玄武岩纤维混凝土尺寸效应研究

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发布时间：2021-09-03

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玄武岩纤维混凝土尺寸效应研究
郭大鹏
(东北林业大学土木工程学院，哈尔滨1 50040)
【摘要】为研究短切玄武岩纤维混凝土(BFRC)试件尺寸变化对基本力学性能的影响，对纤维长度(15、
25mm)，纤维掺量(0．1％、0．2％)，基体混凝土强度等级(C30、C40)的330个试件进行抗压、轴心抗压、劈裂抗拉、
弯曲抗拉试验，提出相应尺寸换算系数并选取各参数变化情况下的试件样品进行电镜扫描(SEM)，分析BFRC微
观结构形貌、裂缝和纤维与水泥浆体的粘结性能。
【关键词】玄武岩纤维；混凝土；尺寸效应；电镜扫描
【中图分类号】TU528．572 【文献标识码】 B 【文章编号】 1001—6864(2016)02—0014—03
混凝土结构因集力学性能、耐久性和耐火性、可
浇筑性，以及节约钢材、施工方便等优点于一体，作为
建筑领域应用的主导材料。但因脆性特征较为突出，
会使构件开裂，使用寿命缩短，不能满足报证工程可
靠性及经济和社会等要求。因此，对混凝土材料的改
良尤为重要。纤维混凝土复合材料的研发对混凝
土起到了增韧和阻裂效果，通过向混凝土中掺入短切
均匀分布的纤维可改变其结构内部物理力学性能。
BFRC正是采用这种技术，使得复合材料兼具两种材
料优点。尺寸效应是准脆性材料的固有属性，力学性
能强度会随试件尺寸增大而减小的变化规律。
基于力学性能试验，研究改变基体混凝土强度等
级、纤维体积掺量、纤维长度等重要参数时，不同尺寸
试件对抗压、轴压、劈拉、弯拉强度等力学性能的影
响，获得BFRC的尺寸换算系数，并通SEM，分析不同
参数变化试件样品的微观结构和裂缝发展状况。
1 试验材料与方法
1．1 试验材料
水泥选用哈尔滨水泥有限公司生产的天鹅牌普
通硅酸盐水泥(P．O 42．5)，物理力学性能指标见表1。
细骨料为中砂，细度模数为2．56；粗骨料采用碎石，连
续级配，符合GB／T14685—2011《建筑用卵石、碎石》
的要求汐加剂采用辽宁省鹏源混凝土外加剂公司生
产的PC一1型聚羧酸系高效减水剂，减水率为35％；
玄武岩纤维选用四川拓鑫玄武岩实业有限公司生产
的短切玄武岩纤维，物理力学性能指标见表2。
表1 水泥的物理力学性能
1．2 试验方法
试验设计在试件尺寸改变的同时，考虑C30、C40
基体混凝土强度等级，15mm、25mm 纤维长度及
0．1％、0．2％纤维体积掺量的变化，配合比设计如表3
所示。研究当某一参数变化时，测试混凝土立方体抗
压、棱柱体轴心抗压、劈裂抗拉、弯曲抗拉强度。浇筑
时为使玄武岩纤维均匀分散在拌合物中，采用强制式
搅拌机搅拌。考虑到纤维混凝土的离散性较大，制备
试件6个一组，以普通混凝土(NSC)为对照组，3个试
件一组。采用边长为100mm、150ram、200mm 的立方
体进行立方体抗压和劈裂抗拉强度试验；采用边长为
100mm×100mm×300mm、150mm×150mm×300mm的
棱柱体进行轴心抗压强度试验；采用边长为100mm×
100mm×400mm、150mm×150mm×550mm进行弯曲
抗拉强度试验。试件制作和试验方法参照CECS13：
2009(纤维混凝土试验方法标准》，符合规范要求的标
准养护条件。
表2 玄武岩纤维物理力学性能指标
表3 试验配合比
注：表中mco为水泥用量；W／C为水灰比；口为砂率；ff为纤维长
度；为纤维体积掺量。
2 试验结果分析
