玄武巖纖維沙漠砂混凝土柱受壓破壞研究

馮倍森, 秦擁軍, 黃東, 孟軍

(新疆大學建筑工程學院, 烏魯木齊 830017)

玄武巖纖維(basalt fiber,BF)是以天然玄武巖拉制的連續纖維,有著強度高、耐腐蝕、耐高溫等優點。有關研究[1]表明BF的摻入可以提高沙漠砂混凝土的抗壓和抗拉強度,具有阻裂、抗裂、蓄水的能力,能夠改善沙漠砂混凝土的脆性、易起砂等缺陷。文獻[2-3]研究發現混雜纖維的摻入有效提高了黏結強度;劉逸等[4]研究發現玄武巖纖維對再生混凝土軸拉性能的提升效果要優于普通混凝土;方江華等[5]研究發現玄武巖纖維摻入輕骨料混凝土中能顯著提升其抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度。目前主要將玄武巖纖維摻入普通混凝土和再生混凝土中,對于其在沙漠砂混凝土中的研究還較少。

隨著中國建筑化發展水平越來越高,建筑材料的升級已是迫在眉睫。中國沙漠資源豐富,如何利用沙漠砂取代河沙制作混凝土的研究已經取得突破性進展。本課題組研究團隊已經對取自塔克拉瑪干沙漠的C40沙漠砂混凝土進行配合比實驗[6],并基于此進行了力學性能、耐久性、損傷本構關系研究且對深梁構件進行了系統研究,但是在柱、板等構件的研究還未研究,因此為了補上這塊空白,為沙漠砂混凝土的實際工程應用提供理論基礎,現著重研究沙漠砂混凝土柱的力學性能,同時為了對軸壓及大小偏心都進行較為詳細的研究,偏心距取0、60、120 mm,且通過加入BF來改善沙漠砂混凝土的力學性能,探索沙漠砂混凝土柱受壓破壞規律,以期為沙漠砂混凝土的實際工程應用提供參考。

1 試驗

1.1 試驗材料

粗骨料采用新疆地區卵石,5～20 mm連續級配,體積密度2 700 kg/m3;天然砂采用新疆地區中粗砂,表觀密度2 487.5 kg/m3;沙漠砂取自塔克拉瑪干沙漠,取砂地點為新疆巴州輪臺縣塔河油田沙漠公路62 km處背風浮砂,平均粒徑0.963 mm,如表1所示;水泥采用烏魯木齊天山水泥廠生產的天山牌P·O 42.5R水泥;粉煤灰采用烏魯木齊紅雁池電廠生產的Ⅲ級粉煤灰;減水劑采用聚羧酸高效減水劑,減水率為28%;縱筋采用HRB400,箍筋采用HPB300;試驗用水采用自來水;BF采用12 mm短切玄武巖纖維(圖1),其相關性能指標如表2所示。

圖1 12 mm短切玄武巖纖維Fig.1 12 mm short-cut basalt fiber

表1 沙漠砂化學組成成分Table 1 Chemical composition of desert sand

表2 BF主要物理力學性能指標Table 2 Main physical and mechanical properties of basalt fiber

1.2 試驗設計

1.2.1 試驗柱設計

對2015-2021年關于BF力學性能研究結論[7-13]進行歸納,且BF過多會導致配比需水增加,坍落度不易控制,綜合上述考慮最終確定BF質量摻量為0、0.05%、0.1%、0.15%,同時為了對軸壓及大小偏心都進行較為詳細的研究,偏心距取0、60、120 mm。試驗柱的截面尺寸取200 mm×250 mm,長度為1 100 mm,混凝土保護層取25 mm,縱向配筋4C12,箍筋A6@50/100。

1.2.2 配合比設計

對李帥雄等[6]利用塔克拉瑪干沙漠研究得到的C40沙漠砂混凝土配比進行試配。考慮BF的添加導致沙漠砂混凝土的需水量增加,本次試驗的配合比遵循該配比下混凝土的坍落度保持在100～150 mm范圍內的原則[14],改變減水劑的摻量進行試配,得到不同BF質量摻量下的沙漠砂混凝土配合比,具體配合比如表3所示。

