玄武巖纖維混凝土長柱偏心受壓承載能力試驗研究

王新忠,李傳習

(1.長沙理工大學，長沙 410114;2.湖南城市學院，益陽 413000)

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玄武巖纖維混凝土長柱偏心受壓承載能力試驗研究

王新忠1,2,李傳習1

(1.長沙理工大學，長沙 410114;2.湖南城市學院，益陽 413000)

合理摻量玄武巖纖維可以提高混凝土的力學性能，混凝土長柱是結構工程中常用構件，本文首先對纖維長度為12 mm和24 mm的兩種玄武巖纖維混凝土最佳摻量進行研究，在此基礎上制作了18根長柱，進行了小偏心受壓和大偏心受壓承載能力試驗研究。結果發現，鋼筋玄武巖纖維混凝土長柱抗壓性能明顯優于普通鋼筋混凝土長柱，加入玄武巖纖維的混凝土長柱小偏心受壓的承載能力較普通混凝土長柱最大提高了13%。大偏心受壓最大提高了41%，纖維長度24 mm鋼筋玄武巖纖維混凝土長柱偏心受壓極限承載力優于纖維長度為12的鋼筋玄武巖纖維混凝土長柱偏心受壓極限承載力。

玄武巖纖維混凝土； 長柱； 承載能力

1 引 言

玄武巖纖維(Basalt Fiber)由純天然玄武巖礦石經1450～1500 ℃高溫熔融后，通過鉑銠合金拉絲漏板制成，其外觀為深褐色，有金屬光澤。玄武巖纖維具有高抗拉強度、高彈性模量、耐腐蝕、化學穩定性好等優點[1-4]。現階段學者們在纖維混凝土性能做了大量研究，研究表明玄武巖纖維摻入混凝土可以改變混凝土的力學性能，在合理的摻量范圍內既可以提高混凝土抗壓強度，抗折強度和劈裂強度[5-8]。為了進一步研究玄武巖纖維的力學特性，本文將根據玄武巖纖維的最佳摻量制作一批鋼筋玄武巖纖維混凝土長柱，并對這批長柱進行抗壓試驗，研究玄武巖纖維混凝土長柱的力學特性，借此推廣玄武巖纖維在工程中的應用。

2 試驗材料和纖維摻量

2.1 混凝土材料

水泥選用(P·O 42.5)普通硅酸鹽水泥,碎石級配直徑5～26.5 mm,連續二級配,壓碎值10.5；砂細度模數為28.5，水為自來水。混凝土配合比如表1：

表1 混凝土配合比數據Tab.1 Concrete mix proportion

2.2 玄武巖纖維材料

玄武巖纖維材料采用浙江橫店石金玄武巖纖維有限公司生產的短切玄武巖纖維，具體參數如表2。

表2 玄武巖纖維參數Tab.2 Basalt fiber parameters

圖1 兩種長度的玄武巖纖維Fig.1 Two different lengths of basalt fiber

2.3 纖維摻量研究

試驗分別對纖維長度為12 mm和纖維長度為24 mm兩種不同長度的玄武巖纖維進行摻量研究，玄武巖纖維體積摻量分別取0%,0.075%，0.1%，0.15%，0.20%，0.25%,0.30%,0.40%.共生產150 mm×150 mm×150 mm立方體試件66組，每組3個共178個，其中抗壓試件52組，劈裂試件14組；生成150 mm×150 mm×550 mm棱柱體抗折試件14組，每組3個共42個，部分試件如圖抗壓強度試驗參照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行。

圖2 部分纖維混凝土試件Fig.2 Part of test specimens of fiber concrete

圖3 立方體抗壓強度試驗Fig.3 Compression experiment of cubes

經過標準養護，對兩種添加兩種玄武巖纖維的混凝土立方體試件分別進行了7 d和28 d的抗壓強度試驗，結果如表3，同步進行了28 d抗折和披裂強度試驗，結果如表4。

表3 C30玄武巖纖維混凝土立方體抗壓強度試驗結果Tab.3 Compressive test results of C30 basalt fiber reinforced concrete cubes

表4 C30玄武巖纖維混凝土試件劈裂強度和抗折強度試驗結果Tab.4 Splitting and flexural test results of C30 basalt fiber concrete specimens

通過相同配合比的纖維混凝土立方體試件抗壓強度、抗折強度和劈裂強度試驗，結果顯示當玄武巖纖維體積摻量在0.15%時混凝土的抗壓強度最大，最大提高率為25.2%。抗折和劈裂強度最大分別提高15.92%和13.96%，為此，本次試驗選擇纖維長度12 mm和24 mm，體積摻量為0.15%的玄武巖纖維混凝土來生產長柱，同時對照沒有添加纖維的普通鋼筋混凝土長柱進行對比試驗。