2．1 立方体抗压强度试件的尺寸效应
郭大鹏：玄武岩纤维混凝土尺寸效应研究 15
2．1．1 试验结果
当混凝土试件受压时，试件受到上下承压板的作
用，通过试件横向变形耗散此部分的能量，试件沿高
度方向上中间位置处的横向变形最大，当试件的横向
变形不足以耗散此部分能量时，试件产生裂缝，并继
续扩展。当混凝土强度等级的提高时，玄武岩纤维混
凝土边长为lOOmm 非标试件的略有减小，而
200mm边长试件的矾则略有增大；当仅改变纤维长
度时。对玄武岩纤维混凝土立方体抗压强度尺寸变化
关系影响不明显；当仅改变纤维掺量时，对试件尺寸
效应效果略有改善，但随纤维掺量的增加改善效果并
不理想，详见表4所示。
表4 立方体抗压强度尺寸换算系数
2．1．2 尺寸效应系数
通过试验结果计算得到边长为lOOmm、200ram的
普通混凝土尺寸换算系数分别为：／fo =
0．952,fo ．／fo ．加=1．053。与《普通混凝土力学性能试
验办法》中给出的0．95和1．05相差不多。
为与规范吻合，综合考虑各因素下的变化，取各
组试件的均值，得到边长为1O0 mm、200 mm立方体试
件的分别为0．941和1．069，若假定正态分布取
95％的保证率，则可分别取值为：o~f,o ．。。。=0．935，
o,f,o 彻=1．061，此换算系数的应用范围为玄武岩混凝
土强度等级在C40以下，纤维长度在15—25mm，纤维
体积掺量在0—0．2％。
2．2 轴心抗压强度试件的尺寸效应
2．2．1 试验结果
当混凝土试件轴心受压时，因长径比的限制，使
得试件沿高度方向上中部位置为纯压力作用区段，并
不受承压板的“套箍”约束。当其他参数相同，随
混凝土强度等级提高而减小，表明基体混凝土强度等
级较高时，试件轴向受压横向变形对尺寸效应有增强
作用；当仅改变纤维长度时，z，=25mm较z，：15mm的
矾表现出纤维长度越长，尺寸效应效果有增大趋势；
当仅改变纤维掺量时，随掺量增加而减小，尺寸效
应现象更显著，相关数据详见表5。
2．2．2 尺寸效应系数
经试验结果计算，普通混凝土轴心抗压强度尺寸
换算系数为0．952，与规范吻合良好。
表5 轴心抗压强度尺寸换算系数
为与规范吻合，综合考虑各因素下的变化，取各
组试件的均值，得到为0．921，若假定正态分布取
95％的保证率，则可分别取值为：矾。。=0．892，此换
算系数的应用范围为玄武岩混凝土强度等级在C40
以下，纤维长度在15～25mm，纤维体积掺量在0
～ 0．2％。
2．3 劈裂抗拉强度试件的尺寸效应
2．3．1 试验结果
纤维的主要作用是增韧阻裂，掺入武岩纤维后对
混凝土抗拉增强作用较抗压效果更为突出，使得玄武
岩纤维混凝土劈裂抗拉强度显著提高。当仅改变混
凝土强度等级时，反映出无论试件尺寸大小，都比
有所降低；当仅改变纤维长度时，两种纤维长度均
使减小，但z =15mm对尺寸效应影响效果显著；当
仅改变纤维掺量时，随纤维体积掺量增大，尺寸效应
效果提高明显，详见表6所示。
表6 立方体劈裂抗拉强度尺寸换算系数
2．3．2 尺寸效应系数
通过试验结果计算得到边长为lOOmm、200mm的
普通混凝土尺寸换算系数分别为：．／f,．。。=
0．851
．／f,-20=1．10，与规范相差不多。
为与规范吻合，综合考虑各因素下的变化，取各
组试件的均值，得到边长为100 mm、200 mm立方体试
件的分别为0．832和1．099，若假定正态分布取
95％的保证率，则可分别取值为：．。。。=0．817，御
= 1．067，此换算系数的应用范围为玄武岩混凝土强度
等级在C40以下，纤维长度在15—25ram，纤维体积掺
量在0～0．2％。
2．4 弯曲抗拉强度试件的尺寸效应