玄武岩纤维-沙漠砂喷射混凝土基材力学性能研究

2022-04-25 07:31安巧霞
科技与创新 2022年8期
关键词:玄武岩力学性能强度

管 裕,安巧霞,王 宁,王 柯,吴 斌

(1.塔里木大学水利与建筑工程学院,新疆 阿拉尔 843300;2.塔里木大学南疆岩土工程研究中心,新疆 阿拉尔 843300;3.山东天健信达工程咨询有限公司,山东 临沂 276000)

新疆阿拉尔位于塔克拉玛干沙漠边缘,拥有丰富的沙漠砂资源,但由于沙漠砂独特的物理化学性质未能广泛应用于建筑工程中。本团队前期结合该地区丰富的沙漠砂资源,将沙漠砂替换喷射混凝土中的普通山砂,研究0%、10%、20%、30%、40%、50%沙漠砂替换率下喷射混凝土物理力学性能。研究发现,随着沙漠砂替换率的增加混凝土依然保持良好的抗压强度,但抗劈裂强度和抗折强度随着沙漠砂替换率的增加而降低,最后确定沙漠砂在喷射混凝土中的最佳替换率为10%。为进一步提高沙漠砂利用率,本研究通过研究在50%替换率下添加玄武岩纤维改善沙漠磨砂喷射混凝土物理力学性能,进一步提高沙漠砂利用率的可行性。

玄武岩纤维(Basalt Fiber,简称BF)是由天然的玄武岩石料,经过1 450~1 500 ℃融化后,采用铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维。因其与混凝土具有天然的相容性,有着优异的力学性能和良好的耐久性能,被认为是“21 世纪的纯天然高性能纤维”[1]。近年来大量学者对玄武岩纤维进行了大量的研究。徐路等人[2]研究发现玄武岩纤维在混凝土中具有良好的分散性能,玄武岩纤维掺入到喷射混凝土中可有效提高混凝土的延性。SⅠM 等人[3]进行了CBF 加固梁等混凝土构件的适应性研究,结果表明在在耐高温和改善梁的屈服性能上要优于玻璃纤维和碳纤维;国内的廉杰、邓宗才、吴钊贤等人[4-6]也对不同纤维掺量的BFRC力学性能进行了试验研究,结果表明:CBF 在骨料结合界面具有良好的联结性能,提高了混凝土内部结构的密实度,降低了孔隙率,从而提高了混凝土的各项力学性能,特别在早期抗压强度增强效果尤为显著。CBF 的体积掺量和长径比对混凝土的强度也有一定影响,其中,CBF 掺量对混凝土的影响较为显著。因此,可以通过最优的体积掺量和长径比的确定来提高混凝土性能。

本试验围绕进一步提高沙漠砂利用率这一主旨,通过研究在50%替换率下添加玄武岩纤维改善沙漠砂喷射混凝土物理力学性能,使之达到更好的力学性能,为玄武岩纤维-沙漠砂喷射混凝土应用提供理论依据。

1 试验

1.1 试验材料

采用新疆青松化工集团股份有限公司的P.O 42.5普通硅酸盐水泥,具体性能见表1。采用塔克拉玛干沙漠边缘沙漠砂,按50%替代阿克苏地区生产的细度模数为2.57 的水洗中砂,配置细集料。采用阿克苏地区生产的粒径为5~10 mm 的水洗石。采用湖南中岩建材科技有限公司聚羧酸高效减水剂。拌和水和养护水均采用自来水。采用上海臣启化工科技有限公司生产的18 mm 短切玄武岩纤维,具体性能见表2。

表1 水泥各项性能指标

表2 玄武岩纤维物理力学性能

1.2 配合比设计及试件制作

结合实际工程及以往研究经验,为研究通过添加玄武岩纤维改善沙漠砂喷射混凝土物理力学性能的可行性。根据试验规范[7],以50%沙漠砂替换率下沙漠砂喷射混凝土配合比为基准,分别设置了玄武岩纤维掺量为0 kg/m3、1 kg/m3、2 kg/m3、3 kg/m3、4 kg/m3、5 kg/m3的6 组玄武岩纤维-沙漠砂喷射混凝土配合比。严格按照规范要求加工、制作及养护试块。本试验所有试块均进行标准养护。其中抗压试块、抗劈裂试块采用5 组、每组3 块、每块为100 mm×100 mm×100 mm(长×宽×高)规格的立方体试块,采用YA-2000 电液伺服压力机测试其3 d、7 d、28 d 强度。抗折采用100 mm×100 mm×100 mm(长×宽×高)的长方体试块,测试其3 d、7 d、28 d 抗折强度,具体配合比见表3。