3 長柱設計和試驗

3.1 試件設計

根據需要，試驗設計6個普通鋼筋混凝土長柱，12根鋼筋玄武巖纖維混凝土長柱，其中纖維長度為12 mm和24 mm的長柱各6根，截面尺寸統一為b×h=240 mm×240 mm，試件配筋和截面尺寸見圖4,圖5。

圖4 試驗柱截面配筋Fig.4 Sectional reinforcement of test columns

圖5 試驗柱位移應變測點Fig.5 Displacement and strain measurement points of the test columns

試驗柱采用直徑為12 mm的HRB335螺紋鋼筋作為縱向鋼筋，直徑6 mm的HPB235鋼筋作為箍筋，縱筋配筋率為0.79%，按GT/B288.1-2010《金屬材料拉伸試驗：第1部分：室溫試驗方法》測得兩類鋼筋的屈服強度分別為270.12 MPa,160.38 MPa，其抗拉強度391.23 MPa,275.56 MPa，試件澆筑時預留邊長150 mm的立方體試塊進行混凝土立方體抗壓強度。

本次試驗在湖南城市學院土木工程學院結構工程試驗室完成，加載過程采用分級加載，偏心受壓長柱出現裂縫前采用每級加載為10 kN，裂縫出現后采用每級加載為5 kN，每級持載3 min，直至破壞。小偏心受壓偏心距e為20 mm，大偏心時偏心距e為60 mm。

3.2 試驗現象

對于小偏心受壓，三種長柱的破壞形態基本相同，荷載增加過程中基本沒有裂縫發生，當接近破壞時，受壓區出現豎向裂縫，都是受壓區混凝土壓碎，受拉區鋼筋未見屈服。對于大偏心受壓的長柱，荷載增加過程中長柱受拉區首先出現幾條橫向裂縫，對于大偏心長柱試驗，普通鋼筋混凝土長柱(BF-0-0)在荷載增加大40 kN開始出現橫向裂縫，鋼筋纖維混凝土長柱(BF-0.15-12-DP)和(BF-0.15-24-DP)分別在荷載增大到65 kN和75 kN開始出現橫向裂縫，此后隨荷載增加，橫向裂縫寬度加大，直至受拉區鋼筋屈服，受壓區混凝土壓碎破壞。鋼筋纖維混凝土長柱(BF-0.15-12-DP)和(BF-0.15-24-DP)破壞荷載明顯高于普通鋼筋混凝土長柱(BF-0-0-DP)。

圖6 偏心受壓試驗玄武巖纖維混凝土柱破壞圖Fig.6 Failure of long basalt fiber concrete columns under eccentric compression in experiments

3.3 試驗結果

表5 長柱偏心受壓試驗極限承載力結果Tab.5 The experimental results of ultimate load-carrying capacity of long columns under eccentric compression

偏心受壓長柱試驗可以看出，添加玄武巖纖維的混凝土柱受壓極限承載力有明顯提高，纖維對小偏心受壓長柱極限承載力貢獻率小于大偏心長柱。小偏心受壓長柱極限承載力最大提高率為13%，大偏心受壓長柱極限承載力最大提高率41%。

3.4 荷載位移曲線

添加玄武巖纖維的鋼筋混凝土長柱極限承載力明顯大于普通鋼筋混凝土柱極限承載力，在破壞時鋼筋玄武巖纖維混凝土長柱中點橫向撓度明顯大于普通鋼筋混凝土柱的橫向撓度值，說明纖維混凝土柱適應變形的能力更強。

通過圖7、8可以看出橫向撓度隨柱極限承載力的升高而增大，相同荷載作用下，纖維混凝土偏心受壓長柱的橫向撓度要小于沒有添加纖維的混凝土柱。極限承載力力時，纖維長度為24 mm大偏心受壓混凝土長柱的橫向撓度大于纖維長度為12 mm大偏心受壓混凝土長柱的橫向撓度，說明纖維長度越大越能提高長柱橫向彎曲性能。

圖7 小偏心受壓長柱荷載-橫向撓度曲線Fig.7 Load-lateral deflection curve of long columns under small eccentric compression

圖8 大偏心受壓長柱荷載-橫向撓度曲線圖Fig.8 Load-lateral deflection curve of long columns under big eccentric compression

4 結 論

相對于普通鋼筋混凝土長柱，添加玄武巖纖維的鋼筋混凝土長柱偏心受壓極限承載力有明顯提高，小偏心受壓試驗長柱極限承載力最大提高率為13%，大偏心受壓試驗長柱極限承載力最大提高率41%。

