低溫下玄武巖纖維混凝土的抗沖擊性能

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(1．天津大學 建筑工程學院，天津 300072；2．天津大學 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室，天津 300072)

1 前 言

隨著高寒鐵路等低溫工程的陸續(xù)建設(shè)以及受全球極端氣候影響，混凝土在低溫環(huán)境下的性能變化情況逐漸受到重視。早在上世紀七八十年代歐洲、美國、日本等國家學者針對低溫環(huán)境下混凝土力學性能進行了研究。其中沖擊強度是建筑材料重要力學性能，用來衡量材料的抗沖擊能力或判斷建筑材料的韌性，因此沖擊強度也稱為沖擊韌性?；炷恋拇嘈噪S強度的提高而上升。為在保證強度的同時提高其韌性，可采用添加纖維的方法。纖維在混凝土中能夠橋接宏觀裂縫，限制微觀裂縫的擴展，提高混凝土的抗彎性能[1]、抗沖擊性，減小混凝土干縮裂縫[2-3]等等，改善了混凝土力學性能和耐久性。玄武巖纖維(BF)是一種由火山噴發(fā)形成的玄武巖礦石經(jīng)高溫熔融、拉絲而成的無機纖維材料，其外觀為深褐色，色澤與碳纖維相似[4]。BF具有獨特的力學性能、良好的穩(wěn)定性以及較高的性價比，這使其成為一種良好的混凝土增強材料，將BF摻入混凝土中制成的BF混凝土(BFRC)在建筑領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前，國內(nèi)外學者已對BFRC進行了研究。Sim等[5]研究了BFRC的物理，化學和力學等性能。潘慧敏等[6]對BFRC的力學性能進行了研究，給出了BF的最佳摻量范圍。李為民等[7-8]研究了BFRC的動態(tài)力學性能和沖擊力學性能。趙慶新等[9]采用了三點彎曲沖擊試驗裝置，結(jié)合超聲波測試技術(shù)，研究了BFRC的抗沖擊性能。上述實驗證明：BF的摻入可以有效提高混凝土的抗沖擊性能。目前已有的研究大多數(shù)是針對常溫下的BF對混凝土抗沖擊性能改善作用的研究，而對于低溫領(lǐng)域尚未有研究報道。本課題就是通過U型試件抗沖擊的方法來探索BF在低溫狀態(tài)下的抗沖擊性能，并采用威布爾分布對BFRC試件的抗沖擊次數(shù)進行擬合，得出不同失效概率條件下BFRC的抗沖擊壽命。

2 試驗設(shè)計與結(jié)果

2.1 原材料配合比

水泥為駱駝牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；實驗用砂為天然河砂，細度模數(shù)為2.68的中砂；石子選用連續(xù)級配的碎石，粒徑5～20mm；水為普通自來水。本課題選擇的BF為短切BF，其短切長度為6mm和18mm兩種,性能參數(shù)如表1。水灰比為0.49，砂率為36%。試驗配合比見表2。

表1 BF性能參數(shù)Table 1 Basalt fiber performance parameters

2.2 試驗方法及結(jié)果

試件采用課題組自行設(shè)計的U型混凝土試件(采用U型試件能夠預(yù)先確定試件開裂的位置，利于實驗結(jié)果的觀察和記錄，提高可預(yù)知性[11])，具體尺寸如圖1。采用標準立方體抗壓試驗進行混凝體抗壓強度的測試，試件尺寸為100×100×100mm。實驗結(jié)果如表3?；炷猎嚰尚?4h后脫模，標準養(yǎng)護25d后放入低溫-30℃養(yǎng)護72h，在常溫條件下擦干進行沖擊試驗[12]。

表2 玄武巖混凝土配合比Table 2 Mix of basalt fiber concrete

圖1 U型試件尺寸圖Fig.1 U physical specimen

IDB0B6-0.4B6-0.6B6-0.8B18-0.4B18-0.6B18-0.8Compressive strength/MPa40.643.245.148.543.444.146.3

圖2 落錘沖擊實驗裝置Fig.2 Drop hammer impact experiment device

根據(jù)目前已有落錘沖擊實驗的基本原理和思路，實驗采用本課題組自制的帶有滑軌和鋼制底座的自由落錘抗沖擊裝置，如圖2所示。落錘采用高強鋼材制作而成，質(zhì)量為0.8kg，落錘的沖擊高度為400mm。將應(yīng)變片粘貼在混凝土U型試件幾何中心底部受拉區(qū)的中部，先用砂紙將試件貼片處的表面打磨平整，并用酒精將其擦拭干凈，然后粘貼應(yīng)變片。將應(yīng)變片與動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接，將試件放在落錘的正下方。將自制的落錘從一定的高度自由落下沖擊試件，至沖擊后落錘完全靜止，每完成一次沖擊即為一個循環(huán)。如此反復(fù)多次，仔細觀察試件表面，當試件從無裂縫到產(chǎn)生第一條微裂縫時，即試件底部受拉區(qū)的應(yīng)變值發(fā)生突變時，記錄下此時的沖擊次數(shù)，即為初裂沖擊次數(shù)N1；當試件底部裂縫向上發(fā)展并將貫穿整個截面時，記錄下此時的沖擊次數(shù)，即為破壞沖擊次數(shù)N2。每組12個試件，共84個試件，沖擊實驗結(jié)果如表4。

