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短切玄武岩纤维混凝土基本力学性能的尺寸效应
玄武岩纤维混凝土(BFRC)以普通混凝土为基材，同样存在尺寸效应问题，以下是小编搜集整理的一篇探究短切玄武岩纤维混凝土基本力学性能的论文范文，欢迎阅读参考。
摘要：为了研究短切玄武岩纤维混凝土试件尺寸变化对其基本力学性能的影响，对不同纤维长度(15，25 mm)、纤维体积掺量(0.1%，0.2%)、基体混凝土强度等级(C30，C40)的330个短切玄武岩纤维混凝土(BFRC)试件分别进行了立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、弯曲抗拉强度试验并对试验数据处理，以尺寸效应度反映尺寸效应规律。研究结果表明：玄武岩纤维混凝土立方体抗压强度试件的尺寸换算系数受混凝土的强度等级、纤维长度、纤维体积掺量的影响较小;轴心抗压强度的尺寸效应随混凝土强度等级、纤维长度、纤维体积掺量的增大均有所提高;劈裂抗拉强度随混凝土强度等级变化，其尺寸效应不明显，但随纤维长度的减小及纤维体积掺量的增加，尺寸效应有增大趋势;混凝土强度等级和纤维长度的改变对混凝土弯曲抗拉强度的尺寸效应影响不大，但随纤维体积掺量的增加，尺寸换算系数先减小后变大。
关键词：玄武岩纤维;混凝土;力学性能;尺寸效应
1、引言
混凝土是土木工程的主导材料，但传统混凝土的抗拉强度较低，耐久性较差，使得很多结构物由于混凝土性能不良而过早破坏，造成严重的经济损失[1]。在混凝土中掺入细的、短切乱向均匀分布的纤维，可起到防裂、增强和增韧的效果。纤维主要通过物理力学作用改善混凝土内部结构，而不改变混凝土中各种材料本身的化学性能。玄武岩纤维(Basalt Fiber)作为一种原料广泛且拥有优良性价比的无机纤维材料，具有与混凝土天然的相容性、耐化学腐蚀性、热稳定性等性能，使得玄武岩纤维增强混凝土有广泛的应用前景，已经成为各国学者研究的热点[27]。
对混凝土这类准脆性材料而言，尺寸效应是其固有特征，材料的尺寸效应是指随着结构尺寸变化，其强度的试验测试值呈现出有规律的下降或上升的现象[8]。钢纤维混凝土复合材料的尺寸效应换算系数已经有相关的文献规范给出，其尺寸效应换算系数较普通混凝土(NSC)的尺寸效应换算系数有较明显的变化[9]，聚丙烯纤维混凝土复合材料的尺寸效应换算系数研究资料相对缺乏，并没有给出相应换算系数[10]。
玄武岩纤维混凝土(BFRC)以普通混凝土为基材，同样存在尺寸效应问题。通过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，研究试件不同尺寸对混凝土的抗压、轴压、劈拉、弯拉强度等力学性能的影响;玄武岩纤维混凝土基本力学性能尺寸效应的相关研究尚未见系统报道，且强度尺寸换算系数取值尚未有明确规范可查，因而有必要进行玄武岩纤维混凝土基本力学性能尺寸效应试验研究。基于试验数据，寻找这种纤维混凝土各强度指标的尺寸效应影响规律，获得这种纤维混凝土不同试件尺寸间的换算关系。通过电镜扫描(SEM)，分析不同参数变化试件的微观结构和裂缝发展状况。
2、材料与试验方法
1.1 原材料
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)，物理力学性能见表1;中砂，物理性能见表2;碎石为连续级配，物理性能见表3;减水剂为辽宁省鹏源混凝土外加剂公司生产的PC1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[11]，物理力学性能见表4。
每组拌和物进行纤维含量试验2次，试验结果取平均值。2种纤维掺量情况下，纤维体积掺量为0.1%的实际质量为2.65 kg・m-3，玄武岩纤维的实测结果分别为2.48 kg・m-3和2.62 kg・m-3。纤维体积掺量为0.2%的实际质量为5.3 kg・m-3，玄武岩纤维的实测结果分别为5.28 kg・m-3和5.33 kg・m-3。从实测结果可知计算纤维掺量与实测的纤维掺量差别不大。
3、试验结果与分析
3.1 试验现象及尺寸效应评定
3.1.1 试验现象
短切玄武岩纤维的掺入使得混凝土的受力特征及其破坏形态有所变化。
立方体抗压强度试验中，普通混凝土试件破坏时呈现沿角部斜向破坏，最终的破坏形式为“沙漏状”;掺入玄武岩纤维的混凝土试件，开裂后表面仅有少量混凝土剥落，裂缝宽度明显比普通混凝土减小，直到极限荷载时，边界区混凝土开裂破坏，但试件内部的完整性较好，脆性明显减弱。
