2.6　玄武岩纤维水工混凝土的抗剪性能

混凝土是一种抗拉强度低、抗压强度高的脆性材料。造成混凝土开裂的原因是混凝土局部拉应力或剪应力过大,其主拉应力超过了抗拉强度,将混凝土拉裂。混凝土的韧性是指材料或结构在荷载作用下到失效为止吸收能量的能力,可用应力-应变曲线或荷载-变形曲线所围面积表示[84-85]。混凝土抗剪性能不仅与材料的强度有关,而且还取决于构件开裂后的变形能力。

纤维混凝土的抗剪强度是评价其工程力学性能的一项基本参数,对研究纤维在混凝土结构中抗剪的贡献有重要意义。但到目前为止,关于纤维混凝土抗剪强度和剪切韧性的研究成果及文献尚不多见。目前,国内外大部分规范都未给出相应的抗剪强度设计指标,在这方面的研究与试验工作很少,得出的结论之间的差别也比较大,有待于更多的试验验证。本节以试验的方法,研究在混凝土中掺入不同长度和体积掺量的短切玄武岩纤维水工混凝土的抗剪性能,分析不同长度的纤维掺入对玄武岩混凝土抗剪强度性能的影响,不同体积掺量下的抗剪强度值的变化以及水灰比对其抗剪强度性能影响程度,以便为玄武岩纤维在实际混凝土工程中的应用提供更多的依据。

2.6.1　玄武岩纤维水工混凝土的抗剪性能试验

2.6.1.1　试验混凝土原材料与配合比

本试验为钱潮牌P32.5复合硅酸盐水泥,粗骨料是表观密度为2700kg/m3、粒径不大于40mm的碎石,细骨料是表观密度2600kg/m3、细度模数2.50的中细砂,拌和及养护用水为当地自来水。试验所用玄武岩纤维与上述其他性能试验的纤维相同。

为寻求短切玄武岩纤维混凝土抗剪强度增强效果的主要影响因素,共设计了2种水灰比、6种体积掺量以及2种短切长度的试验。抗剪试验混凝土为水灰比0.50(A组)和0.60(B组),其配合比设计与表2.2相同。具体方案与编号列入表2.23。

2.6.1.2　试验方法与试验结果的处理

本试验的设备采用某公司生产的STYE-2000J型岩石抗剪抗压试验仪,其最大垂直荷载2000k N,最大水平推力500k N,压力为数显式,水平力最小读数0.01k N,可进行最大边长为150mm的立方体和直径150mm的圆柱体混凝土和岩石试件的抗剪试验,剪力盒在水平推力下摩擦力可忽略不计。

按照《水工混凝土试验规程》(SL/T 352—2006),试件尺寸为150mm×150mm×150mm立方体标准试件,一次成型15个,试件制作的方法和养护条件同普通混凝土一致。混凝土抗剪强度试验的法向荷载均分五级,本试验具体设计0.4MPa、0.8MPa、1.2MPa、1.6MPa、2.0MPa五级施加,在剪切过程中,应保证法向应力的恒定,施加剪切荷载的速率为0.4MPa/min,每级荷载下试验三个试件[81]。试验时,将已养护28d的混凝土试件放入剪力盒中,剪力盒自带了传力板和滚轴排,安装时要保证法向力和剪切力的合力通过剪切面的中心点。

试验结果按下列公式计算各级法向荷载下的法向应力和剪应力值,取3个试件测值的算术平均值为本级法向荷载下的剪应力[9]:

式中:σi为法向应力,MPa;τi为剪应力,MPa;P为总法向荷载,N;Q为剪切荷载,应扣除滚轴排摩擦阻力,N;A为剪切面面积,mm2。

根据各级法向荷载下的法向应力和剪应力,作σ-τ直线,并用作图法或最小二乘法求出f'和c'值,再按式(2.8)计算出极限抗剪强度值[81]。

式中:τ为极限抗剪强度,MPa;σ为法向应力,MPa;f'为摩擦系数;c'为黏聚力,MPa。

2.6.2　试验结果

试验结束后,代入式(2.6)和式(2.7),计算出混凝土的各级法向应力和极限剪切应力值。表2.24是水灰比0.50、掺加纤维长度分别为20mm和10mm的玄武岩纤维混凝土的抗剪强度,其中A0组为未掺纤维的对比组[86]。

表2.25是水灰比0.60、掺加纤维长度分别为20mm和10mm的玄武岩纤维混凝土的法向应力值,其中B0组为未掺纤维的对比组。

以表2.24和表2.25中的各混凝土的极限剪应力和法向应力,分别作各试验组在各法向应力下的σ-τ图,并将图形拟合成直线,求出各组对应的f'和c'值,再将结果代入式(2.8),得出各极限抗剪强度的计算值。

