玄武岩纤维沙漠砂混凝土柱受压破坏研究

2024-01-12冯倍森秦拥军黄东孟军

科学技术与工程 2023年34期

冯倍森, 秦拥军, 黄东, 孟军

(新疆大学建筑工程学院, 乌鲁木齐 830017)

玄武岩纤维(basalt fiber,BF)是以天然玄武岩拉制的连续纤维,有着强度高、耐腐蚀、耐高温等优点。有关研究[1]表明BF的掺入可以提高沙漠砂混凝土的抗压和抗拉强度,具有阻裂、抗裂、蓄水的能力,能够改善沙漠砂混凝土的脆性、易起砂等缺陷。文献[2-3]研究发现混杂纤维的掺入有效提高了黏结强度;刘逸等[4]研究发现玄武岩纤维对再生混凝土轴拉性能的提升效果要优于普通混凝土;方江华等[5]研究发现玄武岩纤维掺入轻骨料混凝土中能显著提升其抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度。目前主要将玄武岩纤维掺入普通混凝土和再生混凝土中,对于其在沙漠砂混凝土中的研究还较少。

随着中国建筑化发展水平越来越高,建筑材料的升级已是迫在眉睫。中国沙漠资源丰富,如何利用沙漠砂取代河沙制作混凝土的研究已经取得突破性进展。本课题组研究团队已经对取自塔克拉玛干沙漠的C40沙漠砂混凝土进行配合比实验[6],并基于此进行了力学性能、耐久性、损伤本构关系研究且对深梁构件进行了系统研究,但是在柱、板等构件的研究还未研究,因此为了补上这块空白,为沙漠砂混凝土的实际工程应用提供理论基础,现着重研究沙漠砂混凝土柱的力学性能,同时为了对轴压及大小偏心都进行较为详细的研究,偏心距取0、60、120 mm,且通过加入BF来改善沙漠砂混凝土的力学性能,探索沙漠砂混凝土柱受压破坏规律,以期为沙漠砂混凝土的实际工程应用提供参考。

1 试验

1.1 试验材料

粗骨料采用新疆地区卵石,5～20 mm连续级配,体积密度2 700 kg/m3;天然砂采用新疆地区中粗砂,表观密度2 487.5 kg/m3;沙漠砂取自塔克拉玛干沙漠,取砂地点为新疆巴州轮台县塔河油田沙漠公路62 km处背风浮砂,平均粒径0.963 mm,如表1所示;水泥采用乌鲁木齐天山水泥厂生产的天山牌P·O 42.5R水泥;粉煤灰采用乌鲁木齐红雁池电厂生产的Ⅲ级粉煤灰;减水剂采用聚羧酸高效减水剂,减水率为28%;纵筋采用HRB400,箍筋采用HPB300;试验用水采用自来水;BF采用12 mm短切玄武岩纤维(图1),其相关性能指标如表2所示。

图1 12 mm短切玄武岩纤维Fig.1 12 mm short-cut basalt fiber

表1 沙漠砂化学组成成分Table 1 Chemical composition of desert sand

表2 BF主要物理力学性能指标Table 2 Main physical and mechanical properties of basalt fiber

1.2 试验设计

1.2.1 试验柱设计

对2015-2021年关于BF力学性能研究结论[7-13]进行归纳,且BF过多会导致配比需水增加,坍落度不易控制,综合上述考虑最终确定BF质量掺量为0、0.05%、0.1%、0.15%,同时为了对轴压及大小偏心都进行较为详细的研究,偏心距取0、60、120 mm。试验柱的截面尺寸取200 mm×250 mm,长度为1 100 mm,混凝土保护层取25 mm,纵向配筋4C12,箍筋A6@50/100。

1.2.2 配合比设计

对李帅雄等[6]利用塔克拉玛干沙漠研究得到的C40沙漠砂混凝土配比进行试配。考虑BF的添加导致沙漠砂混凝土的需水量增加,本次试验的配合比遵循该配比下混凝土的坍落度保持在100～150 mm范围内的原则[14],改变减水剂的掺量进行试配,得到不同BF质量掺量下的沙漠砂混凝土配合比,具体配合比如表3所示。

表3 试验配合比设计Table 3 Experimental mix design

1.3 试验方案

1.3.1 纤维混凝土制备过程

纤维混凝土制备过程如图2所示。

图2 制备试件流程图Fig.2 Flow chart of specimen preparation

1.3.2 加载方法

本次试验主要涉及两种工况,分别是轴心受压和偏心受压。采用微机控制电液伺服压力试验机WEY-5000用于受压柱轴压及偏压试验,荷载从零开始直到试验破坏无法继续承载或下降至峰值荷载的70%～80%停止加载。采用DH3816静态应变仪用于加载过程中、混凝土和钢筋的应变采集,YHD-200的位移计,用于测量偏心受压柱的侧向变形。加载装置示意图如图3所示。

