不同纖維摻量對水工混凝土抗壓強度的影響

閻 超

(葫蘆島市水利事務服務中心,遼寧 葫蘆島 125000)

纖維對增強混凝土抗裂性、提高混凝土抗拉強度和抑制混凝土收縮具有顯著的作用效果作用,可以解決高強混凝土存在的收縮大、韌性差及抗壓比低等問題,纖維增強水泥基復合材料作為一種高性能綠色材料越來越引起人們的關注[1]。玄武巖纖維(BP)是以1450～1500℃高溫熔融天然火山巖原料,經高速拉制而成的連續纖維,既具有高模量、高強度和高技術等特點,還具有適應于各種環境下使用、過濾性好、防火阻燃、絕熱隔音、抗輻射、抗氧化、耐酸堿、抗剪切強度和壓縮強度高等優異性能,被認為是最具發展前景的材料。鑒于此,文章利用低場強核磁共振技術(NMR)測試分析摻0～10kg/m3玄武巖纖維水工混凝土的孔隙分布特征,并進一步揭示纖維摻量對孔隙分布以及抗壓強度的影響作用。

1 試驗方法

1.1 力學性能測試

1)原材料。水泥:華新P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥,其主要性能指標如表1所示。砂:Ⅱ區中砂,級配良好,細度模數2.9;碎石:粒徑5～10mm碎石;拌合水:當地自來水;減水劑:聚羧酸高效減水劑;玄武巖纖維:四川航天拓鑫玄武巖實業有限公司生產的短切玄武巖纖維,外形如圖1所示,其性能指標如表2所示。

圖1 玄武巖纖維

表1 水泥的主要性能指標

表2 玄武巖纖維的主要性能指標

2)試驗方法。依據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》測定摻0kg/m3、2kg/m3、4kg/m3、6kg/m3、8kg/m3、10kg/m3玄武巖纖維水工混凝土的抗壓強度,每種摻量制備3個試件。先在拌合好的水泥凈漿中摻入各摻量的玄武巖纖維,待攪拌均勻后再倒入攪拌機攪拌,經充分拌合后倒入100mm×100mm×100mm試模,編號標記,室內環境下靜置24h拆模,并移入標養室養護至規定齡期測定抗壓強度。

1.2 孔隙度測試

1)核磁共振技術。采用核磁共振技術可以獲取多孔介質的含水飽和度、滲透率、孔隙分布、孔隙度等相關信息,現已廣泛應用于多孔介質結構的研究。水中的氫屬于信號的主要來源,在低場核磁共振下物質本身不提供核磁信號且該物質中的孔隙用水來充滿時,物質的孔隙度可以利用獲取的核磁信號強度來確定。核磁信號強度與飽水量之間存在正比關系,而單位體積填充的水越多則物質的孔隙度越大,即物質孔隙度大小與核磁信號強度呈正比,用物質孔隙度與核磁信號強度的特定關系式可以計算物質內部各尺寸孔隙分量。

2)試驗方法。總體上,可以將核磁共振試驗流程劃分成取樣→飽水→定標→測試→分析5個步驟,將混凝土試塊切割成30mm×30mm×30mm試樣后放入真空飽水裝置,經24h飽水使內部孔隙被水充分滲透;在核磁共振分析儀器內放入孔隙度已知的標準試樣,繪制出孔隙與信號強度標準曲線作為測試標尺;在測試儀器中放置飽水試樣后測定響應的數據。本試驗選用ME23040V-Ⅰ型微觀孔隙結構分析儀測定28d齡期摻0kg/m3、2kg/m3、4kg/m3、6kg/m3、8kg/m3、10kg/m3玄武巖纖維水工混凝土試樣的孔隙。

2 試驗結果分析

2.1 孔隙度數據

孔隙的弛豫時間T2值主要取決于該類孔隙尺寸,試驗前應合理選定T2值界定大、小孔隙,即大、小孔隙為>T2值和≤T2值的孔隙,自由流體充滿于孔隙內。弛豫時間T2值越長則多孔介質的孔隙越大,反之則越小。當存在單一尺寸的孔隙時在T2譜就表現為一個單一的線,當存在不同尺寸的孔隙時在T2譜上就表現為一個連續的圖譜。采用核磁共振分析儀器測定摻0kg/m3、2kg/m3、4kg/m3、6kg/m3、8kg/m3、10kg/m3玄武巖纖維試樣,通過等量關系轉換計算不同尺寸的孔徑分量,其表達式如下:

(1)

式中:ρ2為飽和度;S、V為孔隙度分量和信號強度。因此,孔隙的大小與弛豫時間T2之間存在正比關系。研究表明,在水工混凝土中摻入0kg/m3、2kg/m3、4kg/m3、6kg/m3、8kg/m3、10kg/m3玄武巖纖維,其內部孔隙尺寸范圍主要有2個,不同摻量混凝土中的孔隙孔徑占比最高的相同,混凝土內總孔隙率隨玄武巖纖維摻量的增加而增大。這是因為玄武巖摻量過高極出現結團現象,因水泥漿無法充分浸潤纖維團中心的纖維而形成原生孔隙,所以提高了混凝土的總孔隙度。