轴心抗压强度试验中，普通混凝土试件受压达到开裂荷载时，有清脆的试件开裂声音，形成对角裂缝且宽度明显，直到达极限荷载时，裂缝贯通，从试件中部破坏;掺入玄武岩纤维的混凝土试件，破坏时仅是试件中部表层的混凝土剥落，试件最终的完整性较好。
劈裂抗拉强度试验中，当达到开裂荷载时，普通混凝土试件立即破坏;掺入玄武岩纤维的混凝土试件，开裂后在继续受荷的情况下，仍能够保持裂而不坏，通过应力重分布，将能量转移到裂缝两侧试件，继续受荷。
弯曲抗拉强度试验中，当达到开裂荷载时，普通混凝土试件裂缝迅速贯通，随即破坏;掺入玄武岩纤维的混凝土试件，开裂后有一段裂而不坏的持续现象，能够继续承受部分荷载。
玄武岩纤维混凝土各类型试件破坏形态见图1，试验结果见表7。
3.1.2 尺寸效应评定
尺寸效应评定是通过纤维混凝土与普通混凝土尺寸换算系数的差值体现。该差值在一定的区间范围内，这一区间是在以普通混凝土尺寸换算系数为基点的某一定值的一维坐标轴上。理想化分析的差值应在单侧区间，小尺寸纤维混凝土试件的尺寸换算系数比普通混凝土试件尺寸换算系数的规范值越小，相应的偏离程度越大，则尺寸效应就越显著。相反，大尺寸纤维混凝土试件的尺寸换算系数比普通混凝土试件尺寸换算系数的规范值越大，相应的偏离程度越大，则尺寸效应就越显著。实际情况存在影响因素较多，数值只要偏离基点程度不大，出现在异侧区间内亦可接受。
为清晰表述，把各类尺寸换算系数用符号表示，见表8。
引入尺寸效应度γ对混凝土各类试件尺寸效应进行定量描述。以边长150 mm的混凝土立方体试件为基准尺寸试件，定义非标试件强度和基准试件强度的差值与基准试件强度的百分率为尺寸效应度。立方体抗压强度尺寸效应度计算公式为
由尺寸效应度的概念界定可知，混凝土立方体抗压强度尺寸效应度值越大，表明立方体抗压强度的尺寸效应现象越显著。
3.2 立方体抗压强度尺寸效应
通过试验结果计算得到边长为100，200 mm的αfcu分别为：fcu，15/fcu，10=0.952，fcu，15/fcu，20=1.053，fcu，10，fcu，15，fcu，20分别为边长100，150，200 mm试件的普通混凝土立方体抗压强度。与《普通混凝土力学性能试验方法标准》[15]中给出的0.95和1.05相差不多。
当其他参数相同，随着混凝土强度等级的提高，玄武岩纤维混凝土边长为100 mm非标准试件的αffcu略有减小，而200 mm边长试件的αffcu则有所增大，如图2所示;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，如图3所示;当仅改变纤维体积掺量时，对试件尺寸效应略有改善，但随纤维体积掺量的增加改善效果并不理想，如图4所示。
为与规范[15]相吻合，将所有变化参数均考虑在内，取表7中掺入玄武岩纤维的各组试件尺寸换算系数平均值，得到边长为100，200 mm立方体试件的αffcu分别为0.941和1.069，若取95%的保证率，则可分别取值为0.935和1.061，普通混凝土和玄武岩纤维混凝土试件立方体抗压强度尺寸效应度见表9，试件尺寸大小对玄武岩纤维混凝土尺寸效应度均较普通混凝土有所增大。
3.3 轴心抗压强度尺寸效应
经试验结果计算基体混凝土棱柱体试件轴心抗压强度尺寸换算系数为0.952，与规范吻合良好[15]。
由于棱柱体受压时横向变形大于立方体受压的横向变形，短切玄武岩纤维的掺入可以有效起到增强混凝土抗拉能力，抑制混凝土的开裂作用，纤维的乱向分布对混凝土轴心抗压强度的提高作用更为明显。当其他参数相同时，αffc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，lf=25 mm较lf=15 mm的αffc表现出纤维长度越长，尺寸效应有增大趋势;当仅改变纤维掺量时，αffc随掺量增加而减小，尺寸效应现象更显著，相关数据见表10。
为与规范相吻合，考虑所有变化参数，αffc在0.945～0.892范围变化。通过计算得αffc为0.921，取95%的保证率，则其值为0.892，由此得抗压强度尺寸效应度γf为8.65%，较试验所得普通混凝土抗压强度尺寸效应度5.15%有所提高，表明玄武岩纤维混凝土尺寸效应较普通混凝土更为显著。
3.4 劈裂抗拉强度尺寸效应
经计算，边长为100，200 mm立方体试件的αft分别为0.851和1.10，与规范值相差不大[15]。