图3 受压柱加载装置示意图Fig.3 Schematic diagram of loading device for compression column

2 实验结果与分析

2.1 受压柱破坏形态分析

受压柱表面平滑湿润,无漏筋、粗骨料凸出等现象,未产生表面裂纹(图4),这是因为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气候环境、自身收缩产生的裂纹[15];轴压柱中部附近混凝土被压碎(图5),可见在受到外力后,受压柱中部发生横向膨胀,进而使得混凝土破坏。通过对比发现E0B1(E0指偏心距为0,B1指BF质量掺量为0.1%)的受压柱纵向裂缝宽度较小,长度较短;各组正面牛角处均出现斜向宽裂缝,如图6所示。各组受压柱在远荷侧均出现横向受拉裂缝,裂缝分布较均匀,但是所有横向裂缝的发展均没有在正面贯通,同轴压相比,后期远荷侧又由受压转为受拉,出现受拉的现象,即出现远荷侧的横向裂缝;各组受压柱远荷侧均出现横向受拉裂缝,裂缝分布较均匀,远荷侧的横向裂缝均延伸至正面,横向受拉裂缝在正面中部范围内存在1～2条贯通裂缝,其余横向裂缝延伸至正面2/5～3/5范围处,但受拉面E12B1存在3条较宽横向受拉裂缝,其余远荷侧均存在1条受拉横向主裂缝,如图7所示。

图4 受压柱浇筑成型时形态Fig.4 The shape of the compression column when it was poured

图5 轴压柱破坏形态Fig.5 Failure pattern of axial compression column

图6 偏心距60 mm偏压柱破坏形态Fig.6 Failure pattern of 60 mm eccentric bias column

图7 偏心距120 mm偏压柱破坏形态Fig.7 Failure pattern of bias column with 120 mm eccentricity

以上结果表明BF质量掺量为0.1%时,混凝土破坏形态较好,受压柱塑性较好,远荷侧出现多条主裂缝的同时,正面及近荷侧混凝土受压破坏程度较其他组受压柱没有加重,可见BF的掺入延缓了混凝土的开裂,提高了其延性。并且通过对比图5中4组受压柱发现,掺入BF后受压柱中部出现了横向裂缝,表明BF的掺入能够改变裂缝的方向,原因是BF能够传递应力,改变了受压柱内部应力的分布。

2.2 受压柱混凝土损伤发展过程

如图8所示,混凝土损伤发展可大致分为四部分,一般包含弹性阶段、裂缝出现阶段、裂缝发展阶段、破坏阶段。以图8(c)为例,第一部分,受压荷载在0～300 kN时呈线弹性行为,此时受压柱内部微裂缝逐渐发展,主要发生在混凝土砂浆与骨料的接触面。第二部分,受压荷载在300～500 kN时,此时裂缝扩展加快,但裂缝还只是出现在薄弱区,受压柱还处于稳定状态,这一部分也可近似看作是弹性行为。第三部分,受压何载在500～600 kN时,裂缝发展迅速,内部各部分接触面变得不稳定,裂缝增加,出现大裂缝,混凝土保护层压碎、剥落。第四部分,在受压荷载超过600 kN后,应变变得非常大,裂缝相互贯通,形成连续的裂缝系统,产生宏观裂缝,受压柱最终破坏。

图8 受压柱混凝土荷载-压应变曲线Fig.8 Load-compressive strain curve of concrete in compression column

此外,从图8中可以看出BF质量掺量为0.1%是承载力最大,可见适量的BF能够提高沙漠砂混凝土的承载能力。

2.3 混凝土抗压强度分析

根据规范[16]要求,使用微机控制电液伺服压力试验机HCT306A对每组受压柱预留的立方体及棱柱体进行28 d抗压强度测定。所得数据如图9所示。

图9 玄武岩纤维掺量与抗压强度关系曲线Fig.9 Relation curve between basalt fiber content and compressive strength

如图9所示,在满足混凝土抗压强度等级为C40时,受压柱试块抗压强度随BF掺量的增加呈现减小后增加再减小的趋势。其中当BF掺量为0.1%时,受压柱抗压强度达到最大,变化率增大达12.7%。这是由于BF在与混合料充分拌和后在混凝土中相当于许多微小的钢筋,能够把混凝土连成更加紧密的结构,BF能够吸收一部分能量,减缓了裂缝的发展,从而提高其抗压强度。

可以看到当BF掺量为0.15%时,抗压强度开始下降。一方面可能是因为BF的过多掺入会导致混凝土内部含气量上升,形成更多的孔隙使得抗压强度下降;另一方面可能是由于BF的长度的限制,本次试验只取了12 mm的BF长度,未排除纤维长度对沙漠砂混凝土抗压强度的影响。

