2.4　玄武岩纤维水工混凝土的抗弯性能

2.4.1　玄武岩纤维水工混凝土抗弯性能试验

2.4.1.1　试验方法

短切玄武岩纤维水工混凝土抗弯性能试验的原材料与上述试验相同,试验混凝土的配合比见表2.2。成型玄武岩纤维水工混凝土的抗弯试件共64组(192个),包括两种纤维的2种水灰比、5种体积掺量(与水泥体积比分别为0.1%、0.3%、0.5%、0.7%和0.9%)、3种短切长度(10mm、15mm和20mm)的混凝土,并与素混凝土的抗弯性能比较,以研究其增强效果。

混凝土抗弯试件每组个数、尺寸、制备与养护等与2.2.2相同。图2.6为混凝土抗弯性能的试验照片。

2.4.1.2　试验结果

混凝土抗弯强度的结果处理方法按照式(2.1),试验混凝土的抗弯强度测试结果见表2.8～表2.11。总体上,掺加纤维(包括碳纤维和玄武岩纤维)的混凝土的抗弯强度有所增加,但是并不稳定。

2.4.2　玄武岩纤维水工混凝土抗弯性能分析

2.4.2.1　与碳纤维混凝土抗弯强度的比较

以掺加15mm短切玄武岩与碳纤维混凝土的试验结果分析,水灰比0.50时混凝土抗弯强度随纤维掺量的变化见图2.7[8]。

根据图2.7,在长度15mm,水灰比为0.50时,掺加短切玄武岩纤维可使混凝土的抗弯强度增高,并在掺量为0.7%时有一个明显的峰值点,抗弯强度达到最大值。纤维掺入后,混凝土受弯拉时,纤维会连同混凝土一起受力;当混凝土产生裂缝时,因短切玄武岩纤维的掺入,使荷载能通过裂缝处的纤维传递给裂缝的上下表面,直到纤维被拔出或拉断,从而增加混凝土抗弯极限强度。混凝土基体是一种非均质材料,其内部存在大量微裂缝,当承受拉力时,截面中各质点受力极不均匀,有大量不规则的应力集中点;如果拉力再增大,这些应力集中点会首先达到极限应力状态,导致局部塑性变形和微裂缝的产生和扩展。而纤维的掺加能够分担一部分截面上的拉力,并降低混凝土内部缺陷处的应力集中系数,从而提高了混凝土的极限拉伸应变和韧性,起到阻止裂缝产生和发展的作用,同时也提高了混凝土基体的变形能力[3,83]。

上述试验条件下,当短切碳纤维掺量为0.3%时,混凝土抗弯强度达到最大。与玄武岩纤维混凝土之间的差异,应为混凝土制作及试验时的误差。按照纤维在混凝土中的作用分析,碳纤维与玄武岩纤维的作用相类似,试验的误差与混凝土本身的随机性导致了结论的差异。

为比较两种纤维的增强效果,以水灰比0.50,纤维长度15mm混凝土的抗弯强度达到最大值时的情况列于表2.17[8]。

上述试验结论说明,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,混凝土中掺加玄武岩纤维的抗弯强度增强效果明显优于掺加短切碳纤维的混凝土。但同为水灰比0.50,相同纤维长度为10mm和20mm,玄武岩纤维混凝土抗弯强度的最大增长率小于碳纤维的,说明试验中存在一定误差和混凝土材料的随机性对强度等指标的影响较大。

2.4.2.2　玄武岩纤维的长度与掺量对抗弯强度的影响

以上述表2.8～表2.11中的相同长度纤维的混凝土抗弯强度试验结果分析,两种纤维、两种水灰比和3种长度的混凝土抗弯强度(5种掺量的平均值)与素混凝土的抗弯强度的比值见表2.18,表中括号中的数值为碳纤维混凝土的数值。

表2.18计算的比值说明,纤维长度对混凝土的抗弯强度影响并不大,但相对而言,15mm长的纤维对抗弯性能的增强效果较好。

如果以混凝土纤维的掺加量为变量进行分析,即将表2.8～表2.11中相同水灰比、不同长度但掺加量相同的三个抗弯强度值平均,其结果见表2.19。

表2.19中,水灰比0.60时,玄武岩纤维混凝土的抗弯强度都较低,试验的误差很大。考虑到随机性与试验误差产生的对抗弯强度影响等,为有效地增强混凝土的抗弯强度,建议以纤维长度10～15mm,掺加量为0.3%～0.5%的体积率为宜。

2.4.2.3　抗弯极限拉伸值

按照上述试验方法,测定的混凝土抗弯极限拉伸值列于表2.20中。其中,试件的编号和含义与表2.8～表2.11相同。

上述结论说明,掺加纤维后总体上增加了混凝土抗弯极限拉伸值,但统计的规律性并不强。