玄武巖纖維-風積沙混凝土抗沖擊試驗研究

解國梁，申向東，姜 偉，張 斌

(1.黑龍江八一農墾大學 土木水利學院，黑龍江 大慶 163319；2.內蒙古農業大學 水利與土木建筑工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018)

0 引言

隨著城市化進程的加快，我國建筑行業發展勢頭迅猛，各類基礎設施規模迅速擴大，混凝土需求日益激增。作為混凝土用細骨料河砂資源再生緩慢，逐漸不能滿足當今基礎建設的需求[1]。而在我國西北地區儲藏著豐富的風積沙資源，這對當地生態環境造成了巨大破壞[2]。若將風積沙取代普通河砂制備風積沙混凝土(Aeolian Sand Concrete，ASC)，對經濟、生態環境和可持續發展具有重大意義。目前，諸多學者對ASC的力學性能、耐久性能及其工程應用展開了大量試驗研究[3-5]。結果表明：適量風積沙摻入混凝土中可以增強混凝土的力學性能，但在應用中也暴露出一系列問題。風積沙只能在一定界限范圍內代替工程用砂，且配制的ASC和普通混凝土性能相近，具有易收縮開裂、韌性差等缺點，使其在實際施工中應用困難。如何改善ASC韌性，提高其阻裂能力成為研究人員探索的關鍵問題之一。

將一定體積摻量的纖維均勻摻入混凝土中可以抑制內部裂縫的產生和發展，進而改善混凝土脆性，提高抗拉、抗沖擊性能[6-9]。玄武巖纖維(Basalt Fibre，BF)作為一種新型無機環保材料，具有優良的相容性、穩定的化學性能、耐高溫、耐酸堿且價格低廉等優點，是較為理想的增強、增韌材料，將其用于改良ASC具有一定的實際價值[10-11]。纖維的阻裂效應可以提高混凝土的整體性，但摻量較大時纖維會在混凝土中出現“抱團”，且纖維-水泥基界面區成為混凝土破壞的薄弱層。因此，纖維對混凝土性能的改善存在合理摻量。董偉[12]等配制BF摻量為0，1.0，1.5，2.0，2.5 kg/m3的ASC(風積沙摻量為20%)，研究了5組混凝土的抗沖擊性能，并通過掃描電鏡分析了纖維阻裂增韌機理，結果表明：BF摻量為1.0～1.5 kg/m3時，纖維與水泥基之間的錨固作用可以較大幅度地提高ASC的抗沖擊性能。朱涵[13-14]等對同一直徑下長6 mm和18 mm 的兩種BF在不同體積摻量下(0，1%，2%)進行低溫環境下的抗沖擊試驗。結果表明：BF可以有效提高混凝土在低溫環境下的抗沖擊次數；相同BF體積摻量和失效概率條件下，18 mm長纖維較6 mm短纖維對混凝土的抗沖擊性能改善作用更加明顯。付敏[15]運用Weibull分布模型對鋼纖維再生混凝土落錘沖擊試驗的沖擊壽命進行統計分析，結果表明：在不同失效概率下，沖擊壽命估計值與試驗所得結果增長趨勢基本保持一致。

綜上，合理摻量的纖維對混凝土抗沖擊性能的提升有顯著效果。BF對混凝土抗沖擊性能改善作用多集中于定性研究，針對玄武巖纖維混凝土的抗沖擊壽命和失效概率規律的研究報道較少，且纖維阻裂增韌機理報道甚少，缺乏相應的理論指導。本研究對不同BF體積摻量下的ASC進行抗沖擊試驗，研究BF對ASC的初裂和終裂沖擊次數以及沖擊性能的變化規律，并采用Weibull分布模型對各組混凝土的沖擊次數進行擬合，得出不同失效概率規律及不同玄武巖纖維摻量下ASC的抗沖擊壽命。

1 試驗

1.1 試驗原材料

水泥：某品牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，各項性能指標均符合《通用硅酸鹽水泥》(GB175—2007)規范要求。粉煤灰：II級粉煤灰。河砂：Ⅱ區中砂，顆粒級配良好；風積沙：庫布齊沙漠，主要顆粒粒徑0.075～0.25 mm；碎石：5～25 mm連續級配。骨料物理性能見表1。外加劑：萘系高效減水劑，減水率24%。水：自來水。玄武巖纖維：短切BF，性能指標見表2。