2.4 平截面假定分析

平截面假定是材料力学中的一个变形假设。假设构件受拉伸、压缩、纯弯曲变形后垂直于轴线的各平截面仍为平面且同变形后构件轴线仍保持垂直,这一假设成立是后文利用普通混凝土规范对受压柱承载力分析的前提,以偏心距为60 mm偏压柱为例对不同荷载水平下的偏压柱柱中正截面高度方向上的应变进行绘制,应变采用受压柱正面中部应变片实测值,由于加载过程中受压柱应变片粘贴处裂缝开展,导致应变片失效,故对有效应变进行绘制。如图10所示。

如图10所示,随纤维增加正截面中性轴位置有所偏差,但是受压柱中性轴位置以几何中点为基准点靠近远荷侧最大不超过50 mm。在不同BF掺量下,各受压柱中中性轴基本呈一条直线,即正截面高度方向应变规律基本符合平截面假定,因此在给定荷载下受压柱正截面高度方向应变基本符合线性关系。

2.5 试验承载力与计算承载力分析

如图11所示,对受压柱试验承载力进行提取,为了直观地分析玄武岩纤维沙漠砂混凝土受压柱承载力的变化规律,绘制受压柱试验承载力变化率曲线,如图11(a)所示。受压柱理论承载力计算是结合2.3节的抗压强度值和《结构设计原理》[17～19]中计算方法,计算得到本试验研究中各配比下的受压柱的承载力并绘制成图,如图11(b)所示。试验承载力与计算承载力对比关系如图11(c)。

图11 受压柱承载力与玄武岩纤维掺量关系变化图Fig.11 Relationship between bearing capacity of compression column and basalt fiber content

由图11(c)可以看出,3种工况下,受压柱试验承载力的大小为轴压>偏心距60 mm>偏心距120 mm,承载力随着BF质量掺量的增加呈先增加后减小的规律且各工况的承载力计算值均小于试验承载力,其中轴压柱的值比较接近,其原因是偏压柱受压时存在拉压区,实际测量与理论计算之间会存在误差,但二者之间的偏差较小。结合图11(b)和图11(c)可知计算值和试验值增减趋势类似,均呈现先增加后减小的趋势,这是因为在规范中规定混凝土轴心抗压强度实测值与钢筋屈服强度实测值计算所得到计算承载力具有一定的安全系数。因此本研究的玄武岩纤维沙漠砂混凝土柱的受压承载力计算可以套用普通混凝土的计算公式。结合图11(a)和图11(c)可以看出,无论是试验值还是计算值,在BF质量掺量为0.1%时,玄武岩纤维沙漠砂混凝土柱的承载力最大,且偏心受压的受压柱承载力变化率均高于轴心受压的,当BF掺量为0.1%时,变化率达到最大,其中受压柱E6B1的变化率最大,达到16.7%,这是由于BF与水泥基体之间界面的相互作用,在2.3节中提到的BF相当于许多微小的钢筋,在裂缝发展时能到承担一部分外力,延缓了裂缝的发展,能很好地发挥混凝土和钢筋的优点,提高了混凝土的塑性能力。

从以上结果可知当偏心距为60 mm时,受压柱内部性能最优,这是由于受压柱偏心受压时存在拉压部分,不像轴心受压是全截面受压,这能充分发挥BF的抗拉性能,进一步提升受压柱抗压性能。

2.6 受压柱在不同应变速率下损伤分析

如图12所示,从图12(a)中可以看出,由于混凝土强度越高,应变越小,因此当受压柱混凝土压应变变化率小于0时,BF的掺入是对受压柱有利的。对于轴心和偏心距为120 mm的受压柱,凝土压应变变化率随BF掺量增加呈先增后减再增趋势。结合图12(a)和图12(b)可知,对于偏心距为60 mm的受压柱,混凝土和钢筋压应变变化率随着BF掺量增加呈先减后增趋势,其中当BF质量掺量为0.1%时是最有利的,混凝土压应变变化率降低最大,达到22.48%,钢筋的增大达到106.71%。

应变变化率以普通沙漠砂混凝土柱应变为基准,正数表示升高,负数表示降低图12 玄武岩纤维掺量与受压柱压应变变化率关系Fig.12 Relationship between basalt fiber content and compressive strain rate of concret

由以上结果表明,BF的掺入对偏心距为60 mm的小偏心受压柱最有利,可见BF的掺入提高了沙漠砂混凝土的抗拉强度,因为偏心受拉时存在拉压部分,BF的拉伸性能高正好弥补了沙漠砂混凝土抗拉强度低的缺点,但偏心距为120 mm时却提高不大,可见BF的提高程度有限。

2.7 受压柱侧向变形分析

从图13(a)和图13(b)可知,随着BF的掺入,受压柱侧向挠度都呈不同程度减小,当BF掺量为0.1%时,受压柱侧向挠度最小。图13(c)为柱中侧向变形与BF掺量的关系图以及大偏心较小偏心对应增长量变化曲线,由图13可知,柱中侧向变形随着BF掺量的增加呈先减小后增加的趋势,其中偏心距为60 mm的受压柱减小幅度更大。当BF掺量为0.1%时,此时柱中挠度差距最小,其减小幅度最大。