碳纤维掺量的继续增加而使增强效果降低。为比较两种纤维的增强效果,抗压强度达到最大值时的情况分析如表2.12所示。

上述分析表明,掺加短切玄武岩纤维和短切碳纤维都可增强混凝土的抗压强度。在上述试验条件下,当混凝土中掺加纤维含量达到最优值时,玄武岩纤维可使普通混凝土的抗压强度增强27.34%,碳纤维则增强13.24%,玄武岩纤维增强效果比碳纤维明显。同一水灰比0.50,相同纤维长度为10mm和15mm,玄武岩纤维对混凝土抗压强度的最大增长率都比碳纤维的明显。

2.2.2.2　纤维长度对混凝土增强效果的比较

上述结果分析表明,纤维体积掺量对混凝土的抗压强度有较为明显的影响。根据上述结果,以水灰比0.50为例,计算得到不同纤维长度、所有掺加纤维的体积掺量(0.1%～0.9%)的混凝土抗压强度的平均增长率见表2.13。

表2.13分析的结果表明,在水灰比0.50时,玄武岩纤维混凝土比碳纤维混凝土的抗压强度增强效果更好。但是,在水灰比为0.60时情况则相反。其原因应该是由于混凝土本身随机性的影响或试验时纤维的分散程度的影响,另外,由于成型的试件数量较多,两种水灰比混凝土是分别成型的,原材料和制作工艺上可能存在差异。这一结果同时也说明,纤维分散性问题是影响纤维混凝土质量的重要问题,在纤维混凝土的制备过程中必须重视,否则效果可能相反。

2.2.3　粉煤灰短切玄武岩纤维混凝土的抗压强度

考虑水工混凝土的实际应用要求,进行了掺加玄武岩纤维的粉煤灰混凝土抗压增强效果的比较试验。试验原材料和配合比见2.1.2中的表2.3,试件每组3个(尺寸均为150mm×150mm×150mm),并按照《水工混凝土试验规程》(SL/T 352—2006)进行试验与试验结果的处理。

试验结果表明,表2.3的两种配合比和强度等级混凝土的抗压强度随纤维掺量的增加呈波动状态,表明纤维掺量对粉煤灰混凝土抗压强度的影响不显著,无明显规律。

另外,对不同龄期(7d、28d、60d、90d和180d)的C30和C20混凝土不掺玄武岩纤维与纤维掺量为3.0kg/m3不同龄期的抗压强度试验结果的分析也表明,不同龄期玄武岩掺纤维和未掺纤维混凝土的抗压强度增长趋势基本一致。这一结论表明,掺加玄武岩纤维对粉煤灰混凝土抗压强度没有明显的增强效果[43]。