表3 試驗配合比設計Table 3 Experimental mix design

1.3 試驗方案

1.3.1 纖維混凝土制備過程

纖維混凝土制備過程如圖2所示。

圖2 制備試件流程圖Fig.2 Flow chart of specimen preparation

1.3.2 加載方法

本次試驗主要涉及兩種工況,分別是軸心受壓和偏心受壓。采用微機控制電液伺服壓力試驗機WEY-5000用于受壓柱軸壓及偏壓試驗,荷載從零開始直到試驗破壞無法繼續承載或下降至峰值荷載的70%～80%停止加載。采用DH3816靜態應變儀用于加載過程中、混凝土和鋼筋的應變采集,YHD-200的位移計,用于測量偏心受壓柱的側向變形。加載裝置示意圖如圖3所示。

圖3 受壓柱加載裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of loading device for compression column

2 實驗結果與分析

2.1 受壓柱破壞形態分析

受壓柱表面平滑濕潤,無漏筋、粗骨料凸出等現象,未產生表面裂紋(圖4),這是因為BF具有一定的蓄水能力,降低沙漠砂混凝土的孔隙率,有效抑制沙漠砂混凝土由于氣候環境、自身收縮產生的裂紋[15];軸壓柱中部附近混凝土被壓碎(圖5),可見在受到外力后,受壓柱中部發生橫向膨脹,進而使得混凝土破壞。通過對比發現E0B1(E0指偏心距為0,B1指BF質量摻量為0.1%)的受壓柱縱向裂縫寬度較小,長度較短;各組正面牛角處均出現斜向寬裂縫,如圖6所示。各組受壓柱在遠荷側均出現橫向受拉裂縫,裂縫分布較均勻,但是所有橫向裂縫的發展均沒有在正面貫通,同軸壓相比,后期遠荷側又由受壓轉為受拉,出現受拉的現象,即出現遠荷側的橫向裂縫;各組受壓柱遠荷側均出現橫向受拉裂縫,裂縫分布較均勻,遠荷側的橫向裂縫均延伸至正面,橫向受拉裂縫在正面中部范圍內存在1～2條貫通裂縫,其余橫向裂縫延伸至正面2/5～3/5范圍處,但受拉面E12B1存在3條較寬橫向受拉裂縫,其余遠荷側均存在1條受拉橫向主裂縫,如圖7所示。

圖4 受壓柱澆筑成型時形態Fig.4 The shape of the compression column when it was poured

圖5 軸壓柱破壞形態Fig.5 Failure pattern of axial compression column

圖6 偏心距60 mm偏壓柱破壞形態Fig.6 Failure pattern of 60 mm eccentric bias column

圖7 偏心距120 mm偏壓柱破壞形態Fig.7 Failure pattern of bias column with 120 mm eccentricity

以上結果表明BF質量摻量為0.1%時,混凝土破壞形態較好,受壓柱塑性較好,遠荷側出現多條主裂縫的同時,正面及近荷側混凝土受壓破壞程度較其他組受壓柱沒有加重,可見BF的摻入延緩了混凝土的開裂,提高了其延性。并且通過對比圖5中4組受壓柱發現,摻入BF后受壓柱中部出現了橫向裂縫,表明BF的摻入能夠改變裂縫的方向,原因是BF能夠傳遞應力,改變了受壓柱內部應力的分布。

2.2 受壓柱混凝土損傷發展過程

如圖8所示,混凝土損傷發展可大致分為四部分,一般包含彈性階段、裂縫出現階段、裂縫發展階段、破壞階段。以圖8(c)為例,第一部分,受壓荷載在0～300 kN時呈線彈性行為,此時受壓柱內部微裂縫逐漸發展,主要發生在混凝土砂漿與骨料的接觸面。第二部分,受壓荷載在300～500 kN時,此時裂縫擴展加快,但裂縫還只是出現在薄弱區,受壓柱還處于穩定狀態,這一部分也可近似看作是彈性行為。第三部分,受壓何載在500～600 kN時,裂縫發展迅速,內部各部分接觸面變得不穩定,裂縫增加,出現大裂縫,混凝土保護層壓碎、剝落。第四部分,在受壓荷載超過600 kN后,應變變得非常大,裂縫相互貫通,形成連續的裂縫系統,產生宏觀裂縫,受壓柱最終破壞。

