玄武岩纤维混凝土尺寸效应研究.pdf

1 4 低温建筑技术 2 0 1 6年第 2期 ( 总第 2 1 2期) D OI ： 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i d w j z 2 0 1 6 0 2 0 0 5 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 5 0 0 4 0) 【 摘要】 为研究短切玄武岩纤维混凝土( B F R C ) 试件尺寸变化对基本力学性能的影响， 对纤维长度 ( 1 5 、 2 5 m m) ， 纤维掺量( 0 1 、 0 2 ) ， 基体混凝土强度等级( C 3 0 、 C 4 0 ) 的3 3 0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( S E M) ， 分析 B F R C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】 T U 5 2 8 5 7 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 6 ) 0 2 0 0 1 4 0 3 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。 B F R C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 B F R C的尺寸换算系数， 并通 S E M， 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 4 2 5 ) ， 物理力学性能指标见 表 1 。 细骨料为中砂 ， 细度模数为 2 5 6 ； 粗骨料采用碎石， 连 续级配， 符合 G B T 1 4 6 8 52 0 1 1 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 P C一1 型聚羧酸系高效减水剂， 减水率为 3 5 ； 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 C 3 0 、 C 4 0 基体 混 凝 土 强度 等 级 ， 1 5 m m、 2 5 m m 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 ( N S C ) 为对照组 ， 3个试 件一组 。采用 边长 为 1 0 0 m m、 1 5 0 ra m、 2 0 0 m m 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 1 0 0 mm 1 0 0 mm3 0 0 mm、 1 5 0 mm1 5 0 mm 3 0 0 mm 的 棱柱体进行轴心抗压强度试验 ； 采用边长为 1 0 0 m m 1 0 0 m m 4 0 0 m m、 1 5 0 m m1 5 0 m m 5 5 0 m m 进 行 弯 曲 抗拉强度试 验 。试 件 制作 和试 验 方法 参 照 C E C S 1 3 ： 2 0 0 9 ( 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 mc o 为水泥用量 ； W C为水灰 比； 口 为砂率 ； f f 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 1 5 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 l O O m m 非 标 试 件 的 略 有 减 小 ， 而 2 0 0 m m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 l O O m m、 2 0 0 ra m的 普通混凝土尺 寸换算 系数 分 别为 ： f o = 0 9 5 2 ,f o f o 加= 1 0 5 3 。与 普通混凝土力学性能试 验办法 中给出的0 9 5和 1 0 5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 1 O 0 m m、 2 0 0 m m立方体试 件的 分别为 0 9 4 1和 1 0 6 9 ， 若假定正态分布取 9 5 的 保 证 率 ， 则 可 分 别 取 值 为 ： o f , o 。 。 。=0 9 3 5 ， o ,f , o 彻 =1 0 6 1 ， 此换算系数的应用范围为玄武岩混凝 土强度等级在 C 4 0以下 ， 纤维长度在 1 5 2 5 m m， 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 ， = 2 5 m m较 z ， ： 1 5 m m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 9 5 2 ， 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 9 2 1 ， 若假定正态分布取 9 5 的保证率， 则可分别取值为： 矾 。 。 = 0 8 9 2 ， 此换 算系数的应用范围为玄武岩混凝土强度等级在 C 4 0 以下 ， 纤 维长 度在 1 52 5 m m， 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 =1 5 m m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 l O O m m、 2 0 0 m m的 普通 混 凝 土 尺 寸 换 算 系 数 分 别 为 ： f , 。 。= 0 8 5 1 f , - 2 0 = 1 1 0 ， 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 1 0 0 m m、 2 0 0 m m立方体试 件的 分 别 为 0 8 3 2和 1 0 9 9 ， 若假 定 正态 分 布 取 9 5 的保证率， 则可分别取值为： 。 。 。 = 0 8 1 7 ， 御 = 1 0 6 7 ， 此换算系数的应用范围为玄武岩混凝土强度 等级在 C 4 0以下， 纤维长度在 1 5 2 5 ra m， 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 2 4 1 试验结果 姜淼等 ： 再生混凝土空心砌块 配合 比试验研究 l 7 DOI ： 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i a w j z 2 0 1 6 0 2 0 0 6 再 生混凝 土空心砌块 配合 比试 验研 究 姜淼 ， 李晓明 ， 隋义 ， 丁岚。 ( 1 辽宁省建设科学研 究院。 辽宁沈 阳1 1 0 0 0 5； 2 辽宁方正检测 技术有 限公 司。 辽宁沈阳1 1 0 0 4 2； 3 辽宁三强建设集团有限公司 ， 辽宁绥中1 2 5 2 0 0) 【 摘要】 为进一步改善再生混凝土空心砌块的性能 ， 文中采取正交试验法， 以再生粗骨料取代率、 粉煤灰 掺量和减水剂掺量为变化因素， 进行配合比优化设计， 以寻求无机预处理再生粗骨料的最佳取代率。结果表明， 当水泥砂浆预处理再生粗骨料所制备的混凝土空心砌块物理力学性能达到国家标准时的最优配合 比组成为： 再 生粗骨料取代率为4 0 ， 粉煤灰掺量为2 0 ， 减水剂掺量为0 5 。 【 关键词】 再生粗骨料 ； 配合比； 优化设计 【 中图分类号】 T U 5 2 2 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 6 ) 0 2 0 0 1 7 0 3 0引言 目前国内废弃粘土砖制备混凝土空心砌块 的研 究尚属空白， 从技术上来说还缺少完善的技术规程和 标准， 使用者对砌块的质量也难以控制 。预处理后 的废弃粘土砖再生粗骨料的吸水率比天然碎石或卵 石骨料大， 再生混凝土的配合比不能简单地套用普通 混 凝土配合 比的设 计方法 ， 必须 考虑 粘土砖 再生 粗 骨料吸水率大、 流动性差的特征进行调整 。为了进 一 步改善再生混凝土空心砌块的性能 、 优化配合 比， 寻求无机预处理再生粗骨料的最佳取代率 ， 文中采取 正交试验法， 以再生粗骨料取代率、 粉煤灰掺量和减 水剂掺量为变化因素 ， 选取 L 9 ( 3 ) 的正交试验表格 进 行试验 。 1 试验原 材料 水泥为沈 阳冀 东水 泥有 限公 司生产 的 P 0 4 2 5 普通硅酸盐水 泥。 再生粗骨 料 的原 材 料为 沈 阳孤 家子 动 迁 民宅 的 建筑废弃黏土砖 ， 采用水泥砂浆对废弃黏土砖进行表 面预处理 。经水 泥砂 浆 预处 理 后所 制 得 的再 生粗 骨 换算系数分别为 0 8 1 7 ， 1 0 7 6和弯曲抗拉强度尺寸换 算系数为 0 8 4 5 。 ( 3 ) 对玄武岩纤维混凝土进行 电镜扫描试验， 玄武岩纤维的加入， 优化了混凝土的微观结构， 改善 了混凝土脆性破坏情况 。 ( 4 ) 玄武岩纤维混凝 土结构 内部 随混 凝土 强度 等级的提高， 呈现出 由低 强度等级混凝土 中拔出破 坏， 转变为较高强度等级混凝土的拔断破坏 ， 且其脆 性 破坏特征越 明显 。 料 的性能指标如表 1 所 示 。 表 1 再 生粗 骨料 的基本 性能 细骨 料 为 河 砂 ， 细 度 模 数 为 2 7 ， 含 泥 量 低 于 2 0 。 减水剂为萘系高效减水剂， 棕黄色粉状 固体， 掺 量为 1 ， 减水率在 1 2 1 5 。 2 试验 结果与分析 2 1 再生粗骨料吸水率对空心砌块配合比设计的 影响 再生粗骨料的吸水率较大， 这对再生混凝土的配 合比设计有很大影响。为了客观反映再生粗骨料吸 水率对混凝土流动性和力学性能的影响， 试验将用 自 然干燥和浸水表干 的再生粗骨料配制混凝土 。 如表 2 所示 ， 再生粗骨料吸水率大小对混凝土流 动性和强度影响较大。为使混凝土具有良好 的流动 参考文献 1 汤寄予 纤维高强混凝土基本力学性能的试验研究 D 郑 州 ： 郑州大学 ， 2 0 0 3 2 钱觉时 ， 黄煜镔 混凝土 强度尺 寸效 应的研究 进展 J 混凝 土与水泥制 品， 2 0 0 3， ( 3 ) ： 1 5 3 张野 短切玄武岩 纤维混凝 土基 本力学 性能研究 D 哈尔 滨 ： 东北林业大学 ， 2 0 1 1 ： 1 51 7 收稿 日期 2 0 1 51 1 0 4 【 作者简介 郭大鹏 ( 1 9 9 0一) ， 男 ， 黑龙江哈尔滨人 ， 硕士研究 生 ， 从事混凝土结构理论研究。