試驗增加荷載過程中，鋼筋玄武巖纖維混凝土長柱受拉區的首條橫向裂縫出現明顯晚于普通鋼筋混凝土長柱，且BF-0.15-24長柱受拉區首條橫向裂縫出現時間晚于BF-0.15-12長柱。說明纖維對混凝土抗裂具有增強效果，且受添加纖維長度影響。

偏心受壓混凝土長柱試驗中長度為24 mm的玄武巖纖維增強效果優于長度為12 mm的玄武巖纖維。極限荷載下的橫向撓度增大。添加纖維的混凝土長柱的承載力提高率大于立方體試件的提高率，說明玄武巖纖維混凝土柱能和鋼筋很好結合，能更好發揮纖維混凝土的抗壓性能。

[1] 石錢華.國外連續玄武巖纖維的發展及其應用[J].玻璃纖維,2003,(4):27-31.

[2] 齊建林,朱 江.玄武巖纖維在混凝土中的應用與研究進展[J].混凝土，2011,(7):46-49.

[3] Jong S S，Cheolwoo P,Do Y M.Characteristics of basalt fiber as a strengthening material for concrete structures[J].CompositesPartB,2005,36(6):504-512.

[4] 馮乃謙.高性能混凝土結構[M].北京:機械工業出版社,2003:23-28.

[5] 張蘭芳，尹玉龍，劉晶偉，等.玄武巖纖維增強混凝土力學性能的研究[J].硅酸鹽通報，2014,33(11)：2834-2837.

[6] 賀東青,盧哲安.短切玄武巖纖維混凝土的力學性能試驗研究[J].河南大學學報(自然科學版),2009，39(3):320-322.

[7] 王海良，袁 磊，宋 浩.短切玄武巖纖維混凝土力學性能試驗研究[J].建筑結構，2013，43(增)：562-564.

[8] Ali N M,Wang X,Wu Z S,et al.Basalt fiber reinforced polymer grids as an external reinforcement for reinforced concrete structures[J].JournalofReinforcedPlasticsandComposites,2015,34(19):1615-1627.

[9] 廉 杰，楊勇新,楊 萌，等.短切玄武巖纖維增強混凝土力學性能的試驗研究[J].工業建筑，2007，37(6)：8-10.

[10] Dylmar P D,Clelio T.Fracture toughness of geopolymeric concretes reinforced with basalt fibers[J].Cement&ConcreteComposites,2005,(27)：49-54.

[11] 彭 苗，黃浩雄，廖清河，等.玄武巖纖維混凝土基本力學性能試驗研究[J].混凝土,2012,1:74-75.

[12] 董進秋，杜艷廷，聞寶聯，等.玄武巖纖維混凝土力學性能與增韌機理研究[J].工業建筑，2011,41(增)：639-641.

[13] 吳釗賢，袁海慶，盧哲安，等.玄武巖纖維混凝土力學性能試驗研究[J].混凝土，2009，9：67-68.

[14] 陳伯望.土木工程試驗[M].北京：中國建筑工業出版社，2012,9.

[15] 葉見曙.結構設計原理[M].北京：人民交通出版社,2014,7.

Experimental Study on Load-carrying Capacity of Basalt Fiber Reinforced Concrete Long Columns under Eccentric Compression

WANGXin-zhong1,2,LIChuan-xi1

(1.Changsha University of Science & Technology，Changsha 410114,China;2.Hunan City University,Yiyang 413000,China)

Proper doping of basalt fiber can improve the mechanical properties of concrete. The concrete long column is a common component used in structural engineering. In this study, the optimal content of two types of basalt fiber reinforced concrete with a fiber length of 12 mm and 24 mm, respectively was investigated. On this basis, 18 long columns were made, with which experimental research on the load-carrying capacity of concrete under small and big eccentric compression conditions was then conducted. The results show that the compressive property of the basalt fiber reinforced concrete long columns is obviously better than that of the ordinary steel reinforced concrete columns. Load-carrying capacity of the basalt fiber reinforced concrete long columns has been improved by up to 13% under small eccentric compression compared with that of the ordinary concrete long columns, and by up to 41% under big eccentric compression. The ultimate load-carrying capacity of the 24 mm-basalt fiber reinforced concrete long columns is better than that of the 12 mm-basalt fiber reinforced concrete long columns.

basalt fiber reinforced concrete；long column；load-carrying capacity

國家自然科學基金項目(51378080)；國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)(2015CB057701)

王新忠(1976-)，男，博士研究生，副教授.主要從事橋梁新材料新工藝方面的研究.

U444

A

1001-1625(2016)10-3242-05