圖8 受壓柱混凝土荷載-壓應變曲線Fig.8 Load-compressive strain curve of concrete in compression column

此外,從圖8中可以看出BF質量摻量為0.1%是承載力最大,可見適量的BF能夠提高沙漠砂混凝土的承載能力。

2.3 混凝土抗壓強度分析

根據規范[16]要求,使用微機控制電液伺服壓力試驗機HCT306A對每組受壓柱預留的立方體及棱柱體進行28 d抗壓強度測定。所得數據如圖9所示。

圖9 玄武巖纖維摻量與抗壓強度關系曲線Fig.9 Relation curve between basalt fiber content and compressive strength

如圖9所示,在滿足混凝土抗壓強度等級為C40時,受壓柱試塊抗壓強度隨BF摻量的增加呈現減小后增加再減小的趨勢。其中當BF摻量為0.1%時,受壓柱抗壓強度達到最大,變化率增大達12.7%。這是由于BF在與混合料充分拌和后在混凝土中相當于許多微小的鋼筋,能夠把混凝土連成更加緊密的結構,BF能夠吸收一部分能量,減緩了裂縫的發展,從而提高其抗壓強度。

可以看到當BF摻量為0.15%時,抗壓強度開始下降。一方面可能是因為BF的過多摻入會導致混凝土內部含氣量上升,形成更多的孔隙使得抗壓強度下降;另一方面可能是由于BF的長度的限制,本次試驗只取了12 mm的BF長度,未排除纖維長度對沙漠砂混凝土抗壓強度的影響。

2.4 平截面假定分析

平截面假定是材料力學中的一個變形假設。假設構件受拉伸、壓縮、純彎曲變形后垂直于軸線的各平截面仍為平面且同變形后構件軸線仍保持垂直,這一假設成立是后文利用普通混凝土規范對受壓柱承載力分析的前提,以偏心距為60 mm偏壓柱為例對不同荷載水平下的偏壓柱柱中正截面高度方向上的應變進行繪制,應變采用受壓柱正面中部應變片實測值,由于加載過程中受壓柱應變片粘貼處裂縫開展,導致應變片失效,故對有效應變進行繪制。如圖10所示。

如圖10所示,隨纖維增加正截面中性軸位置有所偏差,但是受壓柱中性軸位置以幾何中點為基準點靠近遠荷側最大不超過50 mm。在不同BF摻量下,各受壓柱中中性軸基本呈一條直線,即正截面高度方向應變規律基本符合平截面假定,因此在給定荷載下受壓柱正截面高度方向應變基本符合線性關系。

2.5 試驗承載力與計算承載力分析

如圖11所示,對受壓柱試驗承載力進行提取,為了直觀地分析玄武巖纖維沙漠砂混凝土受壓柱承載力的變化規律,繪制受壓柱試驗承載力變化率曲線,如圖11(a)所示。受壓柱理論承載力計算是結合2.3節的抗壓強度值和《結構設計原理》[17～19]中計算方法,計算得到本試驗研究中各配比下的受壓柱的承載力并繪制成圖,如圖11(b)所示。試驗承載力與計算承載力對比關系如圖11(c)。

圖11 受壓柱承載力與玄武巖纖維摻量關系變化圖Fig.11 Relationship between bearing capacity of compression column and basalt fiber content

由圖11(c)可以看出,3種工況下,受壓柱試驗承載力的大小為軸壓>偏心距60 mm>偏心距120 mm,承載力隨著BF質量摻量的增加呈先增加后減小的規律且各工況的承載力計算值均小于試驗承載力,其中軸壓柱的值比較接近,其原因是偏壓柱受壓時存在拉壓區,實際測量與理論計算之間會存在誤差,但二者之間的偏差較小。結合圖11(b)和圖11(c)可知計算值和試驗值增減趨勢類似,均呈現先增加后減小的趨勢,這是因為在規范中規定混凝土軸心抗壓強度實測值與鋼筋屈服強度實測值計算所得到計算承載力具有一定的安全系數。因此本研究的玄武巖纖維沙漠砂混凝土柱的受壓承載力計算可以套用普通混凝土的計算公式。結合圖11(a)和圖11(c)可以看出,無論是試驗值還是計算值,在BF質量摻量為0.1%時,玄武巖纖維沙漠砂混凝土柱的承載力最大,且偏心受壓的受壓柱承載力變化率均高于軸心受壓的,當BF摻量為0.1%時,變化率達到最大,其中受壓柱E6B1的變化率最大,達到16.7%,這是由于BF與水泥基體之間界面的相互作用,在2.3節中提到的BF相當于許多微小的鋼筋,在裂縫發展時能到承擔一部分外力,延緩了裂縫的發展,能很好地發揮混凝土和鋼筋的優點,提高了混凝土的塑性能力。

