低温下玄武岩纤维混凝土的抗冲击性能

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(1．天津大学 建筑工程学院，天津 300072；2．天津大学 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072)

1 前 言

随着高寒铁路等低温工程的陆续建设以及受全球极端气候影响，混凝土在低温环境下的性能变化情况逐渐受到重视。早在上世纪七八十年代欧洲、美国、日本等国家学者针对低温环境下混凝土力学性能进行了研究。其中冲击强度是建筑材料重要力学性能，用来衡量材料的抗冲击能力或判断建筑材料的韧性，因此冲击强度也称为冲击韧性。混凝土的脆性随强度的提高而上升。为在保证强度的同时提高其韧性，可采用添加纤维的方法。纤维在混凝土中能够桥接宏观裂缝，限制微观裂缝的扩展，提高混凝土的抗弯性能[1]、抗冲击性，减小混凝土干缩裂缝[2-3]等等，改善了混凝土力学性能和耐久性。玄武岩纤维(BF)是一种由火山喷发形成的玄武岩矿石经高温熔融、拉丝而成的无机纤维材料，其外观为深褐色，色泽与碳纤维相似[4]。BF具有独特的力学性能、良好的稳定性以及较高的性价比，这使其成为一种良好的混凝土增强材料，将BF掺入混凝土中制成的BF混凝土(BFRC)在建筑领域有着广阔的应用前景。目前，国内外学者已对BFRC进行了研究。Sim等[5]研究了BFRC的物理，化学和力学等性能。潘慧敏等[6]对BFRC的力学性能进行了研究，给出了BF的最佳掺量范围。李为民等[7-8]研究了BFRC的动态力学性能和冲击力学性能。赵庆新等[9]采用了三点弯曲冲击试验装置，结合超声波测试技术，研究了BFRC的抗冲击性能。上述实验证明：BF的掺入可以有效提高混凝土的抗冲击性能。目前已有的研究大多数是针对常温下的BF对混凝土抗冲击性能改善作用的研究，而对于低温领域尚未有研究报道。本课题就是通过U型试件抗冲击的方法来探索BF在低温状态下的抗冲击性能，并采用威布尔分布对BFRC试件的抗冲击次数进行拟合，得出不同失效概率条件下BFRC的抗冲击寿命。

2 试验设计与结果

2.1 原材料配合比

水泥为骆驼牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥；实验用砂为天然河砂，细度模数为2.68的中砂；石子选用连续级配的碎石，粒径5～20mm；水为普通自来水。本课题选择的BF为短切BF，其短切长度为6mm和18mm两种,性能参数如表1。水灰比为0.49，砂率为36%。试验配合比见表2。

表1 BF性能参数Table 1 Basalt fiber performance parameters

2.2 试验方法及结果

试件采用课题组自行设计的U型混凝土试件(采用U型试件能够预先确定试件开裂的位置，利于实验结果的观察和记录，提高可预知性[11])，具体尺寸如图1。采用标准立方体抗压试验进行混凝体抗压强度的测试，试件尺寸为100×100×100mm。实验结果如表3。混凝土试件成型24h后脱模，标准养护25d后放入低温-30℃养护72h，在常温条件下擦干进行冲击试验[12]。

表2 玄武岩混凝土配合比Table 2 Mix of basalt fiber concrete

图1 U型试件尺寸图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

图2 落锤冲击实验装置Fig.2 Drop hammer impact experiment device

根据目前已有落锤冲击实验的基本原理和思路，实验采用本课题组自制的带有滑轨和钢制底座的自由落锤抗冲击装置，如图2所示。落锤采用高强钢材制作而成，质量为0.8kg，落锤的冲击高度为400mm。将应变片粘贴在混凝土U型试件几何中心底部受拉区的中部，先用砂纸将试件贴片处的表面打磨平整，并用酒精将其擦拭干净，然后粘贴应变片。将应变片与动态数据采集系统相连接，将试件放在落锤的正下方。将自制的落锤从一定的高度自由落下冲击试件，至冲击后落锤完全静止，每完成一次冲击即为一个循环。如此反复多次，仔细观察试件表面，当试件从无裂缝到产生第一条微裂缝时，即试件底部受拉区的应变值发生突变时，记录下此时的冲击次数，即为初裂冲击次数N1；当试件底部裂缝向上发展并将贯穿整个截面时，记录下此时的冲击次数，即为破坏冲击次数N2。每组12个试件，共84个试件，冲击实验结果如表4。

