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 濱海土木工程結構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建設以及受全球極端氣候影響，混凝土在低溫環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。混凝土的脆性隨強度的提高而上升。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)是一種由火山噴發形成的玄武巖礦石經高溫熔融、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)在建筑領域有著廣闊的應用前景。目前，國內外學者已對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，結合超聲波測試技術，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 試驗設計與結果

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，細度模數為2.68的中砂；石子選用連續級配的碎石，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Table 1 Basalt fiber performance parameters

2.2 試驗方法及結果

試件采用課題組自行設計的U型混凝土試件(采用U型試件能夠預先確定試件開裂的位置，利于實驗結果的觀察和記錄，提高可預知性[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。實驗結果如表3。混凝土試件成型24h后脫模，標準養護25d后放入低溫-30℃養護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，質量為0.8kg，落錘的沖擊高度為400mm。將應變片粘貼在混凝土U型試件幾何中心底部受拉區的中部，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，然后粘貼應變片。將應變片與動態數據采集系統相連接，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。如此反復多次，仔細觀察試件表面，當試件從無裂縫到產生第一條微裂縫時，即試件底部受拉區的應變值發生突變時，記錄下此時的沖擊次數，即為初裂沖擊次數N1；當試件底部裂縫向上發展并將貫穿整個截面時，記錄下此時的沖擊次數，即為破壞沖擊次數N2。每組12個試件，共84個試件，沖擊實驗結果如表4。

表4 BFRC沖擊試驗結果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，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于短纖維。分析出現這種現象的原因是：①在受到沖擊荷載時BF分擔了一部分沖擊能量，而且當混凝土中出現微裂紋時，BF可以減緩裂紋尖端的應力集中，阻止裂數進一步擴展，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沖擊試驗結果進行統計分析。對于每組BFRC，試件抗沖擊次數N的分布可以用威布爾密度函數[13-14]表示：

(1)

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

(2)

若試件抗沖擊次數N的累積失效概率函數為P(N)，則有：

(3)

(4)

對式(4)兩邊取兩次自然對數，則

(5)

y=αX-β

(6)

小樣本條件下(n≤20，為沖擊試驗的樣本總數，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的表達式[15-16]為

(7)

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

3.2 不同失效概率下lnN-VB曲線

根據式(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，在相應失效概率P條件下的BFRC抗沖擊次數N可表示為

(8)

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

表5 BFRC抗沖擊次數的威布爾分布線性回歸結果Table 5 Results of Weibull regression of impact times of BFRC

根據表6的數據可以繪制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N1和N2的自然對數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近似呈線性關系。

表6 不同失效概率條件下BFRC的抗沖擊次數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境下的抗沖擊性能的改善效果優于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境下的抗沖擊性能，且在試驗配比的范圍內，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據進行統計分析，通過數據擬合建立了沖擊次數N和失效概率P之間的函數關系式。結果表明威布爾分布可以有效地對基于U形試件的BFRC抗沖擊性能進行統計分析。

3.以BFRC在沖擊試驗中的初裂和終裂次數N的自然對數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于短纖維。