表1 骨料物理性能指標

表2 玄武巖纖維性能參數

1.2 試驗配合比

已有文獻研究表明風積沙等質量取代普通河砂取代率為20%時，可以優化混凝土內部孔隙結構，對混凝土的各項力學性能有促進作用[4]。本試驗以20%的風積沙等質量取代普通河砂，在此基礎上將BF分別以0，0.05%，0.1%，0.15%和0.2%的體積摻入ASC中。經試配確定外加劑為膠凝材料的2%，水膠比為0.45，砂率為40%。混凝土配合比和基本性能見表3。

表3 混凝土配合比及基本性能

1.3 試驗設計

混凝土抗沖擊試驗參照美國混凝土協會(ACI544)推薦的混凝土落錘沖擊試驗方法并結合環境條件采用自制落錘沖擊裝置進行，見圖1。將混凝土拌和物制備成100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件，并在試件正中間對立面位置粘貼應變片，便于數據采集。落錘采用1.5 kg的實心鋼球，自由下落高度為300 mm，為了防止沖擊過程中荷載過于集中，在試件頂面中間放置一塊鋼墊板。以落錘開始至落錘沖擊鐵板后靜止計1次沖擊次數，當試件下部的應變片數值發生突變，試件出現第1條可視裂縫，此時為混凝土初裂沖擊次數并記錄N1；當試件斷裂或者裂縫上下貫穿時結束試驗，并記錄終裂次數N2。混凝土試件初裂和終裂沖擊耗能可由公式(1)計算，同時將混凝土材料在沖荷載下遭受破壞時所吸收能量的能力表示為韌性，可由延性比μ和韌性系數C作為評價混凝土試件韌性的指標[16-17]，見式(2)和式(3)。

圖1 混凝土落錘抗彎沖擊試驗

W=Nmgh，

(1)

μ=(N2-N1)/N1，

(2)

C=Wi/W0，

(3)

式中，W為沖擊功；N為沖擊次數；m為落錘質量；h為落錘自由下落高度；g為自由落體加速度，取9.8 N/kg；Wi為摻玄武巖纖維風積沙混凝土破壞時的沖擊功；W0為A0組混凝土破壞時的沖擊功。

2 結果與討論

2.1 玄武巖纖維風積沙混凝土抗沖擊性能試驗結果

圖2和圖3分別為玄武巖纖維風積沙混凝土抗沖擊次數和沖擊韌性指標。由圖2可知：基準組A0(不摻入纖維)的初裂和終裂次數基本相等，表明試件的初裂和終裂幾乎同時發生，反映了普通混凝土明顯的脆性破壞特征。摻入BF后，玄武巖纖維風積沙混凝土試件抗沖擊次數明顯增加，并隨纖維摻量的增加呈先增大后減少的變化規律，且終裂沖擊次數N2與初裂沖擊次數N1的差值也有所增加。由此表明摻入BF可以顯著提高ASC的延性和韌性。A10組混凝土(BF體積摻量為0.1%)抗沖擊次數達到最大，初裂次數N1與終裂次數N2較A0組混凝土分別提高了0.93倍和1.75倍。由圖3可知：隨著BF摻量的增加，試件延性比μ和韌性系數C與抗沖擊性次數的變化規律一致。當BF體積摻量為0.1%時，玄武巖纖維風積沙混凝土試件延性比μ和韌性系數C達到最大，其值分別為基準組A0的4.41倍和2.75倍。當BF摻量大于0.1%時，試件的沖擊性能和沖擊韌性指標均有所下降，這是由于BF比表面積較大，水泥砂漿相對不足，無法更好地包裹纖維，致使纖維與基體界面黏結強度降低，從而使混凝土內部產生大量微裂縫，試件吸收沖擊能減少，沖擊韌性指標下降。

圖2 玄武巖纖維風積沙混凝土抗沖擊次數

圖3 玄武巖纖維風積沙混凝土韌性指標

2.2 玄武巖纖維風積沙混凝土抗沖擊性能微觀分析

采用掃描電鏡對沖擊破壞后的A10組混凝土微觀形貌進行分析。由圖4可觀察到纖維較好地分散在混凝土基體中，呈現空間亂向分布。當受到外界荷載沖擊時，纖維的“微加筋”作用將沖擊功傳輸給周圍的混凝土結構，骨料和水泥基體共同消耗沖擊能，同時三維亂向分布的纖維改變了裂縫的走向，避免應力集中。由圖4可見纖維與基體界面區連接不再緊密，甚至出現了纖維被拔出現象，且界面區結合處孔洞增大，有部分水泥石脫落。當混凝土發生初裂后，纖維在混凝土基體兩端形成橋接，約束了裂縫的繼續擴展，提高了混凝土延性。隨著荷載的不斷進行，沖擊能不斷累積，最終在混凝土基體最薄弱處釋放，導致新裂縫產生，纖維間距增大，橋接作用減弱，微裂縫擴展形成宏觀裂縫。由此可知，玄武巖纖維對ASC的增強、增韌主要是依靠纖維與水泥基體之間的摩擦力和機械咬合力實現，破壞主要發生在纖維被拔出及纖維與水泥石界面區水化產物的脫落。