图2.10和图2.11分别是水灰比0.50和0.60,短切玄武岩纤维混凝土(对比组)的σ-τ图。

表2.26是所有试件试验结果σ-τ关系和f'及c'值。表2.26中,决定系数R2接近于1,说明试验结果的σ-τ关系可以采用线性关系描述。

2.6.3　玄武岩纤维水工混凝土抗剪强度的影响因素

2.6.3.1　纤维掺量对玄武岩纤维混凝土抗剪强度的影响

将法向应力为2.0MPa代入各自的试验值回归拟合方程后,得到的计算值列入表2.27。

由表2.26和表2.27可知,相同水灰比的混凝土,玄武岩纤维的掺量影响混凝土抗剪强度,掺加玄武岩纤维的混凝土极限抗剪强度均大于没有掺加纤维(对比组)混凝土。在表2.27中,当竖向法向应力同为2.0MPa时,0.50水灰比混凝土各组的极限抗剪应力值均大于5.26MPa,最大达到6.53MPa(比对比组混凝土提高了24.1%)。类似的水灰比0.60混凝土各组的极限抗剪应力值也都大于4.90MPa,最大达到5.68MPa(比对比组混凝土提高了15.9%)。

表2.26计算的黏聚力中,对比组A0和B0混凝土的黏聚力值分别是1.77MPa和2.08MPa,但在同一水灰比掺加玄武岩纤维的混凝土的黏聚力都要大得多,最大分别达到了2.78MPa、2.60MPa。主要原因是由于混凝土中掺加玄武岩纤维后,均匀掺加的纤维会在混凝土内部相对均匀分布,当试件在法向荷载作用下,施加水平方向的剪切力在将混凝土试块剪切破坏时,部分纤维发挥了遏制剪裂的作用,从而提高了混凝土的抗剪能力。因此,玄武岩纤维的体积掺量在不大于1%之内,玄武岩纤维混凝土的抗剪强度随着纤维掺量的增加而增大。

2.6.3.2　水灰比对玄武岩纤维混凝土抗剪强度的影响

试验混凝土中,未掺纤维组和纤维掺量最大组,在试验法向最小和最大荷载下的混凝土抗剪应力如表2.28所示。

图2.12为相同纤维掺量(最小和最大掺量),在同一试验法向应力(2.0MPa)的条件下,玄武岩纤维混凝土极限剪切应力值与水灰比之间的关系图。

上述结论表明,水灰比0.50玄武岩纤维混凝土(纤维长度10mm、20mm),在试验法向荷载下的极限剪切应力值,比相同条件下0.60水灰比纤维混凝土的要大,说明玄武岩纤维混凝土的抗剪强度随水灰比的增大而降低。

另外,从上述结果还可知,水灰比0.50,在同一方向应力下,掺加0.9%的玄武岩纤维混凝土的剪切应力值,要比未掺混凝土的提高22%左右;而在相同条件下,水灰比0.60的玄武岩纤维混凝土的剪切应力值仅比未掺混凝土的提高了10%左右。因此,相同条件下,水灰比较小时,掺加玄武岩纤维的抗剪强度增强效果比水灰比大的混凝土要好,这与有关其他纤维的混凝土抗剪性能的研究结论也是类似的[87]。

2.6.3.3　纤维长度对玄武岩纤维混凝土抗剪强度的影响

取两种长度的纤维混凝土中有代表性的组,以黏聚力和试验最大法向应力下的极限剪切应力为主要分析对象,结果列入表2.29。

表2.29结果说明,掺加两种长度对玄武岩纤维混凝土的抗剪强度和黏聚力有一定影响,相同条件下,20mm纤维混凝土的抗剪强度较高,但黏聚力的规律性不强。

2.6.4　抗剪强度与轴心抗压强度的关系

为比较玄武岩纤维混凝土的抗剪强度与抗压强度之间的关系,在上述试验中每组都制备了3块150mm×150mm×150mm立方体标准试块,成型养护28d后,用于测定该组混凝土的轴心抗压强度。每组混凝土的黏聚力和28d轴心抗压强度值列入表2.30。

上述试验混凝土的抗压强度与其纤维体积掺量关系如图2.13所示。

上述试验结果说明,混凝土的抗压强度和抗剪强度都会随着玄武岩纤维的掺量增加而增大,并且混凝土强度值越大,其相应的抗剪强度就会越高,这与试验混凝土的水灰比对抗剪强度的影响结果也完全一致。另外,试验纤维混凝土抗剪强度是其抗压强度的0.074～0.113倍,这一结论大致符合有关研究得到的结果(抗剪强度为抗压强度的0.056～0.316倍[88-89])。