從以上結果可知當偏心距為60 mm時,受壓柱內部性能最優,這是由于受壓柱偏心受壓時存在拉壓部分,不像軸心受壓是全截面受壓,這能充分發揮BF的抗拉性能,進一步提升受壓柱抗壓性能。

2.6 受壓柱在不同應變速率下損傷分析

如圖12所示,從圖12(a)中可以看出,由于混凝土強度越高,應變越小,因此當受壓柱混凝土壓應變變化率小于0時,BF的摻入是對受壓柱有利的。對于軸心和偏心距為120 mm的受壓柱,凝土壓應變變化率隨BF摻量增加呈先增后減再增趨勢。結合圖12(a)和圖12(b)可知,對于偏心距為60 mm的受壓柱,混凝土和鋼筋壓應變變化率隨著BF摻量增加呈先減后增趨勢,其中當BF質量摻量為0.1%時是最有利的,混凝土壓應變變化率降低最大,達到22.48%,鋼筋的增大達到106.71%。

應變變化率以普通沙漠砂混凝土柱應變為基準,正數表示升高,負數表示降低圖12 玄武巖纖維摻量與受壓柱壓應變變化率關系Fig.12 Relationship between basalt fiber content and compressive strain rate of concret

由以上結果表明,BF的摻入對偏心距為60 mm的小偏心受壓柱最有利,可見BF的摻入提高了沙漠砂混凝土的抗拉強度,因為偏心受拉時存在拉壓部分,BF的拉伸性能高正好彌補了沙漠砂混凝土抗拉強度低的缺點,但偏心距為120 mm時卻提高不大,可見BF的提高程度有限。

2.7 受壓柱側向變形分析

從圖13(a)和圖13(b)可知,隨著BF的摻入,受壓柱側向撓度都呈不同程度減小,當BF摻量為0.1%時,受壓柱側向撓度最小。圖13(c)為柱中側向變形與BF摻量的關系圖以及大偏心較小偏心對應增長量變化曲線,由圖13可知,柱中側向變形隨著BF摻量的增加呈先減小后增加的趨勢,其中偏心距為60 mm的受壓柱減小幅度更大。當BF摻量為0.1%時,此時柱中撓度差距最小,其減小幅度最大。

圖13 受壓柱側向變形圖Fig.13 Lateral deformation of compression column

以上結果表明摻量為0.1%是較佳。由此可知,BF的摻入對混凝土起到約束作用,增加了混凝土的延性,使其強度和變形能力有了不同程度的提高,可見BF能夠使混凝土和鋼筋更好地發揮其協同能力,提高受壓柱的塑性能力。

3 結論

(1)BF的摻入可以有效阻止受壓柱澆筑初凝時表面出現的開裂,其破壞過程與普通混凝土一樣,歷經4個階段:彈性階段、裂縫出現階段、裂縫發展階段、破壞階段。其中當BF質量摻量為0.1%時,破壞形態最好。

(2)隨著BF摻量增加,其抗壓強度、承載力、壓應變、柱中側向變形呈先增后減趨勢。表明BF的摻入能夠吸收一部分能量,延緩了裂縫的發展。

(3)最優摻量下,BF對偏心距較小即小偏壓的沙漠砂受壓柱力學性能提高更有效,承載力提高、壓應變降低均最大。這是由于BF的拉伸強度大,在偏壓時存在拉壓部分,能充分發揮BF的性能,在一定程度上能夠提高沙漠砂混凝土的抗拉強度。

(4)本文研究的玄武巖纖維沙漠砂混凝土柱基本符合平截面假定,其受壓承載力計算可以套用普通混凝土的計算公式。