圖4 玄武巖纖維風積沙混凝土微觀形貌

2.3 玄武巖纖維風積沙混凝土沖擊次數分布特征

混凝土材料本身存在多相性和不均勻性，內部存在許多不規則微裂縫和微孔隙，在同一沖擊荷載作用下，試驗數據仍存在很大的隨機性[18]。因此，只有明確混凝土沖擊次數的概率分布，才能更為準確地預測混凝土抗沖擊性能分布規律及壽命。混凝土沖擊破壞與彎曲疲勞破壞具有一定的相似性[19]，因此，本試驗參考文獻[20]中Weibull分布對疲勞的描述，對沖擊次數采用雙參數Weibull分布理論分析。

假設混凝土抗沖擊次數N服從Weibull分布，Weibull分布的概率密度函數可表示為：

(N0≦N≦∞)

(4)

式中，N0為最小抗沖擊壽命；Na為尺度參數；b為形狀參數。

取混凝土材料最小抗沖擊次數N0=0，式(4)可簡化為雙參數Weibull分布：

(N0≦N≦∞)

(5)

依據可靠度分析，混凝土沖擊壽命N的累積失效規律可用函數表示為：

(6)

對兩邊進行恒等變形且取對數可得：

(7)

令Y=ln{ln[1/R(N)]}，X=ln(N)，C=-bln(Na)

則：

Y=bX+c。

(8)

將每1組的6個混凝土試件的抗沖擊次數N1和N2按照從小到大的順序依次排列，記下秩序數i。則對應的生存概率R(N)可以表示為：

(9)

根據式(6)～(8)，對各組混凝土的初裂和終裂沖擊次數N1與N2進行Weibull分布擬合，擬合結果見表4，圖5為各組混凝土沖擊次數的Weibull分布擬合圖。

由表4可知，采用Weibull分布線性回歸擬合后，相關系數R2的最小值為0.827，最大值為0.968。由圖5可以發現，各組混凝土試件沖擊破壞次數N1和N2的各試驗數據點基本分布在1條直線上，說明Weibull分布可以描述玄武巖纖維風積沙混凝土抗沖擊次數的分布規律。

表4 混凝土抗沖擊次數的Weibull分布線性回歸分析結果

圖5 各組混凝土沖擊次數的Weibull分布擬合

2.4 不同失效規律下玄武巖纖維風積沙混凝土沖擊壽命評估

根據式(6)～(8)對不同玄武巖纖維體積摻量下的風積沙混凝土建立抗沖擊次數N和不同失效概率P之間的關系，如下：

(10)

式中b和bln(Na)為Weibull分布回歸參數，可由表4中獲得。根據式(10)可以求出不同失效概率下玄武巖纖維風積沙混凝土的初裂次數N1和終裂次數N2。本試驗選取3種失效概率0.1，0.2，0.3進行壽命評估，建立各組混凝土試件不同失效概率下的lnN-VX(VX為玄武巖纖維摻量)曲線關系，如圖6所示。

圖6 不同失效概率下混凝土抗沖擊次數與玄武巖纖維體積摻量關系

由圖6可知，不同失效概率下，混凝土的抗沖擊次數隨著玄武巖纖維體積摻量的增加呈先增大后減少的趨勢，且當纖維體積摻量為0.1%時，抗沖擊次數最大。這說明玄武巖纖維可以有效提高風積沙混凝土的抗沖擊壽命。

3 結論

(1)玄武巖纖維可以有效提高風積沙混凝土的抗沖擊性能，纖維體積摻量為0.1%時，混凝土的抗沖擊性能和韌性指標均達到最大，其終裂沖擊次數、延性比和韌性系數分別為普通風積沙混凝土的1.75倍，4.41倍和2.75倍。

(2)采用Weibull雙參數分布模型對混凝土抗沖擊次數進行數理統計分析，結果表明玄武巖纖維風積沙混凝土沖擊次數N1和N2試驗數據點基本分布在1條直線上，試驗數據擬合相關性較好。

(3)玄武巖纖維風積沙混凝土抗沖擊次數隨著失效概率的增加而增大，隨纖維摻量的增加呈先增大后減小的變化規律。玄武巖纖維體積摻量為0.1%時，抗沖擊次數最大，抗沖擊性能最優。