表4 BFRC冲击试验结果Table 4 Impact resistance test results for BFRC

图3为BFRC长度和掺量对N1和N2的影响。从图3中可以看出，BF的掺入可以提高混凝土材料的抗冲击性能，且在试验配比的范内，BFRC的抗冲击性能随BF掺量的增加而增大。同纤维掺量的情况下，掺入18mm长度纤维的BFRC的初裂和终裂冲击次数均大于掺入6mm 长度纤维的BFRC，说明长纤维对混凝土抗冲击性能的提高效果优于短纤维。分析出现这种现象的原因是：①在受到冲击荷载时BF分担了一部分冲击能量，而且当混凝土中出现微裂纹时，BF可以减缓裂纹尖端的应力集中，阻止裂数进一步扩展，由此提高混凝土的抗冲击性能。②玄武岩纤维对裂缝面的桥接作用可以抑制混凝土裂缝的张开和扩展。所以在掺入相同体积后18mm的BF相对于6mm的BF来说，由于其具有更长的纤维长度，能更好地通过它对裂缝面的桥接作用来抑制混凝土裂缝的张开和扩展，因此掺长纤维的BFRC的抗冲击性能优于掺入短纤维的BFRC。

图3 BF长度和掺量对N1和N2的影响Fig.3 Length and content influences of BF on N1 and N2

3.1 威布尔分布

通过威布尔分布对BFRC冲击试验结果进行统计分析。对于每组BFRC，试件抗冲击次数N的分布可以用威布尔密度函数[13-14]表示：

(1)

式中：N0为最小寿命参数；Na为特征寿命参数，即威布尔尺度参数；b为威布尔形状参数。当N0=0时，式(2)可简化为两参数威布尔分布：

(2)

若试件抗冲击次数N的累积失效概率函数为P(N)，则有：

(3)

(4)

对式(4)两边取两次自然对数，则

(5)

y=αX-β

(6)

小样本条件下(n≤20，为冲击试验的样本总数，n=12)，将样本的观测值按照从小到大的次序排列，采用平均秩法的期望估计，其累积失效概率函数的表达式[15-16]为

(7)

式中，i为某一组冲击试验数据按照从小到大顺序排列后的序号数，i=1，2，…，n。

3.2 不同失效概率下lnN-VB曲线

根据式(4)，(5)和式(6)，对不同VB(BF体积掺量)条件下的BFRC使用威布尔分布拟合，在相应失效概率P条件下的BFRC抗冲击次数N可表示为

(8)

式中，α和β为威布尔分布回归参数，可以从表5中获得。根据式(8)可以求得不同失效概率P下，BFRC的初裂冲击次数N1和终裂冲击次数N2如表6所示。

表5 BFRC抗冲击次数的威布尔分布线性回归结果Table 5 Results of Weibull regression of impact times of BFRC

根据表6的数据可以绘制BFRC在不同失效概率下的抗冲击性能曲线。以BFRC在冲击试验中的初裂和终裂次数N1和N2的自然对数lnN1和lnN2的值来评价其抗冲击性能，图4和图5分别为不同失效概率的lnN-VB曲线。由图4和图5可知，在不同的失效概率P下，BFRC的抗冲击性能与BF的体积掺量VB近似呈线性关系。

表6 不同失效概率条件下BFRC的抗冲击次数Table 6 Impact resistance times of BFRC for different probabilities of failure

对比相同掺量下的两种不同长度的纤维的BFRC可以看出，在相同的失效概率下，18mm长纤维对混凝土的在低温环境下的抗冲击性能的改善效果优于6mm短纤维。

图4 lnN1-VB曲线 (a) P=5%; (b) P=15%; (c) P=30% Fig.4 lnN1-VB curves

图5 lnN2-VB曲线 (a) P=5%; (b) P=15%; (c) P=30% Fig.5 lnN2-VB curves

1.BF的掺入可以改善混凝土的在低温环境下的抗冲击性能，且在试验配比的范围内，BFRC的抗冲击性能随BF掺量的增加而提高。同纤维掺量的情况下，掺入长度18mm的长纤维的BFRC的初裂和终裂冲击次数N1和N2均大于掺入长度6mm纤维的BFRC。

2.采用威布尔分布对本文的试验数据进行统计分析，通过数据拟合建立了冲击次数N和失效概率P之间的函数关系式。结果表明威布尔分布可以有效地对基于U形试件的BFRC抗冲击性能进行统计分析。

3.以BFRC在冲击试验中的初裂和终裂次数N的自然对数的值来评价其抗冲击性能，则在相同的失效概率情况下，BFRC的在低温条件下的抗冲击性能与BF的掺量近似呈线性关系。且在相同的失效概率和纤维掺量的条件下，长纤维对混凝土的抗冲击性能的改善效果优于短纤维。