表4 BFRC沖擊試驗結(jié)果Table 4 Impact resistance test results for BFRC

圖3為BFRC長度和摻量對N1和N2的影響。從圖3中可以看出，BF的摻入可以提高混凝土材料的抗沖擊性能，且在試驗配比的范內(nèi)，BFRC的抗沖擊性能隨BF摻量的增加而增大。同纖維摻量的情況下，摻入18mm長度纖維的BFRC的初裂和終裂沖擊次數(shù)均大于摻入6mm 長度纖維的BFRC，說明長纖維對混凝土抗沖擊性能的提高效果優(yōu)于短纖維。分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：①在受到?jīng)_擊荷載時BF分擔了一部分沖擊能量，而且當混凝土中出現(xiàn)微裂紋時，BF可以減緩裂紋尖端的應(yīng)力集中，阻止裂數(shù)進一步擴展，由此提高混凝土的抗沖擊性能。②玄武巖纖維對裂縫面的橋接作用可以抑制混凝土裂縫的張開和擴展。所以在摻入相同體積后18mm的BF相對于6mm的BF來說，由于其具有更長的纖維長度，能更好地通過它對裂縫面的橋接作用來抑制混凝土裂縫的張開和擴展，因此摻長纖維的BFRC的抗沖擊性能優(yōu)于摻入短纖維的BFRC。

圖3 BF長度和摻量對N1和N2的影響Fig.3 Length and content influences of BF on N1 and N2

3.1 威布爾分布

通過威布爾分布對BFRC沖擊試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析。對于每組BFRC，試件抗沖擊次數(shù)N的分布可以用威布爾密度函數(shù)[13-14]表示：

(1)

式中：N0為最小壽命參數(shù)；Na為特征壽命參數(shù)，即威布爾尺度參數(shù)；b為威布爾形狀參數(shù)。當N0=0時，式(2)可簡化為兩參數(shù)威布爾分布：

(2)

若試件抗沖擊次數(shù)N的累積失效概率函數(shù)為P(N)，則有：

(3)

(4)

對式(4)兩邊取兩次自然對數(shù)，則

(5)

y=αX-β

(6)

小樣本條件下(n≤20，為沖擊試驗的樣本總數(shù)，n=12)，將樣本的觀測值按照從小到大的次序排列，采用平均秩法的期望估計，其累積失效概率函數(shù)的表達式[15-16]為

(7)

式中，i為某一組沖擊試驗數(shù)據(jù)按照從小到大順序排列后的序號數(shù)，i=1，2，…，n。

3.2 不同失效概率下lnN-VB曲線

根據(jù)式(4)，(5)和式(6)，對不同VB(BF體積摻量)條件下的BFRC使用威布爾分布擬合，在相應(yīng)失效概率P條件下的BFRC抗沖擊次數(shù)N可表示為

(8)

式中，α和β為威布爾分布回歸參數(shù)，可以從表5中獲得。根據(jù)式(8)可以求得不同失效概率P下，BFRC的初裂沖擊次數(shù)N1和終裂沖擊次數(shù)N2如表6所示。

表5 BFRC抗沖擊次數(shù)的威布爾分布線性回歸結(jié)果Table 5 Results of Weibull regression of impact times of BFRC

根據(jù)表6的數(shù)據(jù)可以繪制BFRC在不同失效概率下的抗沖擊性能曲線。以BFRC在沖擊試驗中的初裂和終裂次數(shù)N1和N2的自然對數(shù)lnN1和lnN2的值來評價其抗沖擊性能，圖4和圖5分別為不同失效概率的lnN-VB曲線。由圖4和圖5可知，在不同的失效概率P下，BFRC的抗沖擊性能與BF的體積摻量VB近似呈線性關(guān)系。

表6 不同失效概率條件下BFRC的抗沖擊次數(shù)Table 6 Impact resistance times of BFRC for different probabilities of failure

對比相同摻量下的兩種不同長度的纖維的BFRC可以看出，在相同的失效概率下，18mm長纖維對混凝土的在低溫環(huán)境下的抗沖擊性能的改善效果優(yōu)于6mm短纖維。

圖4 lnN1-VB曲線 (a) P=5%; (b) P=15%; (c) P=30% Fig.4 lnN1-VB curves

圖5 lnN2-VB曲線 (a) P=5%; (b) P=15%; (c) P=30% Fig.5 lnN2-VB curves

1.BF的摻入可以改善混凝土的在低溫環(huán)境下的抗沖擊性能，且在試驗配比的范圍內(nèi)，BFRC的抗沖擊性能隨BF摻量的增加而提高。同纖維摻量的情況下，摻入長度18mm的長纖維的BFRC的初裂和終裂沖擊次數(shù)N1和N2均大于摻入長度6mm纖維的BFRC。

2.采用威布爾分布對本文的試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，通過數(shù)據(jù)擬合建立了沖擊次數(shù)N和失效概率P之間的函數(shù)關(guān)系式。結(jié)果表明威布爾分布可以有效地對基于U形試件的BFRC抗沖擊性能進行統(tǒng)計分析。

3.以BFRC在沖擊試驗中的初裂和終裂次數(shù)N的自然對數(shù)的值來評價其抗沖擊性能，則在相同的失效概率情況下，BFRC的在低溫條件下的抗沖擊性能與BF的摻量近似呈線性關(guān)系。且在相同的失效概率和纖維摻量的條件下，長纖維對混凝土的抗沖擊性能的改善效果優(yōu)于短纖維。