2.2 抗壓強度數據

摻0kg/m3、2kg/m3、4kg/m3、6kg/m3、8kg/m3、10kg/m3玄武巖纖維水工混凝土的7d、14d和28d抗壓強度,抗壓強度數據,如表3所示。

表3 抗壓強度數據

1)摻4kg/m3玄武巖纖維水工混凝土的7d抗壓強度最高達到24.1MPa,相較于基準組(22.7MPa)增加6.17%。經回歸分析,預測玄武巖纖維的最佳摻量(抗壓強度達到峰值時的摻量),如圖2所示。結果顯示摻4.5kg/m3玄武巖纖維水工混凝土的7d齡期抗壓強度達到峰值。

圖2 抗壓強度回歸分析(7d齡期)

2)摻4kg/m3玄武巖纖維水工混凝土的14d抗壓強度最高達到31.9MPa,相較于基準組(29.5MPa)增加7.12%。摻10kg/m3玄武巖纖維水工混凝土的14d抗壓強度最低只有29.1MPa,相較于基準組(29.5MPa)減小1.36%。經回歸分析,預測玄武巖纖維的最佳摻量(抗壓強度達到峰值時的摻量),如圖3所示。結果顯示摻4.4kg/m3玄武巖纖維水工混凝土的14d齡期抗壓強度達到峰值。

圖3 抗壓強度回歸分析(14d齡期)

3)摻4kg/m3玄武巖纖維水工混凝土的28d抗壓強度最高達到40.3MPa,相較于基準組(32.5MPa)增加24.00%。摻10kg/m3玄武巖纖維水工混凝土的28d抗壓強度較低為36.5MPa,相較于基準組(32.5MPa)增加12.31%。經回歸分析,預測玄武巖纖維的最佳摻量(抗壓強度達到峰值時的摻量),如圖4所示。結果顯示摻4.1kg/m3玄武巖纖維水工混凝土的28d齡期抗壓強度達到峰值。

圖4 抗壓強度回歸分析(28d齡期)

總體而言,7d、14d、28d齡期時摻玄武巖纖維水工混凝土的抗壓強度均表現出先上升后下降的變化趨勢。摻量較小情況下,玄武巖纖維摻量與混凝土抗壓強度存在正相關關系;摻量較高情況下,混凝土抗壓強度隨玄武巖纖維摻量的增加而減小,摻10kg/m3玄武巖纖維時的抗壓強度反而產生劣化效應,抗壓強度有所下降。經回歸分析可知,摻入4～4.5kg/m3玄武巖纖維對增強水工混凝土抗壓強度效果最好,試驗過程中的最佳玄武巖纖維摻量為4kg/m3。

通過對比素混凝土和最佳玄武巖纖維摻量混凝土的應力-應變曲線,如圖5所示,可以將受壓破壞劃分成3個階段,具體如下:

圖5 抗壓強度回歸分析(28d齡期)

1)階段1:巖石孔隙壓縮期,該階段玄武巖纖維尚未發揮作用,未摻與摻玄武巖纖維混凝土的應力-應變曲線基本一致。

2)階段2:應力上升期,該階段混凝土受到高壓作用,內部儲存的大量應變能使得混凝土中的玄武巖纖維逐漸發揮作用,通過消耗一部分能量起到一定的增強阻裂作用。

3)階段3:峰前屈服期,該階段混凝土內部能量接近臨界值,玄武巖纖維在微裂隙處起到僑聯作用,當達到極限狀態后應力開始達到峰值,而貫穿于微裂隙兩端的玄武巖纖維隨著荷載的進一步增大逐漸被拔出,混凝土發生破裂失效。

3 結 論

1)結合核磁共振檢測數據,在水工混凝土中摻入0kg/m3、2kg/m3、4kg/m3、6kg/m3、8kg/m3、10kg/m3玄武巖纖維,其內部孔隙尺寸范圍主要有2個,不同摻量混凝土中的孔隙孔徑占比最高的相同,混凝土內總孔隙率隨玄武巖纖維摻量的增加而增大。

2)經硅灰分析,摻4.1kg/m3、4.4kg/m3、4.5kg/m3玄武巖纖維的混凝土28d、14d和7d抗壓性能最優。摻量較高情況下,混凝土抗壓強度隨玄武巖纖維摻量的增加而減小,摻入過量玄武巖纖維時的抗壓強度反而產生劣化效應,抗壓強度有所下降。

3)水工混凝土的內部孔隙結構受玄武巖纖維摻量的影響顯著,混凝土性能達到最優時存在一個最佳摻量,摻量低于最佳值時玄武巖的增強效果高于孔隙的影響作用,摻量高于最佳值時玄武巖的增強效果小于孔隙的劣化效應,即摻量過高時反而會降低混凝土力學性能。