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玄武岩纤维混凝土的抗冲击性能

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【摘要】采用直径15μm的两种长度的玄武岩纤维,制成不同纤维体积掺量的玄武岩纤维混凝土。对其进行抗冲击试验,分析玄武岩纤维混凝土在低温环境下的抗冲击性能。结果表明:玄武岩纤维能够提高混凝土在低温环境下的抗冲击次数。对试验结果进行统计分析和失效概率预测,结果表明:威布尔分布可以有效地对基于U形试件的玄武岩纤维混凝土抗冲击性能进行统计分析。以玄武岩纤维混凝土在冲击试验中的初裂和终裂次数的自然对数来评价其抗冲击性能,则在相同的失效概率情况下,玄武岩纤维混凝土的抗冲击性能与玄武岩纤维的掺量近似呈线性关系。且在相同的失效概率和玄武岩纤维掺量的条件下,18mm长纤维对混凝土的抗冲击性能的改善作用优于6mm短纤维。

【关键词】玄武岩纤维混凝土;低温;抗冲击试验;抗冲击性能;威布尔分布;失效概率

1前言

随着高寒铁路等低温工程的陆续建设以及受全球极端气候影响,混凝土在低温环境下的性能变化情况逐渐受到重视。早在上世纪七八十年代欧洲、美国、日本等国家学者针对低温环境下混凝土力学性能进行了研究。其中冲击强度是建筑材料重要力学性能,用来衡量材料的抗冲击能力或判断建筑材料的韧性,因此冲击强度也称为冲击韧性。混凝土的脆性随强度的提高而上升。为在保证强度的同时提高其韧性,可采用添加纤维的方法。纤维在混凝土中能够桥接宏观裂缝,限制微观裂缝的扩展,提高混凝土的抗弯性能[1]、抗冲击性,减小混凝土干缩裂缝[2-3]等等,改善了混凝土力学性能和耐久性。玄武岩纤维(BF)是一种由火山喷发形成的玄武岩矿石经高温熔融、拉丝而成的无机纤维材料,其外观为深褐色,色泽与碳纤维相似[4]。BF具有独特的力学性能、良好的稳定性以及较高的性价比,这使其成为一种良好的混凝土增强材料,将BF掺入混凝土中制成的BF混凝土(BFRC)在建筑领域有着广阔的应用前景。目前,国内外学者已对BFRC进行了研究。Sim等[5]研究了BFRC的物理,化学和力学等性能。潘慧敏等[6]对BFRC的力学性能进行了研究,给出了BF的最佳掺量范围。李为民等[7-8]研究了BFRC的动态力学性能和冲击力学性能。赵庆新等[9]采用了三点弯曲冲击试验装置,结合超声波测试技术,研究了BFRC的抗冲击性能。上述实验证明:BF的掺入可以有效提高混凝土的抗冲击性能。目前已有的研究大多数是针对常温下的BF对混凝土抗冲击性能改善作用的研究,而对于低温领域尚未有研究报道。本课题就是通过U型试件抗冲击的方法来探索BF在低温状态下的抗冲击性能,并采用威布尔分布对BFRC试件的抗冲击次数进行拟合,得出不同失效概率条件下BFRC的抗冲击寿命。

2试验设计与结果

2.1原材料配合比水泥为骆驼牌P•O42.5普通硅酸盐水泥;实验用砂为天然河砂,细度模数为2.68的中砂;石子选用连续级配的碎石,粒径5~20mm;水为普通自来水。本课题选择的BF为短切BF,其短切长度为6mm和18mm两种,性能参数如表1。水灰比为0.49,砂率为36%。

2.2试验方法及结果试件采用课题组自行设计的U型混凝土试件(采用U型试件能够预先确定试件开裂的位置,利于实验结果的观察和记录,提高可预知性[11]),具体尺寸如图1。采用标准立方体抗压试验进行混凝体抗压强度的测试,试件尺寸为100×100×100mm。实验结果如表3。混凝土试件成型24h后脱模,标准养护25d后放入低温-30℃养护72h,在常温条件下擦干进行冲击试验。

3统计分析

3.1威布尔分布通过威布尔分布对BFRC冲击试验结果进行统计分析。

3.2不同失效概率下lnN-VB曲线根据式(4),(5)和式(6),对不同VB(BF体积掺量)条件下的BFRC使用威布尔分布拟合。

4结论

1.BF的掺入可以改善混凝土的在低温环境下的抗冲击性能,且在试验配比的范围内,BFRC的抗冲击性能随BF掺量的增加而提高。同纤维掺量的情况下,掺入长度18mm的长纤维的BFRC的初裂和终裂冲击次数N1和N2均大于掺入长度6mm纤维的BFRC。2.采用威布尔分布对本文的试验数据进行统计分析,通过数据拟合建立了冲击次数N和失效概率P之间的函数关系式。结果表明威布尔分布可以有效地对基于U形试件的BFRC抗冲击性能进行统计分析。3.以BFRC在冲击试验中的初裂和终裂次数N的自然对数的值来评价其抗冲击性能,则在相同的失效概率情况下,BFRC的在低温条件下的抗冲击性能与BF的掺量近似呈线性关系。且在相同的失效概率和纤维掺量的条件下,长纤维对混凝土的抗冲击性能的改善效果优于短纤维。

作者:朱涵1,2;刘昂1;于泳1 单位:1.天津大学建筑工程学院,2.天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室

混凝土杂志责任编辑:张雨    阅读:人次