由于玄武岩纤维对混凝土抗拉增强作用较抗压增强作用更为突出，从而使得玄武岩纤维混凝土劈裂抗拉强度显著提高。同时，由于玄武岩纤维体积掺量增大使单位体积内玄武岩纤维数量增多，分布更加均匀、广泛，能进一步使玄武岩纤维混凝土劈裂抗拉强度增大。
由表7可以看到，玄武岩纤维混凝土立方体试件劈裂抗拉强度均有所提高，但不同尺寸试件强度增长程度不同。当其他参数相同时，玄武岩纤维混凝土的劈裂抗拉强度随混凝土强度等级变化，反映出无论试件尺寸大小，αfft都比αft有所降低，如图5所示，其中，fft，10，fft，15，fft，20分别为边长100，150，200 mm试件普通混凝土的劈裂抗拉强度;当仅改变纤维长度时，2种纤维长度均使αfft减小，但lf=15 mm对尺寸效应影响显著，如图6所示;当仅改变纤维体积掺量时，随纤维体积掺量增大，尺寸效应提高明显，如图7所示。
普通混凝土和玄武岩纤维混凝土试件劈裂抗拉强度尺寸效应度见表11，小尺寸试件的玄武岩纤维混凝土尺寸效应度较普通混凝土增大更为明显。
3.5 弯曲抗拉强度尺寸效应
经试验结果计算普通混凝土试件的αftm为0.855，略高于规定值[15]。
提高玄武岩纤维混凝土强度等级，αfftm有所增大，但增量微小;当仅改变纤维长度时，玄武岩纤维长度lf=15，25 mm的αfftm分别为0.851和0.859，表明纤维长度的改变对弯曲抗拉强度尺寸换算系数影响不大;当仅改变纤维掺量时，αfftm随着纤维体积掺量的增加有先减小后增大的变化，表明低纤维掺量下，弯曲抗拉强度尺寸效应显著，见表12。
计算得αftm为0.860，若取95%的保证率，则其值为0.845，所得纤维混凝土弯曲抗拉尺寸效应度为16.24%。
3.6 机理分析
由于混凝土强度等级变化的幅度相对较低，硬化后的水泥砂浆基体与骨料变形协调良好，从而使得试件的均质度和整体性较好，因此，混凝土基体强度等级的改变对立方体抗压与棱柱体轴心抗压强度尺寸效应影响不大。区别于立方体抗压试验试件受套箍作用的影响，棱柱体轴压试验试件中部为纯压力作用区段，试件破坏时，中间部位横向变形较明显，故混凝土基体强度等级变化对棱柱体轴心抗压强度尺寸效应影响显著。荷载作用下，大尺寸试件受到夹箍作用较小，同时，在试件内部，以骨料和水泥砂浆之间的粘结带抗拉强度最低，故易出现由粘结带开裂。试件尺寸越大，骨料含量越多，粘结带形成的薄弱面亦越多，越容易受荷开裂。因此，立方体劈拉强度尺寸效应随混凝土基体强度等级变化表现为小尺寸试件尺寸效应显著。
玄武岩纤维作为一种不连续的分散相，掺入混凝土后会使界面增多，相应的微缺陷也随之增加，受荷后纤维与基体混凝土产生滑移，从而导致立方体抗压强度试验受纤维长度的改变并没有达到预期的效果。由于纤维与基体混凝土粘结锚固区段较短，当试件受荷后，纤维变形不足以耗散此部分能量，为寻求新的稳定平衡状态，纤维断裂，呈现出拔断破坏，或纤维与基体混凝土两端粘结情况相差较大，粘结性能较小一侧产生滑移，呈现出拔出破坏，致使试件强度降低程度较明显。因此，短纤维对立方体劈裂抗拉强度尺寸效应影响较大。相反，长纤维使棱柱体轴心抗压和弯曲抗拉强度的强度值较大，从而尺寸效应较好。
纤维掺量的改变使得玄武岩纤维混凝土立方体抗压强度尺寸效应比普通混凝土提高显著，但纤维掺量的变化未引起尺寸效应改变，是由于纤维掺量的增加致使基体混凝土中产生众多的薄弱界面，未能形成整体空间网架导致的。棱柱体轴心抗压、立方体劈裂抗拉和弯曲抗拉强度尺寸效应均随纤维掺量的增加而更加优良，这是因为单位体积内能够承担试件受拉应力的纤维较多，显著提高混凝土的韧性，从而强度的增幅更显著。
考虑工程实际应用，对试验试件实测强度值取95%保证率获得标准值，考虑相关因素得到设计值，从而建立试验试件与工程设计的关系。通过统计分析对轴压比公式中的系数进行修正得
4、结 语
(1)玄武岩纤维的掺入使混凝土轴心受压强度的尺寸效应现象最为明显，尺寸效应系数为0.892，其尺寸效应度为8.65%。立方体抗压强度的尺寸效应度略有提高。
(2)玄武岩纤维的掺入对混凝土劈裂抗拉和弯曲抗拉强度的尺寸效应均有影响，尺寸效应系数分别为0.817，1.076和0.845，影响程度较好。
(3)对混凝土强度等级分别为C30和C40的玄武岩纤维混凝土，立方体抗压尺寸换算系数分别为0.935，1.061，轴心抗压尺寸换算系数为0.892，劈裂抗拉尺寸换算系数分别为0.817，1.076，弯曲抗拉强度尺寸换算系数为0.845。
(4)玄武岩纤维混凝土复合材料的轴压比αc1取值为0.83，略高于普通混凝土的0.76。
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