表3 玄武岩纤维-沙漠砂喷射混凝土基材配合比

2 试验结果及分析

2.1 BF 掺量对BF-DSSC 抗压强度的影响

BF 掺量对DSSC 立方体抗压强度的影响如图1 所示,从图1 可以发现,随着玄武岩纤维掺量的增加,喷射混凝土抗压强度都经历了一个先上升后下降的过程,玄武岩纤维掺量在2 kg/m3时抗压强度到最高,3 d、7 d、28 d 抗压强度分别达30.86 MPa、34.89 MPa、41.15 MPa,而后随着玄武岩纤维掺量的提高,立方体试块抗压强度逐步降低并在4 kg/m3时最低,3 d、7 d、28 d 抗压强度分别为26.93 MPa、30.64 MPa、37.62 MPa。分析原因主要是分散良好的玄武岩纤维能与混凝土机体一起发挥良好的协同作用,在一定程度上增加了混凝土的抗压强度[8-9],但随着掺量的提高,不可避免地出现纤维结团效应,同时过量的玄武岩纤维也会造成混凝土工作性能下降,极易造成振捣不够密实,孔隙率增加的情况,降低了试块抗压强度。BF 掺量对试块抗压破坏形态的影响如图2 所示,观察图2 发现,随着纤维掺量的提高,试块细小裂缝开始减少,贯通裂缝增多,这是由于玄武岩纤维在混凝土内部起到了加筋效应,试块完整性提高,试块表现出良好的整体性。

图1 BF 掺量对DSSC 立方体抗压强度的影响

图2 BF 掺量对试块抗压破坏形态的影响

2.2 BF 掺量对BF-DSSC 劈裂抗拉强度的影响

BF 掺量对DSSC 劈裂抗拉强度的影响如图3 所示。从图3 中发现玄武岩纤维的掺入可有效提高沙漠砂喷射混凝土的劈裂抗拉强度,发展趋势呈现先增长后降低的趋势。当纤维掺量为1 kg/m3时劈裂拉伸强度最大,相对于基准组3 d、7 d、28 d 强度分别提升100%、35.98%、14.29%,达2.32 MPa、2.57 MPa、2.88 MPa。当BF 掺量超过1 kg/m3时强度呈现逐步降低的趋势,并在4 kg/m3时强度最低,分别为2.00 MPa、2.29 MPa、2.47 MPa。试件28 d 强度BF-1 拉压比相比BF-0 提高1.07 倍,故发现BF 的掺入提高了混凝土的拉压比,有效地限制了混凝土裂缝的发展,提高了混凝土的延性。BF 掺量对试块劈裂抗拉破坏形态的影响如图4 所示,观察图4 试块破坏形态,试块受力后随着压力的提高,当混凝土中不含纤维时,裂缝一旦出现将迅速发展并贯通破坏,试块破坏过程表现出明显的脆性特征。当混凝土中掺入玄武岩纤维时,随着压力的提高,试块表面开始出现裂缝,随着裂缝的产生,试件裂缝处发生应力重分布,裂缝处拉应力由混凝土向纤维转移,保证了试块应力均匀,有效限制了裂缝的发展,试块破坏过程表现出明显的塑性特征[10]。随着纤维的掺入试块完整性得到提高。

图3 BF 掺量对DSSC 劈裂抗拉强度的影响

图4 BF 掺量对试块劈裂抗拉破坏形态的影响

2.3 BF 掺量对BF-DSSC 抗折强度的影响

BF 掺量对DSSC 抗折强度的影响如图5 所示,从图5 中可知玄武岩纤维的掺入可有效提高沙漠砂喷射混凝土的抗折强度,发展趋势基本呈现先增长后降低的趋势,并且在掺量为4 kg/m3时表现最好,3 d、7 d、28 d 抗折强度分别达到2.975 MPa、3.656 MPa、4.225 MPa,相较于基准组BF-0 抗折强度分别提高了28%、37%、35%,当玄武岩纤维掺量超过4 kg/m3时强度开始表现出下降的趋势。试块破坏过程中未添加玄武岩纤维的试块破坏发生突然,表现出明显的脆性特征;当混凝土中掺入玄武岩纤维后,在力的作用下试块开始出现裂缝,由于纤维的存在,裂缝处发生了应力重分布,拉应力开始由纤维承担,因此破坏过程相对较为缓慢,破坏时试块挠度大表现出明显塑性特征。

图5 BF 掺量对DSSC 抗折强度的影响

3 结论

玄武岩纤维与混凝土具有良好的相容性,掺入到混凝土中可改善混凝土的力学性能,是一种值得推广的纤维增强材料,应拓宽在混凝土材料中的应用。试验表明,玄武岩纤维掺入可有效提高混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度,当纤维掺量在2 kg/m3时抗压强度最高,当纤维掺量在1 kg/m3时劈裂抗拉强度最高,当纤维掺量在4 kg/m3时抗折强度最高。玄武岩纤维掺入可改善混凝土破坏形态,提高混凝土塑性。

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